Seccion 5-Drenaje Transversal en Carreteras

SECCIÓN N° 5 DRENAJE TRANSVERSAL EN CARRETERAS

5.1 INTRODUCCIÓN El drenaje transversal de la carretera se consigue mediante alcantarillas cuya función es proporcionar un medio para que el agua superficial que escurre por cauces naturales o artificiales de moderada importancia, en forma permanente o eventual, pueda atravesar bajo la plataforma de la carretera sin causar daños a ésta, riesgos al tráfico o a la propiedad adyacente. Se entiende por alcantarilla a una estructura de drenaje cuya luz mayor, medida paralela al eje de la carretera, sea de hasta 6 m; Losas de luces mayores, se tratarán como puentes en lo relativo a su cálculo hidráulico. La alcantarilla debe ser capaz de soportar las cargas del tráfico en la carretera, el peso de la tierra sobre ella, las cargas durante la construcción, etc., es decir, también debe cumplir requisitos de tipo estructural. 5.2 UBICACIÓN, ALINEACIÓN Y PENDIENTE DE LAS ALCANTARILLAS La adecuada elección de la ubicación, alineación y pendiente de una alcantarilla es importante, ya que de ella depende su comportamiento hidráulico, los costos de construcción y mantenimiento, la estabilidad hidráulica de la corriente natural y la seguridad de la carretera. En general, se obtendrá la mejor ubicación de una alcantarilla cuando ésta se proyecta siguiendo la alineación y pendiente del cauce natural, ya que existe un balance de factores, tales como, la pendiente del cauce, la velocidad del agua y su capacidad de transportar materiales en suspensión y arrastre de fondo. Cuando se cambia cualquiera de estos factores es necesario compensar con cambios en otro de 266

ellos. Por ejemplo, si se acorta un canal largo, se aumenta la pendiente y como consecuencia, aumenta la velocidad. Un aumento en la velocidad tiene como efecto secundario problemas de erosión, que agrandan la sección hasta que las pérdidas por fricción compensan el aumento de pendiente y reducen la velocidad hasta límites bajo aquellos que producen erosión. En un caso como el expuesto o en general para prevenir la erosión se puede revestir el cauce, o darle al canal una forma tal que reduzca la velocidad, debido al aumento de la rugosidad. Al alargar un canal corto ocurre la situación contraria. Se produce una disminución de la pendiente y como consecuencia disminuye la velocidad. Con esto, la capacidad para transportar materiales en suspensión se reduce y éstos se depositan. Para estos casos es necesario tratar de mantener la velocidad original cambiando la forma del canal o disminuyendo la rugosidad. 5.2.1 Ubicación en Planta Desde el punto de vista económico el reemplazo de la ubicación natural del cauce por otra normal o casi normal al eje del camino, implica la disminución del largo del conducto, el acondicionamiento del cauce y la construcción adicional de un canal de entrada y/o de salida. Las distintas soluciones que podrían darse en el caso general, de un cauce con fuerte esviaje aparecen en la Figura 5.1.

Figura 5.1 Cauces con fuerte esviaje respecto del eje del camino Caso 1: Se conserva la entrada y la salida del canal natural. Esta solución de la longitud máxima de alcantarilla colocando la alcantarilla ligeramente a un lado del canal natural se puede obtener por lo general una mejor función, siendo necesario desviar la corriente. Caso 2: La entrada se la coloca en el canal natural y la salida se desplaza para tener una alcantarilla casi normal al eje de la carretera. Como en este caso se ha alargado la línea de flujo, esto será acosta de reducir la pendiente. Las estructuras de entrada y salida y la alineación del canal deben hacerse a tal 267

modo de minimizar los efectos de cambios bruscos de dirección. Ello podría aumentar la sección de la alcantarilla comparada con la de la solución anterior. En los efecto será necesario considerar estructuras especiales en la entrada y salida, la construcción del canal a la salida y su mantención. Caso 3: Se ha desplazado la entrada de modo que la salida descargue directamente en el canal natural. El canal de acercamiento a la alcantarilla debe tener una buena alineación con ella para necesitar una entrada o salida especial. El tamaño del la alcantarilla puede ser influenciado por el hecho que al aumentar la longitud de flujo debe reducirse la pendiente. Habrá costos adicionales por construcción y mantención del canal, un posible mayor diámetro y protección del terraplén en la entrada. Caso 4: En este caso se ha desplazado, tanto la entrada como la salida. No se obtiene un mejoramiento hidráulico con esta solución y solo conviene usarla cuando hay restricciones de espacio para otras soluciones. En este caso se requieren estructuras especiales de entrada y de salida de canales de acercamiento en los dos extremos, los que deben considerarse en el costo, además de una posible mayor sección de la alcantarilla debido a la disminución de la pendiente. 5.2.2 Perfil Longitudinal La mayoría de las alcantarillas se colocan siguiendo la pendiente natural del cauce, sin embargo, en ciertos casos puede resultar aconsejable alterar la situación existente. Estas modificaciones de pendiente pueden usarse para disminuir la erosión en el o en los tubos de la alcantarilla, inducir el depósito de sedimentos, mejorar las condiciones hidráulicas, acortar las alcantarillas o reducir los requerimientos estructurales. Sin embargo, las alteraciones de la pendiente deben ser estudiadas en forma cuidadosa de tal modo de no producir efectos indeseables. En la Figura 5.2 se indican los perfiles longitudinales de alcantarillas más usuales con sus respectivas estructuras especiales de salida o de entrada. En general, al cambiar la pendiente en cada uno de estos casos, debe tenerse especial cuidado que el terreno de fundación de la alcantarilla no permita asentamientos, debiendo ser terreno natural firme o relleno estructural debidamente compactado, en caso contrario las fuerzas de corte causadas por el asentamiento de terraplenes importantes, pueden causar el colapso total de la estructura.

268

Figura 5.2 Ubicación de alcantarillas, respecto de la pendiente del cauce 5.3 ELECCIÓN DEL TIPO DE ALCANTARILLA 5.3.1 Forma y sección Las formas usuales de alcantarillas son: Circulares, Cajón (rectangular), Elíptico, Tubo – Arco, Arco y múltiples. La selección de la forma está basado en el coste de la construcción de la alcantarilla, las limitaciones de la altura de agua río arriba, altura de terraplén de calzada, y rendimiento hidráulico.

269

Figura 5.3 Formas de la alcantarilla La alcantarilla circular es una de las más usadas y resiste en forma satisfactoria, en la mayoría de los casos, las cargas a que son sometidas. Existen distintos tipos de tubos circulares que se utilizan con este propósito. El diámetro para alcantarillas de caminos locales o de desarrollo deberá ser al menos 0,8 m, o bien 1m si la longitud de la obra es mayor a 10 m. En las demás categorías de caminos y carreteras el diámetro mínimo será de 1 m. Las alcantarillas de cajón cuadradas o rectangulares pueden ser diseñadas para evacuar grandes caudales y pueden acomodarse con cambios de altura, a distintas limitaciones que puedan existir, tales como alturas de terraplén o alturas permisibles de agua en la entrada. Como generalmente se construyen en el lugar deberá tomarse en cuenta, el tiempo de construcción al compararlas con las circulares prefabricadas. En los cauces naturales que presentan caudales de diseño importante, si la rasante es baja respecto del fondo del cauce, se suelen ocupar alcantarillas múltiples. Sin embargo, cuando se ensancha un canal para acomodar una batería de alcantarillas múltiples, se tiende a producir depósito de sedimentos tanto en el canal como en la alcantarilla, situación que deberá tenerse presente. La capacidad hidráulica de una alcantarilla puede ser mejorada por la selección de entrada apropiada. Debido a que el canal natural es generalmente más amplio que el barril de alcantarilla, el borde de entrada de alcantarilla representa una contracción de circulación y podría ser el control de circulación principal. 5.3.2 Tipos de Entrada

270

Figura 5.4 Cuatro tipos de entrada usuales (esquemático) Los distintos tipos de entrada en la circulación del flujo disminuirá gradual la pérdida de energía y creará una condición de entrada más eficiente hidráulicamente por lo tanto, los bordes biselados son por lo tanto más eficientes que los bordes cuadrados (Figura 5.5). Las entradas con Alas y Muro frontal reducen la contracción de circulación más lejos (Figura 5.6). Las entrada hundidas con muro frontal y alas, incrementan la altura eficaz sobre la sección de control de circulación (Figura 5.7), así incrementando la eficiencia de alcantarilla más lejos.

Figura 5.5 Contracción a la Entrada (esquemático) 271

Figura 5.6 Entrada con Alas y Muro Frontal sin caída

Figura 5.7 Entrada con Alas y Muro Frontal con caída

5.3.3 Materiales Los materiales más usados para las alcantarillas son el hormigón (armado in situ o prefabricado) y el acero corrugado. En la elección del material de la alcantarilla se deben tomar en cuenta la durabilidad, resistencia, rugosidad, condiciones del terreno, resistencia a la corrosión, abrasión e impermeabilidad. No es posible dar reglas generales para la elección del material ya que depende del tipo de suelo, del agua y de la disponibilidad de los materiales en el lugar. Sin embargo, deberá tenerse presente al menos lo siguiente: Según sea la categoría de la carretera se deben considerar las siguientes vidas útiles:  Autopistas > 50 años  Colectores y Locales > 30 años  Desarrollo > 10 años Si se trata de caminos pavimentados la alcantarilla debe asegurar una impermeabilidad que evite la saturación del terraplén adyacente, lo cual puede acarrear asentamientos del terraplén con el consecuente daño al pavimento. Alcantarillas bajo terraplenes con altura superior a 5 m, deberán construirse preferentemente de hormigón armado, por la dificultad que conlleva el reemplazo. 5.4 ESTUDIOS HIDROLÓGICOS 272

Los estudios hidrológicos permiten determinar el caudal de diseño de la estructura, el cual está en correspondencia con el tamaño y característica de la cuenca, su cubierta de suelo y la tormenta de diseño. Para un estudio hidrológico apropiado, se ha dividido según el tamaño en: método para cuencas menores y cuencas medianas. 5.4.1 Método Racional Modificado El Método Racional es utilizable en cuencas pequeñas, menores de 25 km². Supone que el escurrimiento máximo proveniente de una tormenta es proporcional a la lluvia caída, supuesto que se cumple en forma más rigurosa en cuencas mayoritariamente impermeables o en la medida que la magnitud de la lluvia crece y el área aportante se satura. Este método amplía el campo de aplicación del método racional, puesto que se considera el efecto de la no uniformidad de las lluvias mediante un coeficiente de uniformidad. De este modo, se admiten variaciones en el reparto temporal de la lluvia neta que favorecen el desarrollo de los caudales punta, y solucionan el problema que planteaba la antigua hipótesis de lluvia neta constante admitida en la fórmula racional, que ofrecía resultados poco acordes con la realidad. El coeficiente de uniformidad representa el cociente entre los caudales punta en el caso de suponer la lluvia neta variable y en el caso de considerarla constante dentro del intervalo de cálculo de duración igual al tiempo de concentración de la cuenca en cuestión. Según dicha formulación, el caudal punta de avenida en el punto de cruce de una vaguada con el trazado, para un período de retorno dado, se obtiene mediante la expresión:

(5.1) Donde: Q: Caudal punta correspondiente a un determinado período de retorno (m3/s). I: Máxima intensidad media de precipitación, correspondiente al período de retorno considerado y a un intervalo igual al tiempo de concentración (mm/h). A: Superficie de la cuenca (Km2). C: Coeficiente de escorrentía. CU: Coeficiente de uniformidad. El método racional se ha utilizado ampliamente para la determinación de caudales de diseño en carreteras, debido a su simplicidad y lógica. Sin embargo se deben tener presentes sus limitaciones y las hipótesis involucradas. El método supone que el coeficiente de escorrentía se mantiene constante para distintas tormentas, lo cual es estrictamente válido sólo para áreas impermeables, de allí la necesidad de amplificar los valores de (C) para períodos de retorno altos. 5.4.1.1 Determinación del coeficiente de uniformidad (CU) El coeficiente de uniformidad (CU) corrige el supuesto reparto uniforme de la escorrentía dentro del intervalo de cálculo de duración igual al tiempo de concentración contemplado en la formulación del método racional. 273

Aunque el coeficiente de uniformidad varía de un aguacero a otro, su valor medio en una cuenca concreta depende principalmente de su tiempo de concentración. Esta dependencia es tan acusada que, a efectos prácticos, puede despreciarse la influencia de las restantes variables, tales como el régimen de precipitaciones, etc. Según J. R. Témez, su estimación, en valores medios, puede realizarse según la siguiente expresión:

(5.2) Donde: CU: Coeficiente de uniformidad, que tiene en cuenta la falta de uniformidad en la distribución del aguacero. Tc: Tiempo de concentración (horas). Dicha expresión está basada en los contrastes realizados en diferentes cursos de agua dotados de estaciones de aforo, y en las conclusiones deducidas de algunos análisis teóricos desarrollados mediante el hidrograma unitario. 5.4.1.2 Tiempo de concentración (TC) El Tiempo de Concentración se define como el lapso de tiempo, bajo precipitación constante, que tarda el agua en ir desde el punto más distante hidráulicamente definido dentro la cuenca hasta el punto de evacuación o control. La Tabla 5.1 y Tabla 5.2 se resumen las expresiones que se han propuesto para estimar el tiempo de concentración en distintos casos. Por ser este tipo de expresiones producto de resultados empíricos, obtenidos bajo ciertas condiciones particulares, es necesario tener presente que debe juzgarse cualitativamente la factibilidad física del resultado entregado, previo a su aceptación. Como norma general, el tiempo de concentración no debe ser inferior a 10 minutos, salvo que se tengan mediciones en terreno que justifiquen adoptar valores menores.

274

Tabla 5.1 Fórmulas para el cálculo del tiempo de concentración en regiones llanas Fuente: Manuales técnicos para el diseño de carreteras de la ABC

Tabla 5.2 Fórmulas Para El Cálculo Del Tiempo De Concentración En Regiones Con Pendientes Fuente: Manuales técnicos para el diseño de carreteras de la ABC

5.4.1.3 Coeficientes de escorrentía Los coeficientes de escurrimiento dependen de las características del terreno, uso y manejo del suelo, condiciones de infiltración, etc. y se necesita un criterio técnico adecuado y experiencia para 275

seleccionar un valor representativo. En la Tabla 5.3 se entregan antecedentes con rangos usuales de este coeficiente para diversos tipos de situaciones. Tipo de Terreno Coeficiente de escorrentía Pavimentos de adoquín 0,50 – 0,70 Pavimentos asfálticos 0,70 – 0,95 Pavimentos en concreto 0,80 – 0,95 Suelo arenoso con vegetación y pendiente 2% 0,15 – 0,20 7% Suelo arcilloso con pasto y pendiente 2% - 7% 0,25 – 0,65 Zonas de cultivo 0,20 – 0,40 Tabla 5.3 Coeficientes de escurrimiento (C) Tipo de superficie

Periodo de retorno en años 2 15 25

Tierra cultivada Plana 0-2% 0.31 0.38 Promedio, 2-7% 0.35 0.43 Pronunciada mayor 7% 0.39 0.46 Pasto/matorral Plana 0-2% 0.25 0.32 Promedio, 2-7% 0.33 0.40 Pronunciada mayor 7% 0.37 0.44 Bosque Plana 0-2% 0.22 0.30 Promedio, 2-7% 0.31 0.38 Pronunciada, mayor 0.35 0.43 7% Pantano 0.90 0.90 Tabla 5.4 Coeficiente de Escorrentía

0.40 0.44 0.48 0.34 0.42 0.46 0.31 0.40 0.45 0.90

El método racional se ha utilizado ampliamente para la determinación de caudales de diseño en carreteras, debido a su simplicidad y lógica. Sin embargo se deben tener presentes sus limitaciones y las hipótesis involucradas. El método supone que el coeficiente de escorrentía se mantiene constante para distintas tormentas, lo cual es estrictamente válido sólo para áreas impermeables, de allí la necesidad de amplificar los valores de (C) para períodos de retorno altos. Se asume que el período de retorno de la lluvia de diseño es igual al del caudal máximo. 5.4.1.4 Determinación de la intensidad La intensidad se expresa como el promedio de la lluvia en mm/hora para un periodo de retorno determinado y una duración igual al del tiempo de concentración (Tc) de la cuenca. Los valores intensidades se pueden obtener a partir de las curvas Intensidad Duraci ón Frecuencia (IDF). El ajuste de los datos por medio de los mínimos cuadrados resulta en una ecuación en la cual se entra con la duración en minutos y se obtiene la intensidad. 276

(

)

(5.3)

Donde: I: Intensidad en mm/hora. A, d y b: Coeficientes determinados T: Duración de la lluvia en minutos 5.5 DISEÑO HIDRÁULICO Si observamos una alcantarilla, no es más que un conducto cuya sección puede ser circular, ovalada, rectangular, etc. Imaginemos que este conducto atraviesa un camino que se encuentra en la ladera de una montaña. Evidentemente, el camino constituye una barrera artificial para el agua que escurre a superficie libre sobre la ladera de la montaña y para todos los cursos de agua que drenan por los múltiples cauces que bajan por la ladera. Cuando esos flujos encuentran el camino, comienzan a escurrir paralelos al mismo y en la dirección de la pendiente longitudinal del camino. Por esta razón se construyen a los bordes del camino canales o canaletas que conducen el agua paralelo al mismo. Estos canales van recolectando agua en su recorrido hasta llegar a una alcantarilla que la recibe y la cruza transversalmente al otro lado del camino. De acuerdo a las dimensiones, material de la alcantarilla, caudal, condiciones de entrada y de salida de la misma, etc. irán variando las características hidráulicas del flujo; pudiendo variar desde un flujo a superficie libre con un tirante pequeño, hasta un conducto a presión, cuando fluye totalmente llena. Se han puesto de manifiesto dos formas fundamentales típicas de escurrimiento en alcantarillas, que incluyen todas las demás: 1) Escurrimiento con control de entrada 2) Escurrimiento con control de salida Entendiendo por sección de control, aquella sección donde existe una relación definida entre el caudal y el tirante. Es la sección en la cual se asume que se desarrolla un tirante próximo al crítico. En el escurrimiento con control de entrada, el caudal que puede pasar por la alcantarilla, depende fundamentalmente de las condiciones de entrada a la misma. Es decir, depende de la sección transversal del conducto, de la geometría de la embocadura y de la profundidad del agua a la entrada o altura del remanso. En este tipo de escurrimiento no influyen las características del conducto mismo. En el escurrimiento con control de salida debe agregarse a las anteriores el nivel del agua a la salida, la pendiente, longitud y rugosidad del conducto.

5.5.1 Carga hidráulica en la entrada o profundidad del remanso

277

Corresponde a la profundidad del agua en la entrada, medida desde el punto más bajo (umbral o radier de la alcantarilla). Esta obra, al limitar el paso libre del agua, causará un aumento de nivel hacia aguas arriba y en consecuencia puede ocasionar daños a la carretera o a las propiedades vecinas. Se limitará la carga hidráulica máxima con el fin de proteger la vida de los usuarios o vecinos, proteger la estabilidad del terraplén, no producir inundaciones a los terrenos adyacentes, no producir daños a la alcantarilla y a la vía, no causar interrupciones al tráfico y no sobrepasar los límites de velocidad de agua recomendados en las alcantarillas y en el cauce a la salida. Tanto para alcantarillas con control de entrada como de salida, los tubos, cajones y losas se diseñarán hidráulicamente, respetando una carga máxima He, según se trate de canales o cauces naturales permanentes o impermanentes. En los canales, la carga máxima de diseño será igual a la dimensión de la alcantarilla. En los cauces naturales se podrá aceptar una carga a la entrada igual a la dimensión de la alcantarilla más 0,3 m para el gasto de diseño. Tipo de Cauces Tubos Cajones Losas (L ≤ 6m) Canales D (diámetro) H (altura total) H - 0.1 m Diseño Cauces Naturales D + 0.3 m H + 0.3 m H - 0.1 m D + 0.6 m H + 0.6 m H Verificación Cauces Naturales Pero He máximo no puede sobrepasar la cota exterior del SAP - 0.3 m Tabla 5.5 Carga hidráulica máxima de diseño (he, m) 5.5.2 Velocidad en la salida Los principales factores que afectan a esta velocidad son la pendiente y rugosidad de la alcantarilla, no influyendo la forma y tamaño significativamente, salvo en los casos en que se produce flujo a boca llena. 

Velocidad en alcantarillas que fluyen con control de entrada.- La velocidad a la salida de alcantarillas escurriendo con control de entrada, puede obtenerse en forma aproximada, calculando la velocidad media de la sección transversal de escurrimiento en el conducto empleando la fórmula de Manning. Estas velocidades obtenidas por este método suelen ser algo mayores que las reales debido a que la altura normal, supuesta al aplicar la fórmula de Manning, rara vez se alcanza en la corta longitud de la mayoría de las alcantarillas. (5.4)



Velocidad en alcantarillas que fluyen con control de salida.- En el caso de una alcantarilla con control de salida, la velocidad media en la salida de la alcantarilla será igual al caudal de descarga, dividido por el área de la sección transversal de la corriente en dicho lugar. Esta área de escurrimiento puede ser la correspondiente a la profundidad crítica (dc), o la correspondiente al nivel de la superficie libre en la salida (Tw). El que de mayor Area será la que se utilizara para hallar la velocidad.

*Si la velocidad calculada es mayor a la velocidad máximas admisible, se debe considerar la construcción de disipadores de energía. 278

Tipo de terreno

Flujo permanente (m/s) 0,75 0,75 0,9 1 1,2 1,5 1,8

Flujo intermitente (m/s) 0,75 0,75 0,9 1 1 1,2 1,4

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 a grava 2 1,5 Desde limo a grava 2,1 1,7 Grava 2,3 1,8 Grava gruesa 2,4 2 Desde grava a piedras (bajo 15 cm) 2,7 2,1 Desde grava a piedras (sobre 20 cm.) 3 2,4 TABLA 5.6 Velocidades Máximas Admisibles (M/S) En Canales No Revestidos Fuente: Manual de Carreteras de California

5.5.3 Flujo Con Control De Entrada En el flujo con control de entrada el tirante crítico se forma en las proximidades de la sección de entrada a la alcantarilla, quedando hacia aguas arriba de dicha sección un remanso en flujo subcrítico, y aguas abajo, un flujo supercrítico. De modo que lo que ocurre desde la sección hacia aguas arriba, tiene influencia en el nivel a la entrad a de la alcantarilla, pero no tiene ninguna influencia lo que ocurre aguas debajo de dicha sección. Por eso, las variables que intervienen en este tipo de flujo son: •

Tipo y dimensiones de la sección transversal. Ej: circular con diám=2m.

 Geometría de la embocadura. Ej: Con alas a 30° con respecto al eje.  Nivel de agua a la entrada. Se utiliza la altura He. Si bien no es sencillo predefinir cuando un flujo tendr á control de entrada, los casos más típicos son aquellos en los cuales: 1) La entrada está descubierta y la pendiente es supercrítica ( Figura 5.8), pudiendo o no fluir llena la sección en parte del conducto.

279

Figura 5.8 Flujo con control de entrada. Fuete: Carciente, 1985. 2) La entrada está sumergida, y sin embargo no fluye lleno el conducto (Figura 5.9), pudendo ser subcrítica o supercrítica la pendiente.

280

Figura 5.9 Flujo con control de entrada. Fuete: Carciente, 1985. 5.5.3.1 Cálculos para flujo con control de entrada El procedimiento de cálculo es muy sencillo para este tipo de flujo, y puede plantearse en los siguientes pasos: 1) 2) 3) 4)

Se adopta un caudal de diseño. Se propone un tipo de alcantarilla (forma y dimensiones). Se elige un tipo de entrada. Se calcula el nivel que debe formarse a la entrada “He” necesario para permitir el paso del caudal de diseño. Si ese nivel no supera la altura máxima admisible para el agua a la entrada de la alcantarilla de acuerdo a los condicionantes de diseño planteados en el problema en cuestión, se continúa en el paso 5, de lo contrario, se vuelve al paso 2. 5) Se observa que el nivel “He” no sea demasiado pequeño, es decir, que la alcantarilla no se haya sobredimensionado, pues esto ocasionaría costos excesivos e innecesarios. Se adopta la alcantarilla propuesta como una de las posibles soluciones del problema. En las Figuras 5.20 a la Figura 5.60 se identifican los ábacos y las ecuaciones que se deben usar en cada caso, dependiendo de la forma de la sección y de la disposición de los elementos a la entrada de la obra, es decir muros frontales, alas, tipo de aristas y forma como empieza el conducto. En la misma Figura se definen las situaciones que pueden darse a la entrada y se definen los ángulos de los muros frontales y de los muros de ala. El Federal Highway Administration (FHWA) ha generado mediante modelos de regresión, expresiones polinómicas de quinto grado que entregan la carga hidráulica a la entrada directamente. Estas ecuaciones entregan resultados equivalentes a los obtenidos mediante los gráficos y son válidas para cargas comprendidas entre la mitad y tres veces la altura de la alcantarilla. Las expresiones son del tipo siguiente: [

(

)

(

)

(

)

(

)

]

(5.5)

281

Donde: He a...f F Q D b i z

= Carga a la entrada (m) = Coeficientes de regresión = Q/D5/2 en alcantarillas circulares, o bien Q/(BD3/2) en alcantarillas de cajón = Caudal (m3/s) = Altura de la alcantarilla (m); diámetro en el caso de los tubos = Ancho de la alcantarilla (m) = Pendiente longitudinal (m/m) = 1,81130889 (factor de conversión para unidades métricas)

Descripción Según Tipo de Obra

Código

a

b

c

d

e

f

Alcantarilla circular de concreto, aristas vivas Muro Frontal, alas 33 < p < 83g

1

0,08748 0,70658 -0,2533

0,0667

Alcantarilla circular de concreto, aristas ranuradas, muro frontal, alas 33 < p < 83g

2

0,1141

0,65356 -0,2336

0,05977 -0,0062 0,000243

Alcantarilla circular de concreto, aristas ranuradas, tubo prolongado (sin muro ni alas)

3

0,10879

0,66238 -0,2338

0,05796 -0,0056 0,000205

Alcantarilla circular de acero corrugado, muro frontal, alas 33 < p < 83g

4

0,16743

0,5386

Alcantarilla circular de acero corrugado, tubo cortado a bisel (sin alas)

5

0,10714 0,75779 -0,3615 0,12339

Alcantarilla circular de acero corrugado, tubo prolongado (Sin muros ni alas)

6

0,18732 0,56772 -0,1565 0,04451 -0,0034

Alcantarilla de cajón, aristas vivas, muro frontal, 33 s p < 83g

7

0,07249 0,50709 -0,1175

0,02217 -0,0015 0,000038

Alcantarilla de cajón, aristas vivas, muro frontal, alas (3 = 17 ó 100g

8

0,12212 0,50544 -0,1086

0,02078 -0,0014 0,000035

Alcantarilla de cajón, aristas vivas, muro frontal, alas con P = 0g

9

0,14414 0,46136 -0,0922 0,02003 -0,0014 0,000036

Alcantarilla de cajón, aristas biseladas, muro frontal, alas 50g

10

0,15661 0,39894

-0,0066 0,000251

-0,1494 0,03915 0,00344 0,000116

-0,064

0,0112

-0,0161 0,000767 0,00009

-0,0006 0,000015

Tabla 5.7 Coeficientes de regresión para alcantarillas con control de entrada 5.5.4 Flujo Con Control De Salida El escurrimiento en alcantarillas con control de salida puede presentarse con conducto lleno o parcialmente lleno, ya sea en una zona o en toda la longitud de la alcantarilla. Si cualquier sección transversal escurre llena, se dice que el escurrimiento es a sección llena. En la Figura 5.11 y Figura 5.12 muestra el flujo de una alcantarilla con condiciones de escurrimiento con control de salida Sumergida y No Sumergida respectivamente para varias alturas. Los procedimientos de cálculo son diferentes si la salida es sumergida o no y por lo tanto se analizarán los distintos casos separadamente. Las variables que intervienen en este tipo de flujo son las mismas 282

que intervienen en el control de entrada más las que corresponden al tramo entre esta sección y la sección salida:       

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

En el caso de flujo con control de salida comienzan a intervenir en el c álculo las características del flujo en la alcantarilla y a la salida de la misma. Desde el punto de vista del cálculo conviene identificar distintos tipos de escurrimiento en alcantarillas con control de salida. Para el cálculo se presenta cuatro tipos de flujo con control de salida: A) B) C) D)

Sección llena con nivel aguas abajo por encima del dintel de la sección de salida. Sección llena con nivel aguas abajo por debajo del dintel de la sección de salida. Sección parcialmente llena en un tramo del conducto. Sección parcialmente llena en todo el conducto.

5.5.4.1 Cálculos para flujo con control de salida

Figura 5.10 Línea de Energía Hidráulica a flujo lleno Si planteamos la ecuación de energía entre la entrada y la salida de la alcantarilla, resulta una ecuación general del tipo: (5.6) He = Profundidad de agua en la entrada (m). H = Energía empleada en la obtención de energía de velocidad a la salida, mas la perdida por fricción y pérdidas a la entrada (hv+hf+he). ho = Profundidad de agua en la salida. Es el mayor entre: ó Tw (Altura de agua a la salida de la alcantarilla) L =Longitud de la alcantarilla (m). So = Pendiente de la alcantarilla (m/m). 283

Procedimiento de cálculo para Salida Sumergida (Caso A)

Figura 5.11 Alcantarilla con salida sumergida En este caso la carga (H), o energía necesaria para hacer circular un gasto dado por la alcantarilla, se emplea en vencer las pérdidas de entrada, pérdidas por frotamiento, evaluadas con la ecuación de Manning, y altura de velocidad en la salida. (5.7) Donde: (5.8) (5.9) (5.10) El valor de H se calcula, entonces según la ecuación:

(

)

(5.11)

Donde: Ke = Coeficiente de pérdida de carga en la entrada (Tabla 5.6) n = Coeficiente de Rugosidad de Manning (Tabla 5.7) L = Longitud de la alcantarilla en metros. R = Radio Hidráulico en metros (Razón entre área y perímetro mojado) V = Velocidad Media en la Alcantarilla en m/s. La carga (H) es la diferencia entre la línea de energía en la sección de entrada y la cota piezométrica en la sección de salida. Sin embargo, en general, debido a que la velocidad en el remanso es pequeña se supone que la línea de energía es coincidente con el nivel de aguas a la entrada, lo que implica que los niveles calculados pueden ser algo mayores que los reales. La Tabla 5.6 entrega coeficientes de pérdida de carga en la entrada para los distintos tipos de entrada en alcantarillas que escurren llenas o parcialmente llenas con control de salida. Este coeficiente al ser 284

multiplicado por la altura de velocidad, entrega la pérdida de energía debida a la singularidad que produce la entrada a la obra. Coeficiente (Ke)

Tipo de estructura y características de la entrada 1. Tubos de hormigón - Conducto prolongado fuera del terraplén - Borde ranurado - Borde cuadrado - Con Muro de Frontal con o sin Alas - Borde ranurado - Borde cuadrado - Borde redondeada (r = 1/12 D) - Borde biselada 2. Tubos circulares de metal corrugado - Conducto prolongado fuera del terraplén - Sin Muro Frontal - Con Muro Frontal perpendicular al eje del tubo sin o con Alas y bordes cuadrados - Con Muro Frontal perpendicular al eje del tubo con o sin Alas y bordes biselados

0,2 0,5 0,2 0,5 0,2 0,2

0,9 0,5 0,25

3. Alcantarillas de cajón en hormigón armado con muro Frontal paralelo al terraplén - Sin Alas, y bordes cuadrados 0,5 - Bordes aristas redondeadas (r = 1/12 D) o biseladas 0,2 - Con Alas formando ángulos entre 30° y 75° con el eje del conducto 0,4 - Bordes cuadrados 0,2 - Bordes del dintel con aristas redondeadas (r = 1/12 D) o biseladas 0,5 - Con Alas formando ángulos entre 10° y 25° con el eje del conducto, y bordes 0,7 cuadrados - Con Alas alabeados y aristas redondeadas (r = 1/4 D) en el dintel 0,1 Tabla 5.8 Coeficientes de pérdida de carga a la entrada en alcantarillas con control de salida Materiales

n 0,012

a) Hormigón b) Metal Corrugado Ondulaciones estándar (68 mm x 13 mm) 0,024 25% revestido 0,021 Totalmente revestido 0,012 Ondulaciones medianas (76 mm x 25 mm) 0,027 25% revestido 0,023 Totalmente revestido 0,012 Ondulaciones grandes (152 mm x 51 mm) 25% revestido 0,026 Totalmente revestido 0,012 Tabla 5.9 Coeficientes de rugosidad para materiales usados en alcantarillas 285

Procedimiento de cálculo para Salida no sumergida (casos B, C y D) Si el nivel de la corriente inmediatamente aguas abajo de la salida se encuentra por debajo del dintel de la alcantarilla. La condición de salida sumergida no existe y la determinación del nivel de aguas a la entrada se realiza en forma diferente. La mayoría de los cauces naturales suelen ser relativamente anchos comparados con la alcantarilla, y la profundidad de agua en el cauce puede ser menor que la profundidad crítica de la alcantarilla, por lo cual el nivel de la corriente aguas abajo no influye en la capacidad o en el nivel de remanso en la entrada. Los casos en que se produce esta situación corresponden a los presentados en la Figura 5.12, letras B, C y D.

Figura 5.12 Alcantarilla con salida no sumergida Para el cálculo de la alcantarilla en los tres casos nos basamos en la ecuación (5.6) para su resolución. De la misa, sólo conocemos el término L∙So. Para la estimación de (ho), que representa el nivel de agua a la salida, se adopta el mayor entre: a) Tw, que es el nivel de agua a la salida cuando es conocido, y b) El promedio entre dc (profundidad crítica) y D (Diámetro de la alcantarilla). Que representa la altura de la línea piezométrica aproximada, mencionada anteriormente.

286

Donde: dc = Es la profundidad crítica para el caudal de diseño. Se proponen tablas para estimar este valor (Figura 5.13 hasta la Figura 5.19). D = Es el diámetro o altura de la alcantarilla. ** Para una sección rectangular o cuadrada La altura crítica para un gasto Q (m3/seg), está dada por ( )

, siendo (B) el ancho de la obra en metros.

Para la estimación de (H), se utilizan los nomogramas de las Figura 5.20 hasta Figura 5.60. Al igual que se hizo en flujo con control de entrada, vamos a suponer que se desea conocer cuál es el nivel que tendrá el agua a la entrada de mi alcantarilla, si coloco una alcantarilla de ciertas dimensiones, de cierto material, con cierta pendiente, con ciertas características de entrada y para un caudal de diseño dado. Notar que en este caso interesa el material de la alcantarilla porque nos define la rugosidad (n), también influye la pendiente, y su condición de nivel aguas abajo. El procedimiento de cálculo es el siguiente: 1. Se traza una recta que une las dimensiones de la sección transversal de la alcantarilla con la longitud de la misma, definiendo un punto en la recta de paso. Notar que hay dos (o más) curvas de longitud, de las que debe elegirse la que corresponde a las condiciones de embocadura que corresponda a nuestro diseño en particular. 2. Se une el caudal de diseño, con ese punto recién definido en la recta de paso, cortando la recta de H. **Ese valor de H obtenido, se introduce en la ecuación (5.6), junto con ho y con L.So, para obtener el valor de He buscado. Se compara este valor de He obtenido con el obtenido en el cálculo con control de entrada y se elige el mayor.

287

Figura 5.13 Profundidad Critica para Tubos Circulares 288

Figura 5.14 Dimensiones Criticas para alcantarillas de cajón de metal corrugado.

289

Figura 5.15 Profundidad Critica para el Tubo Ovalado de Hormigón con el eje largo horizontal

290

Figura 5.16 Profundidad Critica para el Tubo Ovalado de Hormigón con el eje largo vertical

291

Figura 5.17 Profundidad Critica para Tubo Abovedado de Metal Corrugado Estándar 292

Figura 5.18 Profundidad Critica: Tubo Abovedado de Placa de Metal Corrugado con radios de 457 mm 293

Figura 5.19 Profundidad Critica para Alcantarillas de tipo Arco de Metal Corrugado

294

NOMOGRAMAS CON CONTROL DE ENTRA Y SALIDA PARA EL CÁLCULO DE ALCANTARILLAS

295

296

297

298

299

300

301

302

303

304

305

306

307

308

309

310

311

312

313

314

315

316

317

318

319

320

321

322

323

324

325

326

327

328

329

330

331

332

333

334

335

336

Ejercicios: 1.- Para una carretera se quiere determinar la dimensión de la alcantarilla según las siguientes características hidrológicas: Área de la cuenca(A): 12.9 Ha ~ 0.129 Km2 Longitud del cauce (L): 0.583 Km ~ 583 m Elevación Superior: 2565 msnm Elevación Inferior: 2550 msnm Periodo de Retorno: 15 años Longitud de la alcantarilla: 15 m Ancho del canal aguas abajo: 3 m (Sección Cuadrada) Periodo de Retorno 2 15 25 (T) A 886 629 528 d 11 4 2 b 0.749 0.553 0.485 Datos obtenidos de la curva IDF LOS PASO QUE SE VAN A DESCRIBIR A CONTINUACIÓN SON PARA DETERMINAR EL CAUDAL DE DESCARGA QUE NECESITA NUESTRA ALCANTARILLA: 1.1 Determinar el Tiempo de concentración Para el cálculo del tiempo de concentración en regiones con pendientes (Cuencas pequeñas) se tiene la ecuación en la tabla 5.2 del Libro. La pendiente será:

Remplazando el valor de (k) en:

337

1.2 Determinar el coeficiente de uniformidad (CU) Este coeficiente está representado por la ecuación 5.2 del Libro.

1.3 Determinar el coeficiente de escurrimiento El coeficiente de escurrimiento depende de las características del terreno, uso y manejo del suelo, condiciones de infiltración. En la Tabla 5.3 se encuentran los coeficientes para diversos tipos de situaciones. C(promedio) = 0.45 (Suelo arcilloso con pasto y pendiente 2% - 7%) 1.4 Determinación de la intensidad Los valores de la intensidad se pueden obtener a partir de las curvas Intensidad Duraci ón Frecuencia (IDF). En nuestro caso tenemos los valores resumidos en la tabla: Periodo de Retorno (T) A d b

2

15

25

886 629 528 11 4 2 0.749 0.553 0.485

Para un Periodo de Retorno de 15 años y con la ecuación 5.3 témenos: (

)

(

)

1.5 Calculo del caudal de descarga El caudal punta de avenida será (ecuación 5.1):

338

COMO YA TENEMOS EL CAUDAL DE DESCARGA (Q=2.641 M3/SEG) PASAMOS A DISEÑAR NUESTRA ALCANTARILLA: Los procedimientos que se describirán a continuación son para la alcantarilla seleccionada (respuesta)

339

I.

Elegimos el tipo de alcantarilla (tentativo), material, forma del conducto y tipo de entrada. Tipo de alcantarilla = Tubo circular de Metal Corrugado Standard con bordes cuadrados, Muro Frontal y Alas. Diámetro = 1.350 m.

II.

Suponer que nuestra alcantarilla escurre con CONTROL A LA ENTRADA Con el nomograma de la FIGURA 5.21 tenemos:

Verificar a la carga máxima de diseño: (Tabla 5.5 del Libro)

III. IV.

Suponer que nuestra alcantarilla escurre con CONTROL A LA SALIDA. Calcular la altura de agua a la salida de la alcantarilla (Tw) (1) (2) Remplazando valores a la ecuación (1) y (2): (

)

Despejando: Tw = 0.4159 m

V.

Calcular la altura de la línea piezométrica aproximada (ho):  Tw = 0.4159 m  El valor de la Profundidad Critica (dc) para Tubos Circulares se encuentra en la Figura 5.13 dc = 0.96 m. D = 1.50 m.

340

 VI.

“ho” es el mayor entre Tw y

Calcular la carga (H): (Como la salida es NO SUMERGIDA entonces se utiliza los nomogramas de las Figuras 5.24  El coeficiente de pérdida de carga → ke = 0.5 (Tabla 5.8) (con muro de frontal perpendicular al eje del tubo sin o con Muros de ala y bordes cuadrados)  Con el nomograma de la Figura 5.24 para una longitud de alcantarilla de 15 m y Ke = 0.5 se tiene: H = 0.48 m

VII.

La profundidad del agua en la entrada medida desde el umbral (He) (Ecuación 5.6)

Teniendo el valor de He (Control de Entrada) y He (Control de Salida), se debe verificar que tipo de control tiene nuestra alcantarilla. Para eso debemos escoger el mayor de los dos valores y ese también será el tipo de control que tenga: (

) (

VIII.

)

La velocidad a la salida de la alcantarillas escurriendo con control de entrada es:

√

(

)

√

(

)

341

Despejando: = 3.9295 rad

( )

(

)

El número de Manning para Tubos de concreto es: n=0.024 (Tabla 5.9) Despejando: A = 0.942 m2

** La velocidad máxima Admisibles en canales no revestidos es de 2.7 m/seg (Tabla 5.6) en un tipo de terreno de grava a piedras (bajo 15 cm). (

)

Requiere protección a la Salida.

2.- Una nueva alcantarilla en un cruce de calzada es requerida pasar un caudal circulación de 8.5 m3/s (Para un periodo de retorno de 50 años). Con las siguientes condiciones de flujo:    

Cota máxima del terraplén = 34.595 m. ELhd = 33.528 m (Cota máxima a la entrada). Cota del lecho del torrente en la entrada de la alcantarilla = 30.480 m. Pendiente natural del torrente = 2 %.  Tw = 1.219 m (Altura de agua a la salida).



Longitud de la alcantarilla = 76.200 m.

Diseñe la alcantarilla usando secciones tipo cajón.

342

SOLUCIÓN: Los procedimientos que se describirán a continuación son para la alcantarilla seleccionada (respuesta)

343

I.

Elegimos el tipo de alcantarilla (tentativo), material, forma del conducto y tipo de entrada. Tipo de alcantarilla = Cajón de Metal Corrugado con pared fina Proyectada. Altura de la caja → B = 3.1m D = 1m Área de la caja = 2.638 m2

II.

Suponer que nuestra alcantarilla escurre con CONTROL A LA ENTRADA Con el nomograma de la FIGURA 5.34 tenemos: } La carga máxima de diseño en este caso está dado por:

III.

Suponer que nuestra alcantarilla escurre con CONTROL A LA SALIDA.

IV.

La altura de agua a la salida de la alcantarilla (Tw) es: Tw = 1.219 m (Dato)

V.

Calcular la altura de la línea piezométrica aproximada (ho):  Tw = 1.219 m  El valor de la Profundidad Critica (dc) para Secciones rectangulares de Metal Corrugado se encuantra en la Figura 5.14: }



“ho” es el mayor entre Tw y

344

VI.

Calcular la carga (H): Como la salida es SUMERGIDA entonces se utiliza la Ecuación (5.11).

(

)

 El coeficiente de pérdida de carga → ke = 0.5 (Tabla 5.8) (Cajón sin muros ni alas y bordes cuadrados)  El coeficiente de rugosidad de Manning → n = 0.024 (Tabla 5.9)  La longitud de la alcantarilla → L = 76.20 m (Dato)  Radio Hidráulico →  Velocidad media en la alcantarilla→ ( VII.

)

La profundidad del agua en la entrada medida desde el umbral (He) (Ecuación 5.6)

Teniendo el valor de He (Control de Entrada) y He (Control de Salida), se debe verificar que tipo de control tiene nuestra alcantarilla. Para eso debemos escoger el mayor de los dos valores y ese también será el tipo de control que tenga: (

) (

VIII.

)

La velocidad a la salida de la alcantarillas escurriendo con control de entrada es: La velocidad con control de entrada puede calcularse como un canal abierto, mediante la formula de Manning. El número de Manning para cajones de metal corrugado es: n=0.024 (Tabla 5.9) ( )

(

)

** La velocidad máxima Admisibles en canales no revestidos es de 2.7 m/seg (Tabla 5.6) en un tipo de terreno de grava a piedras (bajo 15 cm). (

)

Requiere protección a la Salida.

345

PARA EL DISEÑO HIDRAULICO DE ALCANTARILLAS SE PUEDE UTILIZAR UN PROGRAMA LLAMADO “HY – 8”. El Programa “HY-8” analiza dos clases de flujo en la alcantarilla: I. II.

Outlet Control: Profiles.- Realiza el análisis para un caudal parcialmente lleno en la salida de la alcantarilla. Outlet Control: Full Flow.-Realiza el análisis para un caudal lleno en la salida de la alcantarilla.

También tiene dos formas de analizar las perdidas en la salida: I. II.

Exit Loss: Standart Method Exit Loss: USU Method

El programa trae por defectos el Sistema de unidades inglesas por esta razón conviene modificar el sistema de unidades y cambiar al SI (sistema internacional de unidades métricas).

Sistema de unidades que trae por defecto

Sistema de unidades cambiada al “SI (métrico)”

Para añadir una nueva alcantarilla presionamos el icono Barra de Herramientas).

“Add new culvert crossing” de la

346

En esta planilla existe cinto sub planillas: I.

DISCHARGE DATA.- Donde encontraremos los caudales de diseño para la alcantarilla:

Nombre Descripción Minimum Flow Caudal Mínimo de Diseño (m3/seg) Design Flow Caudal de Diseño (m3/seg) Maximum Flow Caudal Máximo de Diseño (m3/seg) II.

TAILWATER DATA.- Aquí encontraremos las característica de nuestro canal de aporte:

Nombre Channel Type Bottom Width Side Slope (H:V) Channel Slope Manning’s n (channel) Channel Invert Elevation

Descripción Tipo de canal Ancho del Canal (m) Pendiente de las paredes del Canal (Canal trapezoidal) Pendiente del Terreno Numero de Manning del Canal Elevación del canal en la entrada (m)

En la Pestaña “Channel Type” podemos escoger el tipo de canal: (

)

(

)

( (

)

) ( ( {(

) ) ) 347

 Después de llenar todos los datos, presionamos el botón "View…", para que nos muestre algunas características del flujo en el canal y una curva de clasificación:

III.

ROADWAY DATA.- En esta subtitulo pondremos los datos de nuestra carretera:

348

Nombre Roadway Profile Shape First Roadway Station Crest Length Crest Elevation Roadway Surface Top Width

Descripción Tipo de calzada (constante o irregular) Primera estación de la calzada (m) Longitud de la cuneta que aporta sus aguas a la alcantarilla (m) Elevación de la carretera (m) Tipo de superficie de calzada Ancho de la calzada (m)

 En la Pestaña “Roadway Profile Shape” podemos escoger el tipo de calzada:

(

)

{

( (

IV.

) )

CULVERT DATA.- Se ingresa los datos y características de la alcantarilla a ser analizada:

Nombre

Descripción Valor Name El nombre Alcantarilla 1 Shape La forma Circular Material El material Concreto Diameter El diámetro (mm) 1500.00 Manning’s n El “n” de Manning 0.012 Inlet Type El tipo de entrada Convencional Inlet Edge Condition Condición de borde de entrada Borde Cuadrados en la Entrada Inlet Depression? ¿Si existe una caida de entrada? No  En las pestañas “Shape” y “Material” podemos escoger la forma y el material de nuestra alcantarilla respectivamente:

349

(

)

(

)

(

)

(

)

( (

)

) (

)

(

)

(

)

(

)

{ (

)

( (

) )

(

)

(

) (

(

)

) (

)

(

)

(

)

( { (

) )

 En las pestañas “Inlet Type” y “Inlet Edge Condition” podemos escoger el tipo de entrada y la condición de borde en la entrada respectivamente:

350

(

)

( (

)

) (

)

{ (

) ( (

) )

(

)

(

)

( (

)

(

)

(

)

) ( ( (

) ) )

( { ( V.

) )

SITE DATA.- En este subtitulo se debe ingresar los datos de las características topográficas de lugar donde se encontrara la alcantarilla:

351

Nombre Site Data Input Option Inlet Station Inlet Elevation Outlet Station Outlet Elevation Number of Barrels

Descripción Opción de entrada de datos de sitio Estación de entrada (m) Elevación de entrada (m) Estación de Salida (m) Elevación de salida (m) Numero de alcantarillas

Luego presionamos el botón “Analyze Crossing” para que realice el analizis hidráulico de la alcantarilla. En esta parte también muestra las diferentes características de la alcantarilla: a. Crossing Summary Table.- Esta tabla contiene los resultados de la elevación en la entrada de la alcantarilla, el caudal de descarga y el numero de iteraciones que el programa realizo.  También existe un botón con el nombre de “Crossing Rating Curve”, que muestra la curva Caudal de Diseño vs. el Tirante de Agua.

b. Culvert Summary Table = Abre una tabla de respuesta, con todas la característica a flujo parcialmente lleno o flujo lleno según sea el caso. En esta tabla encontraremos:  Total Discharge.- Caudal de descarga (Q).  Culvert Discharge.- Descarga en la alcantarilla.  Headwater Elevation.- Elevación a la entrada de la Alcantarilla (ELHD).  Inlet Control Depth.- Profundidad del agua con control de entrada.  Outlet Control Depth.- Profundidad del agua con control de salida.  Flow Tipe.- Tipo de Flujo.  Normal Depth.- Profundidad Normal (hn).  Critical Depth.- Profundidad Critica (dc).  Outlet Depth.- Profundidad a la salida.  Tailwater Depth.- Altura de agua a la salida (Tw).  Outlet Velocity.- Velocidad a la salida de la alcantarilla (V).  Tailwater Velocity.- Velocidad en el canal (VCANAL).

352

c. Water Surface Profiles = Abre una tabla con todas las característica geométricas de la alcantarilla y del flujo de agua, también grafica la alcantarilla (Selected Water profile).            

Total Discharge.- Caudal de descarga (Q). Culvert Discharge.- Descarga en la alcantarilla. Headwater Elevation.- Elevación a la entrada de la Alcantarilla (ELHD). Inlet Control Depth.- Profundidad del agua con control de entrada. Outlet Control Depth.- Profundidad del agua con control de salida. Flow Tipe.- Tipo de Flujo. Length Full.- Tramo de la alcantarilla que escurre lleno. Length Free.- Tramo de la alcantarilla que escurre libre. Last Step.- Último paso. Mean Slope.-Pendiente del espejo de agua. First Depth.- Altura de agua al ingresar a la alcantarilla. Last Depth.- Altura de agua al salir de la alcantarilla.

PASOS PARA ANALIZAR UNA ALCANTARILLA: (EJEMPLO 1)

I.

Iniciamos el programa HY – 8. La ventana aparecerá de esta forma:

El programa trae por defectos el Sistema de unidades inglesas por esta razón conviene modificar el sistema de unidades y cambiar al SI (sistema internacional de unidades métricas). Para realizar esta operación debemos desmarcar la casilla que indica “Add a culvert crossing”, para cambiar las unidades y presionamos el botón “Continue”.

Sistema de unidades que trae por defecto

Sistema de unidades cambiada al “SI (métrico)” 353

II. III.

Añada una nueva alcantarilla

“Add new culvert crossing” (Barra de Herramientas)

Ingresar los datos de descarga del proyecto en “DISCHARGE DATA”: Nombre Descripción Minimum Flow Caudal Mínimo de Diseño (m3/seg) Design Flow Caudal de Diseño (m3/seg) Maximum Flow Caudal Máximo de Diseño (m3/seg)

IV.

Valor 3.00 3.16 3.50

Ingresar los datos del canal de Salida del proyecto en “TAILWATER DATA”:

Nombre Channel Type Bottom Width Side Slope (H:V) Channel Slope Manning’s n (channel) Channel Invert Elevation

Descripción Tipo de canal Ancho del Canal (m) Pendiente de las paredes del Canal (Canal trapezoidal) Pendiente del Terreno Numero de Manning del Canal Elevación del canal en la entrada (m)

Valor Canal rectangular 3.00 No existe 0.0652 0.03 2549.62

Seleccione que al" botón de "View…", vea la curva de clasificación:

354

V.

Ingrese los siguientes datos de la carretera "ROADWAY DATA":

Nombre Roadway Profile Shape First Roadway Station Crest Length Crest Elevation Roadway Surface Top Width VI.

Descripción Valor Tipo de calzada (constante o irregular) Regular Primera estación de la calzada (m) 0.00 Longitud de la cuneta que aporta sus aguas a la alcantarilla (m) 100.00 Elevación de la carretera (m) 2552.00 Tipo de superficie de calzada Pavimento Ancho de la calzada (m) 14.00

Ingrese los siguientes datos de la alcantarilla “CULVERT DATA”: Nombre

Descripción Valor Name El nombre Alcantarilla 1 Shape La forma Circular Material El material Concreto Diameter El diámetro (mm) 1500.00 Manning’s n El “n” de Manning 0.012 Inlet Type El tipo de entrada Convencional Inlet Edge Condition Condición de borde de entrada Borde Cuadrados en la Entrada Inlet Depression? ¿Si existe una caida de entrada? No 355

VII.

Ingrese los siguientes datos del lugar de la alcantarilla “SITE DATA”:

Nombre Site Data Input Option Inlet Station Inlet Elevation Outlet Station Outlet Elevation Number of Barrels

Descripción Valor Opción de entrada de datos de sitio Ingresar los datos de la Alcantarilla Estación de entrada (m) 0.00 Elevación de entrada (m) 2550.00 Estación de Salida (m) 15.00 Elevación de salida (m) 2549.62 Numero de alcantarillas 1

Luego Seleccionamos Analizar Alcantarilla “Analyze Crossing” VIII.

Después de analizar la alcantarilla, esta nos nuestra varias opciones , entre ellas esta: a. Crossing Rating Curve = Nos muestra cómo actúa el Caudal de Diseño vs. el Tirante de Agua.

356

b. Culvert Summary Table = Abre una tabla de respuesta, con todas la característica a flujo parcialmente lleno. En esta tabla encontraremos:  Caudal de descarga: Q = 3.16 m3/s  Elevación a la entrada de la Alcantarilla = 2551.40 m (Control de entrada)  Profundidad del agua con control de entrada: He = 1.40 m  Profundidad del agua con control de salida : He = 0.04 m (Flujo parcialmente lleno).  Profundidad Normal: hn = 0.52 m  Profundidad Critica: dc = 0.92 m  Profundidad a la salida: hn = 0.66 m  Altura de agua a la salida: Tw = 0.42 m  Velocidad a la salida de la alcantarilla: V = 4.24 m/s  Velocidad en el canal : V = 2.53 m/s

c. Water Surface Profiles = Abre una tabla con todas las característica geométricas de la alcantarilla y del flujo de agua, también grafica la alcantarilla (Selected Water profile).  Caudal de descarga: Q = 3.16 m3/s  Elevación a la entrada de la Alcantarilla = 2551.40 m (Control de entrada)  Profundidad del agua con control de entrada: He = 1.40 m  Profundidad del agua con control de salida: He = 0.04 m  Tramo de la alcantarilla que escurre lleno = 0.00 m 357

    

Tramo de la alcantarilla que escurre libre = 14.90 m Ultimo paso = 0.06 m Pendiente del espejo de agua = 1.08 % Profundidad del agua al ingresar a la alcantarilla = 0.92 m Profundidad del agua al salir de la alcantarilla = 0.66 m

358

IX.

El análisis que se realizo es para un flujo que escurre parcialmente lleno, para obtener mejores resultados también tendremos que realiza un análisis para un flujo que escurre llena. Por tanto cerramos todas las ventanas de nuestro programa y cambiamos el análisis para un flujo que escurre llena:

X.

Volvemos a abrir la ventana de dato de la alcantarilla realizando un clic en el icono , luego seleccionamos Analizar Alcantarilla “Analyze Crossing”. Para obtener los resultados

XI.

Conclusiones: El programa nos proporciona los siguientes resultados, que comparados con los hallados manualmente témenos: Resumen del Análisis realizado manualmente Alcantarilla con Control en la Entrada: He (Control en la entrada) = 1.425 m. Tw = 0.4159 m. dc = 0.93 m. Alcantarilla con control en la salida: He (Flujo lleno) = 1.0595 m. V (En la salida) = 4.8023 m/s.

Resumen del Análisis realizado en el programa “HY-8” Alcantarilla con Control en la Entrada: He (Control en la Entrada) = 1.40 m. Tw = 0.42 m. dc = 0.92 m. Alcantarilla con control en la salida: He (Flujo lleno) = 0.81 m. V (En la salida) = 4.24 m/s. 359

PASOS PARA ANALIZAR UNA ALCANTARILLA: Cajón de metal corrugado (EJEMPLO 2)

Iniciamos el programa HY – 8 y cambiamos el sistema de unidades

I.

Sistema de unidades que trae por defecto II.

Añada una nueva alcantarilla

Sistema de unidades cambiada al “SI (métrico)” “Add new culvert crossing” (Barra de Herramientas)

Ingresar los datos de descarga del proyecto en “DISCHARGE DATA”:

III.

Nombre Descripción Minimum Flow Caudal Mínimo de Diseño (m3/seg) Design Flow Caudal de Diseño (m3/seg) Maximum Flow Caudal Máximo de Diseño (m3/seg) IV.

Valor 8.00 8.50 9.00

Ingresar los datos del canal de Salida del proyecto en “TAILWATER DATA”: Nombre

Channel Type Channel Invert Elevation Constant Tailwaler Elevation

Descripción Enter Constant Tailwaler Elevation

Valor Ingrese la altura del agua a la salida (Tw)

Ingrese la parte inferior del canal (m)

28.96

Ingrese la altura de agua a la salida (m) 28.96 + 1.219 = 30.18 m

30.18

Presione el botón "View…", para ver las características del flujo en el canal:

360

V.

Ingrese los siguientes datos de la carretera "ROADWAY DATA":

Nombre Roadway Profile Shape First Roadway Station Crest Length Crest Elevation Roadway Surface Top Width

VI.

Ingrese los siguientes datos de la alcantarilla “CULVERT DATA”:

Nombre Name Shape Material Span Rise Manning’s n (Top/Sides) Manning’s n (Bottom) Inlet Type Inlet Edge Condition Inlet Depression?

VII.

Descripción Valor Tipo de calzada (constante o irregular) Regular Primera estación de la calzada (m) 0.00 Longitud de la cuneta que aporta sus aguas a la alcantarilla (m) 100.00 Elevación de la carretera (m) 34.54 Tipo de superficie de calzada Pavimento Ancho de la calzada (m) 76.20

Descripción El nombre La forma El material Base Altura El “n” de Manning para el Cajón de Metal Corrugado El “n” de Manning para el Piso de la alcantarilla (Concreto) El tipo de entrada Condición de borde de entrada ¿Si existe una caida de entrada?

Valor Alcantarilla Cajón Metal Box Corrugated Steel 3073.40 1016.00 0.024 0.012 Convencional Thin Edge Poryecting (Borde Proyectada con pared fina) No

Ingrese los siguientes datos del lugar de la alcantarilla “SITE DATA”:

Nombre Site Data Input Option Inlet Station Inlet Elevation Outlet Station Outlet Elevation Number of Barrels

Descripción Valor Opción de entrada de datos de sitio Ingresar los datos de la Alcantarilla Estación de entrada (m) 0.00 Elevación de entrada (m) 30.48 Estación de Salida (m) 76.20 Elevación de salida (m) 28.96 Numero de alcantarillas 1

361

Como la Alcantarilla escurre totalmente lleno, no es necesario volver a analiza la alcantarilla. VIII.

Después de analizar la alcantarilla, esta nos nuestra varias opciones , entre ellas esta: a. Crossing Rating Curve = Nos muestra cómo actúa el Caudal de Diseño vs. el Tirante de Agua.

b. Culvert Summary Table = Abre una tabla de respuesta, con todas la característica a flujo parcialmente lleno. En esta tabla encontraremos: 362

         

Caudal de descarga: Q = 8.50 m3/s Elevación a la entrada de la Alcantarilla = 32.75 m (Control de entrada) Profundidad del agua con control de entrada: He = 2.27 m Profundidad del agua con control de salida : He = 1.53 m (Flujo Totalmente lleno). Profundidad Normal: hn = 0.60 m Profundidad Critica: dc = 0.89 m Profundidad a la salida: hn = 1.02 m Altura de agua a la salida: Tw = 1.22 m Velocidad a la salida de la alcantarilla: V = 3.19 m/s Velocidad en el canal : V = 0 m/s

**Como la Alcantarilla escurre totalmente lleno, no es necesario volver a analiza la alcantarilla. c. Water Surface Profiles = Abre una tabla con todas las característica geométricas de la alcantarilla y del flujo de agua, también grafica la alcantarilla (Selected Water profile).  Caudal de descarga: Q = 8.50 m3/s  Elevación a la entrada de la Alcantarilla = 32.75 m (Control de entrada)  Profundidad del agua con control de entrada: He = 2.27 m  Profundidad del agua con control de salida: He = 1.53 m  Tramo de la alcantarilla que escurre lleno = 76.22 m  Tramo de la alcantarilla que escurre libre = 0.00 m  Ultimo paso = 0.00 m 363

 Pendiente del espejo de agua = 10.00  Profundidad del agua al ingresar a la alcantarilla = 1.02 m  Profundidad del agua al salir de la alcantarilla = 01.02 m

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IX.

Conclusiones: El programa nos proporciona los siguientes resultados, que comparados con los hallados manualmente témenos: Resumen del Análisis realizado manualmente Alcantarilla con Control en la Entrada: He (Control en la entrada) = 2.24 m. dc = 0.80 m. Alcantarilla con control en la salida: He (Flujo lleno) = 1.589 m. V (En la salida) = 3.79 m/s.

Resumen del Análisis realizado en el programa “HY-8” Alcantarilla con Control en la Entrada: He (Control en la Entrada) = 2.27 m. dc = 0.89 m. Alcantarilla con control en la salida: He (Flujo lleno) = 1.53 m. V (En la salida) = 3.19 m/s.

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