Uladech Biblioteca Virtual

 

  NIVERSIDAD CATÓLICA LOS ÁNGELES DE CHIMBOTE

FAC

LTAD DE INGENIERÍA

 

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL  

I PROGRAMA DE ACTUALIZACION PROFESIONAL PARA TITULACIÓN DE B BACHILLERES ACHILLERES EN INGENIERÍA CIVIL – 2009

TESINA

OBRAS DE DRENAJE EN CAMINOS VECINALES PRESENTADO POR:

BACHILLER ING. CIVIL: Osmán AÑAÑOS BERROCAL

PARA OPTAR EL TITULO DE INGENIERO CIVIL  

CHIMBOTE – PERÚ   2009

 

AGRADECIMIENTO

La oportunidad que nos brinda la vida de expresar nuestro agradecimiento, agradecimiento, a cada uno de los profesionales que hacen posible la culminación y el alcance de las metas  propuestas. Es la mejor mejor recompen recompensa sa al trabajo real realizado. izado.  A la universida universidad d los Ángeles de Chimbote “ ULADECH ULADECH – CAT CATOLICA OLICA”. Escuela de formación forma ción prof profesio esional nal de ingen ingeniería iería civ civil. il. Por la oportun oportunidad idad que me brin brinda da de ser un ingeniero civil.  A los docentes del ciclo de actualizaci actualización ón de ingenie ingeniería ría Civil, quienes afianzaron los conceptos de Ingeniería en mi persona.  A mis compañeros del pre-grado. Con quienes comparto un valioso proceso de aprendizaje.

 

DEDICATORIA

 A mis Padres: Alberto:(Q.D.D.G) y María. Quienes con su amor y apoyo incond inc ondici icion onal al hi hicie cieron ron qu que e me rea realilice ce com como o  persona y profesional. profesional.  A mis 05 Hermanos: quienes son la fortaleza de mí ser.

 

SUMARIO  CARATULA  AGRADECIMIENTO DEDICATORIA INDICE GENERAL NTRODUCCION 

CAPITULO I. 1.1 1.2

1.3

CAPITULO II.

ASPECTOS GENERALES   IMPORTANCIA OBJETIVOS   OBJETIVOS GENERALES 1.2.1 OBJETIVOS ESPECIFICOS 1.2.2 OBJETIVOS PERSONALES 1.2.3 DEFINICIONES   1.3.1 OBRA RAS SD DE ED DRE RENA NAJJE  1.3.2 CAM AMIINO VECINA CINAL L 1.3.3 BOMBEO CALCULO DE ESCORRENTIA

2.1

EL C CIICLO H HIIDROLOGICO.

2.2

PRECIPITACION FLUVIAL 2.2. 2.2.1 1 DUR DURAC ACIO ION N E IINT NTENS ENSIDA IDAD D DE L LAS AS L LLUV LUVIA IAS S 2.2. 2.2.2 2 ES EST TUD UDIO IO DE CU CUEN ENCA CAS. S. 2.2. 2.2.3 3 EX EXTE TENSI NSION ON DE L LLU LUVI VIAS AS PU PUNT NTUAL UALES ES A AR AREAS EAS.. 2.2. 2.2.4 4 DE DESC SCAR ARGA GA DE DI DISE SEÑO ÑO

CAPITULO III. HIDROLOGIA APLICADA EN OBRAS DE DRENAJE  3.1 3.1 CL CLAS ASIF IFIC ICAC ACIO ION N Y DISE DISEÑO ÑO DE OB OBRA RAS S DE DR DREN ENAJ AJE  E  3.1.1 3.1 .1 DIS DISEÑO EÑO EN OBR OBRAS AS DE DREN DRENAJE AJE SUPE SUPERFI RFICIAL CIALES ES CAPITULO IV. APLICACIÓN EN UN CAMINO VESINAL 4.1 CLASIFICACION DE L LA A RED VIAL 4.2 ASPECTOS GENERALES  4.3 DISEÑO HIDROLOGICO  DISEÑO HIDRAULICO DCX 4.4 CAPITULO V.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES  5.1 CONCLUSIONES   5.2 RECOMENDACIONES  

CAPITULO VI.BIBLIOGRAFIA Y ANEXOS  6.1 6.2

BIB BIBLIO LIOGRAF GRAFIA IA ANEX ANEXOS OS

 

INTRODUCCION  Parte de la lluvia que cae sobre la superficie del suelo, escurren inmediatamente, reuniéndose en corrientes de agua; otra parte se evapora y el resto se infiltra en el terreno. terre no. Cu Cuando ando e ell agua d de e infi infiltrac ltración ión al alcanz canza a la car carretera retera,, y no se di dispon spone e de los elementos necesarios necesarios para conducirla conducirlass o desviarlas desviarlas,, puede ocasionar la inundación de la calzada, formando pequeños lagos – principal agente para la formación de hoyos – baches en pendientes de 0 a 2%. En tanto que en la construcción de una carretera escapan la construcc construcción ión de pequeños tramos con pendientes de 0%. Las lluvias ocasionan ocasionan el debili debilitamiento tamiento de la estructu estructura ra de una carretera y e erosión rosión o derrumbe de los taludes, taludes, con graves perj perjuicios uicios para el usu usuario ario de la vía y sobre todo  para la economía economía del país. En la con constr strucc ucción ión y Man Manten tenim imien iento to de Ca Carre rreter teras as es imp imposi osibl ble e no dar dem demasi asiada ada importancia al drenaje. drenaje. El agua afecta todas las fases de capacidad de uso de la vía. El agua que que se permi permite te en la sup superficie erficie de un Camin Camino o debilita la superficie yy.. combinada con con el tr tráf áfic ico, o, da dan n orig origen en a lo loss

ba bach ches es y agri agriet etam amie ient ntos os.. Si no se ca cana naliliza za

adecuadamente. el agua causa erosión en los suelos, la presencia del agua solo causa  problemas en Obras Obras de Infraestructura Vial. Un buen sistema e Drenaje superficial es la mejor manera de disminuir los daños a la vía. Un sistema de Drenaje supe superficial rficial adecuado ev evita ita que el ag agua ua se infiltre a través de la superficie del Camino Camino y remueve el agua hacia la lass cunetas laterales, las cuales cuales evacuan el agua de la vía. Much Mu chos os fa fact ctor ores es de debe ben n inte interv rven enir ir en el estu estudi dio o de dell dren drenaj aje e de una una carr carret eter era: a: la Topografía, la Hidrológica y la Geología de la Zona; Variadas ramas de la Ingeniería  participan en la solución del problema: la estadística, la hidráulica hidráulica,, el diseño estructural. etc. Sin embargo, se debe hacer notar que debido a peculiaridades en las características topográficas, hidrológicas y geológicas, los métodos de diseños de los drenajes y los coeficientes que se utilizan en las formulas pueden variar mucho de un sitio a otro. Con la excepción de algo de agua necesaria para la compactación de suelos, control de  polvo y para la vegetación. vegetación. EL AGUA ES EL PEOR ENEMIGO DE LAS VIAS  En este trabajo se trata de presentar: de una manera práctica el proceso de Evaluación y diseño de Obras de Drenaje en la Construcción de un Camino Vecinal.

 

DESCRIPCION DEL PROYECTO  En el Capitulo I.- se plantean los objetivos del presente trabajo, así como las definiciones básicas a tener presente en todo proceso de evaluación de estructuras de Obras de Drenaje en una carretera de Orden – Camino Vecinal. En el Ca Capi pitu tulo lo II.II.- Tr Trat ata a el pa pape pell de Hi Hidr drol olog ogía ía en el di dise seño ño de cami camino nos, s, el ci cicl clo o Hidroló Hidr ológico gico la Import Importanci ancia a del drenaj drenaje e del Camino Camino.. El métod método o Racion Racional al se present presenta a como una herramienta útil para determinar la cantidad del escurrimiento de pequeñas cuencas y de áreas reducidas tal como una sección de la superficie de la plataforma. Esta descarga se usa entonces en el diseño de las estructuras de drenaje. En el Ca Capi pitul tulo o III.-. III.-. Pre Presen senta ta al algun gunas as de las las He Herra rramie mienta ntass bá básic sicas as nec necesa esaria riass en el diseño de estructuras hidráulicas. En el Ca Capit pitulo ulo IV. IV.-. -. Se rea realiliza za una una aplic aplicaci ación ón del pro proces ceso o def defin initi itivo vo en lo loss cap capítu ítulo loss anteriores en un Camino Camino Vecin Vecinal al importante, ubicada en e ell Departamento d de e Cusco – La Conve Co nvenci nción ón – Kim Kimbi biri, ri, det detall alland ando o el pro proces ceso o qu que e se lle lleva va con consig sigo: o: La Evalu Evaluaci ación ón y Diseño de Obras Hidráulica Hidráulicas. s. En el Ca Capi pitul tulo o V.V.-.. Se pre presen senta ta las las con conclu clusio sione ness y Re Recom comen endac dacio iones nes del tra trabaj bajo o realizado. En el Capitulo VI.-. Se presenta algunos documentos necesarios en el diseño de Obras de Drenaje, así como la Bibl Bibliografía iografía recomend recomendada ada en el tema.

 

CAPÍTULO I CAPÍTULO IDEL ANTECEDENTES ASPECTOS GENERALES PROYECTO

 

 CAPITULO I. ASPECTOS GENERALES  1.1 IMPORTANCIA El estudio sobre Diseño de Obras de Drenaje es muy importante porque reducirá al mínimo los problemas de erosión en una Carretera, trata el tema del control de aguas en la superficie de los los caminos. La función función principal de estas Obras de Dren Drenaje aje es el de drenar un camino. Los tipos de drenajes incluyen estructuras de drenajes transversales transversales naturales, travesías, drenajes de superficie y subdrenajes. subdrenajes. Estas estructuras sirven para dispersar, disminuir la velocida velo cidad d o transpo transportar rtar el agua, evita evitarr la acum acumulac ulación ión y redu reducir cir la fuerza eros erosiva iva del agua.

1.2 OBJETIVOS: 1.2.1 OBJETIVOS GENERALES Dotar de un conocimiento amplio sobre el Diseño de Obras de Drenaje en Caminos Vecinales. 1.2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS •

Remover el agua fuera de la superficie del camino sin hacer daño al camino y su estructura.

Prevenir Preven ir Imp Impact actos os Ne Nega gativ tivos os al amb ambie iente nte a los lad lados os de dell camin camino. o. red reduci ucirr al mínimo los cambios al patrón de drenaje natural.  1.2.3 OBJETIVO PERSONAL: •

 Aprobar el Curso de Actualización Actualización Profesio Profesional nal – Elaboran Elaborando do una Tesina, y de esta manera Obtener el título profesional de Ingeniero Civil Civil..

 

1.3 DEFINICIONES. 1.3. 1.3.1 1 OB OBRA RAS S DE DR DREN ENAJ AJE. E.-- So Son n estr estruc uctu tura rass co cons nstr trui uida dass pa para ra pe perm rmititir ir la evacuación de las aguas y asegurar la estabilidad del camino. 1.3.2 CAMINO VECINAL.VECINAL.- Constituyen la red Vial circu circunscrita nscrita princi principalmente palmente a la zona vinculadas por caminos – anexos, o en zonas de influencia económica, constituyen las caminos caminos Bifu Bifurcaci rcaciones ones Dis Distrital tritales. es. Son aquel aquellas las de una calzad calzada, a, de un carri carrill que soportan entre 10-20 veh/día 1.3.3 BOMBEO.- Inclinación transversal de la superficie de rodadura a ambos lados lad os del ej eje e de dell cam camino ino,, per permit mite e que el agu agua a di discu scurra rra ha hacia cia la lass zon zonas as la later terale ales; s; generalmente el bombeo de un camino varia entre 2% y 4%.

 

CAPÍTULO I CAPÍTULO II ANTECEDENTES DEL CALCULOS DE PROYECTO ESCORRENTIA

 

CAPITULO II. CALCULO DE ESCORRENTIA o

EL CICLO HIDROLOGICO. 

El ciclo hidrológico es la circulación continua de la humedad de la tierra. El ciclo hidrológico mostrado mostrado en la fig figura ura ilustra la distri distribución bución de agu agua a en el ambien ambiente, te, así como las fas fases es del del “ci “ciclo clo de agu agua” a” inclu incluyen yendo do la pre precip cipita itació ción, n, fil filtra tració ción, n, in inter tercep cepció ción, n, transpiración, evaporación. Cuando llueve, el agua es interceptada por la vegetación, infiltrada en la tierra tierra y se escurre escurre.. La humedad en el terreno, en lla a vegetación y en los cuerpos de agua se transpira o evaporan de nuevo a la atmósfera. La cantidad de escurrimiento así como la cantidad de las estructuras de drenaje con la capacidad necesaria depende de las características de la cuenca. Un bosque o un talud de corte y relleno con una buena cobertura vegetativa tendrán relativamente poco escurrimiento. Un campo inhabitado, un área deforestada, o una superficie de camino llano tendrán un escurrimiento relativamente alto así el coeficiente (C). De escurrimiento del método racional, discutido en la próxima sección, aumenta con menos vegetación, más perturbación de la cuenca y más superficies impermeables. Las áreas con más vegetación tienen un porcentaje mayor de humedad que se cuelan en el terreno y menor  porcentaje que corre por el suelo. Los suelos sin vegetación tienen un porcentaje más alto de escurrimiento escurrimiento..

 

o

 PRECIPITACION FLUVIAL

La Preci Precipi pita taci ción ón es la caíd caída a de dell ag agua ua,, en for forma ma liq liqui uida da o só sólilida da,,

so sobr bre e la

superficie de la tierra. Esta se origina cuando el vapor de agua de la atmósfera se enfría y condensa para formar gotitas que se agrupan en forma de nubes. El enfriamiento de las masass de aire masa aire,, pa paso so prev previo io a la co cond nden ensa saci ción ón,, se prod produc uce e ge gene nera ralm lmen ente te co como mo consecuencia de la elevación de dichas masas en la atmósfera, movimiento que puede se serr po porr la

conv convec ecci ción ón term termal al,, las las ba barr rrer eras as orog orográ ráfifica cass y la lass fu fuen ente tess cicl ciclón ónic icas as,,

denominándose denominán dose las lluvias según el proceso que haya tenido lugar para ocasionarlas. Referente a las lluvias, el Perú puede dividirse en cuatro zonas.

La costa, en una faja bastante ancha, tiene escasas precipitaciones anuales cuya variación es de 0 a 180 mm anuales. Si se considera la fuerte Evaporación que hay en toda la Costa, se establece que, aparte de casos específicos en las cercanías de los ríos, los terrenos, en general muy permeables, permanecen todo el año en un estado de no saturación.

La sierra;  en general titiene ene precipi precipitaciones taciones compren comprendidas didas entre 500 y 2000 mm anu anuales ales co con n Ev Evap apor orac acio ione ness mu muyy acen acentu tuad adas as.. En es esta ta zona zona,, lo loss terr terren enos os pres presen enta tan n un una a  permeabilidad  permeabili dad variable pero inferior a la de llos os terrenos de al ccosta. osta.

La ceja de Selva;  tiene Precipi Precipitaciones taciones compren comprendidas didas entre 100 1000 0 y 3000 mm con zzonas onas de lluvia máxima, es decir mayor de 3000 mm anuales, en la zona de Huánuco y en la zona de Puno (mas de 6000 mm).La Evaporación es inferior al de la sierra, pero siendo lluvias de carácter Torrencial y los terrenos con fuerte declive.

La Selva; finalmente, con precipitaciones anuales, presenta, bajo el aspecto hidráulico, una situación bastante desfavorable. En general los terrenos llanos de tipo aluvional con granulom gran ulometría etría fina o finís finísima ima – arci arcillo llosas, sas, pres presenta entan n una escasa perm permeabi eabilida lidad d con  posibilidad  posibilida d de embalsamientos de agua. La Evaporació Evaporación n decidida decididamente mente inferior a las de las otras regiones esta compensada por la fuerte absorción de agua que efectúa la exuberante vegetación. 2.2.1.- DURACION E INTENSIDAD DE LAS LLUVIAS. En el diseño de drenajes no interesa la cantidad total de agua que cae sobre una zona. Las estructuras de drenaje se diseñan para conducir las máximas descargas que se producen, las cuales son el resultado de la relación duración-intensidad de lluvias. DURAC DU RACION ION DE LA LL LLUVI UVIA.A.-Es Es el tiempo tiempo qu que e tar tarda da est esta a en pre precip cipita itarse rse sob sobre re la superficie terrestre. Se expresa en minutos o en horas.

 

INTENSIDAD DE UNA LLUVIA.-Es la mayor o menor cantidad de agua que cae en un lapso determinado. Se expresa como lámina o altura de agua en mm/h. cmm/h o pulg/h. o como caudal lt/seg/ha. La Intensidad y duración de las lluvias se miden con los pluviógrafos, los que registran sobre un papel coordenado la Intensidad de Lluvia en cualquier instante durante el tiempo en que se produce esta. 2.2.2.-ESTUDIO 2.2.2.-ESTUD IO DE CUENCAS. Se llllam ama a cuen cuenca ca al área área de terr terren eno o dond donde e to toda dass la lass ag agua uass ca caíd ídas as po porr  precipitación  precipitació n se unen para fformar ormar un solo curso de agua. Cada curso de agua tiene una cuenca bien definida para cada punto de su recorrido. La delimitación de una cuenca se hace sobre un plano a curvas de nivel, siguiendo las líneas del divortium acuarium o líneas de cumbres, la cual permite establecer el valor de la pendiente media de la cuenca, las cuencas pueden también ser evaluadas en fotografías aéreas o en el campo mediante relevamientos expeditivos. 2.2.2.1 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LAS CUENCAS.Se refiere al área proyectada en un plano horizontal. Para una misma 1.- Superficie.- Se superficie y una misma precipitación, el caudal de evacuación de aguas superficiales varía de acuerdo a la configuración del área de la cuenca. Se denomina Índice de Forma o compacidad (Gravelius) de una cuenca, a la siguiente relación:

 K 

 P  =

 P '

=

  2

 P  =

0.282

 P 

 A

π  

 A

P= Perímetro de la cuenca P’=Perímetro de un circulo de área igual a la de la cuenca. Hm.  A= Área de la cuenca. cuenca. Ha. Cuanto menor índice de forma tenga una cuenca, menor será el tiempo que emplee las aguas provenientes de una precipitación para llegar al punto de derrame, condición que  posibilita la formación formación de mayo mayores res caudales. Se describe a través de dos gráficos característicos: 2.-Topografía.- Se Curva Hipsométrica: representa la relación entre la altitud en m.s.n.m y la superficie que queda por encima de dicha altitud. Polígono de Frecuencia de altitudes es la representación grafica de la distribución en  porcentaje de las las superficies ocu ocupadas padas por diferentes diferentes escalones escalones altitudinales altitudinales..

3.-Altitude 3.-Al titudess Caracte Característic rísticas: as:  Altitud Media.- Es la coordenada media de la curva Hipsométrica,, divide a la cuenca en dos áreas iguales. Hipsométrica  Altitud mas frecuente.-Es frecuente.-Es la relación q que ue alberga el mayor porcentaje d de e área

 

4.-Geología y Edafología.- Estas condiciones de la cuenca tienen una notable influencia en la Integración de los caudales de derrame. Esta información es útil sobre todo para el Estudio de los Mapas de Agua Subterráneas y para la determinación de la Escorrentía  porque la geología geología y el tipo de sue suelo lo son factores imp importantes ortantes de la in infiltración. filtración.

5.-Fitogeografia.- Se refiere al tipo de cubierta vegetal. 6.-Glaciología.- Se refiere a la ubicación de los nevados en la cuenca, cuando existen, aseguran un cierto caudal permanente en los ríos. 7.-Perfil ..-- Se debe de tener en cuenta las pendientes Longitudinales de la cuenca en estudio.

8.-Estaciones.- Es obligación del Estado establecer estaciones de medición en toda las cuencas de relativa relativa importanci importancia. a. El objeto es dis disponer poner de registro registross de lluvias, lluvias, caudales, radiación, temperatura, evaporación y otros. 2.2.3.2.2.3 .- EXTE EXTENSION NSION DE LLUVIAS PUNTU PUNTUALES ALES A ARE AREAS.AS.- Los datos básicos para los estudios de precipitaciones son los registros de lluvias tomadas en estaciones medidoras. Sin embargo, en los estudios de Hidrología aplicados al drenaje se requiere información acerca de la precipitación caída sobre el área. Como la información de una estación es solo representativa de ese punto, se requiere transformar las lluvias puntuales a valores representativos del área, para ello emplearemos los siguientes métodos:

Método del promedio aritmético Método de los Polígonos De Thiessen Método de las Isoyetas 2.2.3.1.- METODO DE LAS ISOYETAS.- El método de las Curvas Isoyetas es el más preciso para estimar la precipitación media sobre un área. Toma en cuenta los efectos orográficos en el cálculo de la Precipitación media. Ubicadas las estaciones Fluvi Flu viome ometri tricas cas en pl plano anoss de la cue cuenca nca,, se tra trazan zan las lín líneas eas de ig igual ual preci precipit pitaci ación, ón, llamadas isoyetas, interpolando entre las diversas estaciones de modo similar a como se trazan las curvas de nivel, y luego se determinan las áreas encerradas encada dos isoyetas. La Precipitación media se obtiene aplicando la expresión: n

∑ ( Pi +  Pi + 1)( Aj / 2)  Pprom = ∑ Aj i =1

m

 

Pj= Precipitaci Precipitación ón de la Isoyetas

  Aj= Área comprendi comprendida da entre las isoyetas j y j+1 m= Números total de Isoyetas

 j =1

La precisión precisión de este métod método o depend depende e de gra gran n parte de la pericia del ana analista lista y de sus conocimientos conocimien tos sobre los efectos orográficos y la morfología de la tormenta.

 

2.2.3.2.-ESCURRIMIENTO 2.2.3.2.-ESCUR RIMIENTO SUPE SUPERFICIAL.RFICIAL.- Otro de los evento eventoss del cciclo iclo Hidrológico que interesa en los estudios de drenaje de carreteras, es el comprendido entre el momento en que cae la lluvia cae sobre la tierra y el instante en que el agua de escurrimiento pasa por un determinado punto del cauce. La lluvia que cae sobre la tierra  parte se pierde por Evaporación y Transpiración Transpiración y la parte restante es interceptada por la vegetación o por el suelo. Esta última se puede infiltrar en el suelo o fluir sobre la superficie, formándose así los gastos subterráneos y Gasto Superficial o Escurrimiento. 2.2.4.-DESCARGA DE DISEÑO.-  Al diseñar una estructura de drenaje, se debe estimar el volumen de agua que llegara a ella en un determinado instante que se llama descarga de diseño. Su determinación requiere el mayor grado de precisión, a fin de fijar económicamente el tamaño de la estructura para el agua de escurrimiento que no dañe la carretera. La determinación de la descarga de diseño se basa en uno de los siguientes criterios: 1.-Registro de corrientes individuales y observació observación n de estructuras existentes. 2.-Uso de formulas Empíricas o semi-empiri semi-empiricas, cas, para determinar la máxima descarga. 3.-Uso de formulas empíricas o semi-empiricas, para determinar el área de desagüe requerida. 4.-Aplicación 4.-Aplicació n de Hidrogramas.

 

CAPÍTULO I CAPÍTULO III ANTECEDENTES DEL HIDROLOGIA APLICADA EN PROYECTO OBRAS DE DRENAJE

 

CAPITULO III. HIDROLOGIA APLICADA E EN N OBRAS DE DRENAJE  3.1.0 CLASIFICACION Y DISE DISEÑO ÑO D DE E OBRAS OBRAS DE DRENAJ DRENAJE  E  El desagüe de una carretera esta constituido fundamentalmente por dos sistemas:

colectores y evacuadores, el colector es generalmente un canal que recoge las aguas fluviales provenientes de la zona de la carretera y de las áreas ubicadas aguas arriba de la misma. Llevándolas hasta los puntos de evacuación (alcantarillas. etc.).Ninguna de las Obras propias de las carreteras debe quedar sin desagüe ni provocar modificaciones sustanciales en el primitivo escurrimiento superficia superficiall de las aguas. Un si sist stem ema a de de desa sagü güe e de debe be aseg asegur urar ar el co corr rrec ecto to es escu curr rrim imie ient nto o de la lass ag agua uass superficiales y debe responder a dos condiciones: •

Rápi Rá pida da ev evac acua uaci ción ón de la lass ag agua uas. s. no perm permititie iend ndo o qu que e es esta tass prov provoq oque uen n embaucamientos embaucamie ntos ni depósito semipermanentes de agua que afecten la estabilid estabilidad ad

•

de las Obras de la carretera. Control de los procesos erosivos provocados por los elevados caudales caudales y las altas velocidadess de escurrimien velocidade escurrimiento to de las aguas.

El drenaje del camino comprende los siguientes rubros: 7 Dren Drenaj aje e de Ag Agua uass Su Supe perf rfic icia iale less 8 Dren Drenaj aje e de Ag Agua uass Su Subt bter errá ráne neas as.. 9 Dre Drena naje je de de la e estru structu ctura ra d de e Ca Carpe rpeta ta Af Afirm irmad ado. o. 2.1.1

DISEÑO EN OBRAS DE DRENAJE DE AG AGUAS UAS SUPERFI SUPERFICIALES CIALES El agua que cae sobre la carretera escurre superficialmente sobre ella y como

consec con secuen uencia cia de la pen pendie diente nte del del bom bombe beo o o de dell per peral alte te flu fluye ye lo longi ngitud tudin inalm alment ente e o transversalmente. Cuando la carretera se desarrolla en Terraplén, se permite que el agua se desborde sobre las bermas y los talud taludes, es, los cuale cualess si están debidamen debidamente te protegid protegidas, as, no sufrirá sufrirán n erosión. En cambio cambio si la vía va en corte, el agua prove proveniente niente del escurri escurrimiento miento sobre la calzada y los taludes de corte adyacentes debe ser recogida en canales laterales, Son estas zanjas excavadas que permiten recolectar las aguas que caen sobre la calzada o evitar que lleguen a ella. Un canal abierto se define como un conducto por el que circula agua con una superficie libre, Como tales se clasifican los conductos de agua descubiertos y los cerrados cuando trabajan parcialmente llenos.

 

En el dren drenaje aje de carre carreteras teras,, los canal canales es son util utilizad izados os como cune cunetas tas de borde y de

coronación, caídas y causes, y alcantarillas que trabajan parcialmente llenas. El drenaje superficial comprende: •

La recolección de las aguas procedentes de la plataforma y sus taludes.

•

La evacuación de las aguas recolectadas hacia cauces naturales interceptados

 por la carretera. carretera. 3.1.1.1.-CRITERIOS FUNCIONALES FUNCIONALES.. Los elementos de drenaje superficial se elegirán teniendo en cuenta criterios funcionales según se mencionan a continuación: •

Las soluciones técnicas disponibles.

•

La fa faci cililida dad d de su ob obte tenc nció ión n y as asíí co como mo lo loss co cost stos os de co cons nstr truc ucci ción ón y

Mantenimiento. •

Los da dañ ños que se pued eda an prod roduci cirr al paso de lo loss cau aud dale less de agua

correspondientes correspondi entes al periodo de retorno.  Al paso del caudal de diseño, elegido de acuerdo al periodo de retorno, y considerando el riesgo de obstrucción de los elementos del drenaje se deberán cumplir las siguientes condiciones: •

En los elementos de drenaje superficial la velocidad del agua será tal que no

 produzcan daños daños por erosió erosión n ni por sedimen sedimentación. tación. •

El máximo nivel de la lamina de agua será tal que siempre se mantenga un borde

libre no menor de 0 0.10 .10 m. •

Los daños daños material materiales, es, a terc terceros eros,, prod producib ucibles les por una eventu eventual al inund inundació ación n de

zonas aledañas a la carretera. debida a la sobre elevación del nivel de la corriente en un cauce, provocada por la presencia de una obra de drenaje transversal, no deberán alcanzar la condición de catastróficos. 3.1.1.2.-PERIODO DE RETORNO La selección del caudal de diseño para el cual debe proyectarse un elemento del drenaje superficial esta relacionado con la probabilidad o riesgo que este caudal sea excedido durante el periodo para el cual se diseña el camino. En general se aceptan riesgos ries gos mas altos cua cuando ndo los daño dañoss probab probables les que se produz produzca, ca, en caso de que se discurra una caudal mayor al del diseño, sean menores y los riesgos aceptables deberán ser muy pequeños cuando los daños probables sean mayores, El riesgo o probabilidad de excedencia de un canal en un intervalo de años esta relacionado con la frecuencia histórica de su aparición o con el periodo de retorno.

 

CUADRO DE PERIODO DE RETORNO Periodo

de

Retorno en años 10 15 20 25 50 100 500 1000 10000

10 65.13% 49.84% 40.13% 33.25% 18.29% 9.58% 1.98% 1.00% 0.10%

 AÑOS DE VIDA UTIL 20 25 50 87.84% 74.84% 64.15% 55.80% 33.24% 18.21% 3.92% 1.98% 0.2%

92.82% 82.18% 72.26% 63.96% 39.65% 22.22% 9.3% 4.88% 0.5%

99.48% 95.82% 92.31% 87.01% 83.58% 39.50% 9.3% 4.88% 0.5%

100

 

99.99% 99.90% 99.41% 98.31% 86.74% 63.40% 18.14% 9.52% 0.52%

Se recomienda adoptar periodos de retorno no inferiores a 10 años para las cunetas y  para las alcantarill alcantarillas as de alivio. Para alcantarill alcantarillas as de paso el periodo de retorno es aconsejable es de 50 años. Cuando se previsible que se produzcan daños catastróficos de que se excedan los los caudales de diseño, diseño, el período de retorn retorno o podrá ser de 500 años a mas. En el cuadro siguiente se muestran los periodos de retorno aconse aconsejables jables según el tipo de obras de drenaje PERI PE RIOD ODO O DE RE RETO TORN RNO O PA PARA RA DI DISE SEÑO ÑO DE OB OBRA RAS S DE DR DREN ENAJ AJE E EN CAMINOS DE BAJO VOLUMEN DE TRANSITO

TIPO DE OBRA PUENTES Y PONTONES  ALCANTARILLAS  ALCANTAR ILLAS DE PASO  ALCANTARILLA  ALCANTAR ILLA DE ALIVIO DRENAJE DE LA PLATAFORMA

PERIODO DE RETORNO EN AÑOS   100   50  10-20  10  

3.1.1.3.-RIESGO DE OBSTRUCCIÓN. OBSTRUCCIÓN. Las condicion condiciones es de func funciona ionamien miento to de los elem elementos entos de drenaj drenaje e superfic superficial ial puede pueden n verse alterados por su obstrucción debida a cuerpos arrastrados por la corriente. Entre los elementos del drenaje superficial de la plataforma, este riesgo es especialmente importante en los sumideros sumideros y col colectores ectores enterrados enterrados,, debido ala presenci presencia a de basura o sedim sed iment entaci ación ón del materia materiall

tra transp nsport ortado ado por el ag agua. ua. Para evi evitar tarlo lo se nec necesi esita ta un

adecua ade cuado do diseño diseño,, un cie cierto rto sob sobred redime imensi nsion onami amient ento o y

un una a efi eficaz caz conserva conservaci ción ón o

mantenimiento. El riesgo de obstrucción de las obras de drenaje transversal (alcantarillas de paso y cu curs rsos os na natu tura rale les) s) fund fundam amen enta talm lmen ente te po porr ve vege geta taci ción ón arra arrast stra rada da po porr la corr corrie ient nte e dependerá da las características de los cauces y zonas inundables, y puede calificarse en las categorías siguientes:

 

•

Riesgo Alto.-Existe peligro de que la corriente arrastre árboles u objetos

de tamaño parecido. •

Riesgo Medio.-Pueden ser arrastrados cañas. arbustos. ramas y objetos

de dimensiones similares. en cantidades importantes. •

Riesgo Bajo.-No es previsible el arrastre de objetos de tamaño en cantidad

suficiente como para obstruir el desagüe. Si el riesgo es alto, deberá procurarse que las Obras de drenaje transversal no funcionen a sección llena, dejando entre el nivel superior de la superficie del agua y el techo del elemento un borde borde libre, para el nivel má máximo ximo del agua agua,, con un resguardo mín mínimo imo de 1.5 mt., manteniendo en una anchura no inferior a 12 mts. si el riesgo fuera medio, las cifras anteriores podrán podrán reducirse a la mitad. De no cumplirse estas ccondicione ondiciones, s, deberán de te tene ners rse e en cu cuen enta ta la sobr sobre e elev elevac ació ión n de dell ni nive vell de dell ag agua ua qu que e pu pued eda a ca caus usar ar un una a obstrucción, aplicando en los cálculos una reducción a la sección teórica de desagüe. También se podrá recurrir al diseño de dispositivos para retener el material flotante, ag agua uass arri arriba ba y dist distan anci cia a sufi sufici cien ente te.. Es Esto to si siem empr pre e se ga gara rant ntic ice e el mant manten enim imie ient nto o adecuado. Deberá comprobarse que la carretera no constituya un obstáculo que retenga las aguas desbordadas de un cauce o conducto de agua, y prolongue de forma apreciable la inundación después de una crecida. 3.1.1.4.-DAÑOS DEBIDO A LA ESCORRENTIA.Únicamente se consideran como daños a aquellos que no se hubieran producido sin la  presencia del camino. Es decir a las diferencias en los efectos producido producidoss por el caudal entre las situaciones correspondientes a la presencia de la carretera y de sus elementos de drenaje superficial, y a su ausencia. Estos daños pueden clasificarse en las categorías siguientes siguientes::  Los producidos en el propio elemento de drenaje o en su entorno inmediato (sedimentaciones. (sedimentacio nes. erosione erosiones. s. roturas). 

La Lass inte interr rrup upci cion ones es en el func funcio iona nami mien ento to de la prop propia ia carr carret eter era a o de vías vías contiguas, debidas a inundación de su plataforma.



Los daños a la estructura afirmada, ala plataforma del camino o a las estructuras y obras de arte.



Los daños materiales a terceros por inundació inundación n de las zonas aledañas.



Estos, a su vez, podrán consi considerarse derarse catastró catastróficos ficos o no. No dependen dependen de dell tipo de carretera ni de la circulación que esta soporte, sino de su emplazami emplazamiento. ento. 3.1.1.4.1.-DAÑOS EN ELEMENTO DE DRENAJE SU SUPERFICIAL PERFICIAL

 

Se podrá considerar que la corriente no producirá daños importantes por erosión de la superficie del cauce o conducto si su velocidad media no excede de los límites fijados en la siguiente tabla en función de la naturaleza de dicha superficie:

Velocidad máxima del agua

 Arena fina o limo limo (poca o ning ninguna una arcilla).

Máxim imaa velocida idad  admisible (m/s) 0.20-0.60 

 Arena arcillosa arcillosa dura, margas d duras. uras.

0.60-0.90 

Terreno parcialmente cubierto de vegetación.

0.60-1.20 

 Arcilla. Grava, pizarras pizarras blandas blandas con cubierta vege vegetal. tal.

1.20-1.50 

Hierva.

1.20-1.80 

Conglomerado. Conglom erado. Pizarras duras, rocas blandas.

1.40-2.40 

Mampostería, rocas duras.

3.00-4.50 

Hormigón.

4.50-6.00 

NATURALEZA DE LA SUPERFICIE 

3.1.1.5.-CALCULOS 3.1.1.5.-CALCU LOS HIDRÁULIC HIDRÁULICOS. OS. Las dimensiones de los elementos del drenaje superficial serán establecidas mediante métodos teóricos conocidos de acuerdo alas características del clima de la zona por la que pasa la carretera y tomando en cuanta la información pluviométrica disponible. El método de estimación de los caudales asociados a un periodo de retorno depende del tamañ tam año o y nat natura urale leza za de la cue cuenca nca tri tribu butar taria. ia. Po Porr su nat natura urale leza za rep repres resent entan an cas casos os especiales la presencia de lagos, embalses y zonas inundables que retengan o desvíen la escorrentía. Cuando las cuencas son pequeñas se considera apropiado el método de la formula racional para la determinación de los caudales. Se consideran cuencas pequeñas a aquellas que en el tiempo de concentración es igual o menor a 6 horas. El tiempo de concentración relacionado con la Intensidad media de precipitación se puede deducir por la formula: Tc

 =

0.3(

 L

 J 

1

3

 ) 4  4

T= Tiempo de concentraci concentración ón en horas. L= Longitud del cauce principal en Km. J= Pendiente media. Esta formula no es aplicable al flujo sobre la plataforma de la carretera dado que este flujo es difuso y lento.

 

Cuando se disponga disponga de infor información mación directa so sobre bre niveles o cualidades cualidades de lla a avenida, se recomienda comparar comparar los resultados obteni obtenidos dos del análisis con esta in información formación directa. El caudal de diseño en el que desagüe una cuenca pequeña o superficie se obtendrá mediante la formula racional: Q=CIA/3.6  Donde: Q = caudal en metros cúbicos por segundo (m3/ s) (Para cuencas pequeña) en la seccionen estudio C = El coe coefic ficien iente te de esc escorr orren entía tía.. El coe coefic ficie iente nte es sel selecc eccio ionad nado o par para a refle reflejar jar la lass características de la cuenca como como topografía, tipo de suelo, vegetació vegetación n y uso de la tierra. I = Int Intens ensida idad d de la pre precip cipita itaci ción ón plu pluvia viall máx máxima ima,, pre previs visib ible, le, cor corres respo pondi ndien ente te a una duración igual tiempo de concentración y a un periodo de retorno dado, en mm/h  A = El área de la cuenca cuenca en km2. Para el pronóstico pronóstico de los cauda caudales, les, el proced procedimie imiento nto racion racional al requi requiere ere conta contarr con la familia famil ia de curv curva a intensi intensidad-D dad-Durac uración ión –Frec –Frecuenc uencia ia (IDF).E (IDF).En n nuestro país, debi debido do a la escasa esc asa can cantid tidad ad de inform informaci ación ón pl pluvi uviomé ométri trica ca que se cue cuenta nta,, di difíc fícilm ilment ente e pu puede eden n elaborarse estas curvas. Ordinariamente solo se cuentan con lluvias máximas en 24 ho hora ras, s, por por lo qu que e el valo valorr

de la Inte Intens nsid idad ad de la Prec Precip ipititac ació ión n pl pluv uvia iall má máxi xima ma

generalmente se estima a partir de la precipitación máxima en 24 horas, multiplicada por un coe coefic ficien iente te de durac duración ión;; se mue muestr stra a en el cua cuadro dro,, se mue muestr stran an coe coefic ficie iente ntess de duración, entre una hora y 48 horas, los mismos que podrán usarse, con criterio y cautela, para el calculo calculo de la Intensidad, cuando no se dispongan dispongan de mejor información. información.

COEFICIENTES DE DURACIÓN LLUVIAS ENTRE 48 HORAS Y UNA HORA

DURACION

DE

PECIPITACION EN HORAS  1 2 3

LA COEFICIENTE  0.25

 

0.31 0.38

 

 

4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 2 24 48

0.44 0.50 0.56 0.64 0.73 0.79 0.83 0.87 0.90 0.93 0.97 1.00 1.32

   

         

El Coeficiente de C. de la Formula racional, puede determinarse con la ayuda de los valores mostrados en el siguiente cuadro: VALORES PARA LA DETERMINACIÓN DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE ESCORRENTIA

CONDICION 1.-Relieve

VALORES   del K1=40 

Terreno

K1=30 

Muy acci acciden dentado tado accidentado

K1=20 

K1=10 

ondulado

Ll Llano ano pe pendi ndient ente e

 pendiente

 pendiente entre  pendiente entre inferior al 5%

2.-Permeabilidad

superior al 30% K2=20 

10% y 30% K2=15 

del suelo

Muyy pe Mu perm rmea eabl ble e Bastante

3.-Vegetacion

5% y 10% K2=10 

K2=5 

Permeable

Muy permeable

roca sana

impermeable

K3=20 

arcilla K3=15 

K3=10 

K3=5 

Sin vegetación

Poca

Bastante

Mucha

Meno Me noss de dell 10 10% % Hasta el 50% de Hasta el 90% de

4. Ca Capa paci cida dad d de K4=20 

de la superficie K4=15 

la superficie K4=10

la superficie K4=5 

retención

Poca

Bastante

Mucha

Ninguna

COEFICIENTE DE ESCORRENTIA

K=K1+k2+K3+K4 100 75 50 30

C   0.80 0.65 0.50 0.35

       

 

25

0.20

 

Para la determinaci determinación ón del coeficiente de escorrentía también podrán tomarse como referencia, cuando sea pertinente, pertinente, los valores mostrad mostrados os en el Cuadro sigui siguiente: ente:

COEFICIENTE DE ESCORRENT ESCORRENTIA IA TIPO DE SUPERFICIE COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA Pavimento Asfáltico y concreto 0.70-0.95    Adoquiness  Adoquine 0.50-0.70  Superficie de Grava 0.15-0.30   Bosques 0.10-0.20   Zonas de vegetación densa •

0.10-0.50 

Terrenos granulares

0.30-0.75  0.20-0.60   0.20-0.40  

Terrenos arcillosos Tierra sin vegetación Zonas cultivadas •

Para Par a el C Cálc álculo ulo de de la vvel eloci ocidad dad

y de dell cau cauda dall en u un n can canal al co con n rég régime imen n hid hidráu ráulilico co

uniforme. se puede puede emplear la fórmula de Man Manning. ning.

2

1

V  =  R S 2 / n 3

Q = VA R = A /P  Donde: Q =Caudal m 3 /s V = velocidad media m/ s  A = Área de la sección sección transversal ocu ocupada pada por el agua m

2

P = Perímetro mojado m R = A/P ; Radio Hidrául Hidráulico ico S = Pendiente del fondo m/m n= Coeficiente de rugosidad de Manning (cuadro adjunto) VALORES DEL DEL COEFICIEN COEFICIENTE TE DE MANN MANNING ING

TIPO DE CANAL Tubo metálico corrugado Tubo de concreto Canal revestido en concreto alisado Canal revestido en concreto sin alisar Canal revestido albañilería de piedra Canal sin revestir en tierra o grava Canal sin revestido en roca uniformé Canal sin revestir en roca irregular

MÍNINMO 0.021 0.010 0.011 0.014 0.017 0.016 0.025 0.035

NORMAL 0.024 0.015 0.015 0.017 0.025 0.027 0.035 0.040

MÁXIMO   0.030   0.020   0.017   0.020   0.030   0.030   0.040   0.050  

 

Canal sin revestir con maleza tupida Río en planicies de cauce recto sin zonas con

0.050 0.025

0.060 0.030

0.120   0.035  

 piedras y malezas malezas Ríos sinuosos o torrentosos con piedras

0.035

0.040

0.600  

3.1.1.6.- ELEMENTOS FISICOS DEL DRENAJE SUPERFICIA SUPERFICIAL L a) DRENAJE DEL AGUA QUE ESCURRE SOBRE LA CORONA a.1 FUNCIÓN DEL BOMBEO Y DEL PERALTE.  La eliminación eliminación del agua de la su superficie perficie de la co corona rona se efectúa por me medio dio del bombeo en las las ssecciones ecciones en tangente y de dell p peralte eralte en llas as curvas, provocando el e escurrimiento scurrimiento de las aguas hacia la lass cunetas. a.2 PENDIENTE PENDIENTE LONGITUDINAL D DE E LA RASA RASANTE. NTE. De modo general la rasante será proyectada con pendien pendiente te longitudina longitudinall no menor de 0.5 %.evitándose los tramos horizontales horizontales,, con el fin de facilitar el movimiento del agua de las cunetas haci hacia a sus al aliviaderos iviaderos o alcantarill alcantarillas. as. Solamente en el ca caso so que lla a rasante de la cuneta pueda proyec proyectarse tarse con la pendi pendiente ente convenie conveniente, nte, independi independientemente entemente de la calzada se podrá admitir la horizontalidad de ésta. En caminos caminos no pa pavime vimentad ntados os debe deberán rán evi evitarse tarse e en n lo posi posible ble pen pendien dientes tes mayo mayores res al 10%.para precaver la erosión por el agua de lluvias. a.3 DESAGÚE SOBRE LOS TALUDES EN RELLENO O TERRAPLÉN  Si la plataforma plataforma de la carretera es está tá en un terraplén ó relleno y talud es ero erosionable sionable.. las aguas que escurren sobre la calzada deberán ser encausada encausadass por los dos lados de la misma en en forma qu que e el desa desagüe güe se ef efectúe ectúe e en n sitio sitioss prepa preparado radoss espe especial cialment mente e y se evite la erosión d de e los taludes.

b) CUNETAS  Las cune cunetas tas tendr tendrán án en gene general ral secc sección ión tria triangul ngular ar y sse e proy proyectar ectarán án para todo todoss los taludes talud es de corte corte.. Sus dime dimensio nsiones nes será serán n fija fijadas das de acue acuerdo rdo a las cond condicio iciones nes  pluviométricas,  pluviométrica s, siendo las di dimensiones mensiones mínimas indi indicadas cadas en el cuad cuadro ro adjunto. El ancho ancho es medi medido do desd desde e el bord borde e de la sub subrasan rasante te hasta lla a verti vertical cal que p pasa asa por el vértice inferior. inferior. La profundida profundidad d en medida verticalmen verticalmente te desde e ell nivel d del el bord borde e de la subrasante fondo fondo o vértice d de e la cuneta.

REGION

DIMENSIONES MINIMAS DE LAS CUNETAS PROFUNDIDAD(m) ANCHO  

 

Seca Lluviosa Muy lluviosa

0.20 0.30 0.50

0.50 0.75 1.00

     

 AREA HIDRAULICA HIDRAULICA DE LAS CU CUNETAS  NETAS  Para Par a cal calcul cular ar el áre área a hi hidrá drául ulica ica de las las cun cuneta etass es nec necesa esario rio tomar en cue cuenta nta la lass características del área por drenar. En la mayoría de los casos se considera suficiente utilizar una sección sección transve transversal rsal triangular con una profund profundidad idad de 33 ccm. m. un ancho d de e 1.00 m. y taludes. del lado de la corona de 3:1 y, del lado del corte, el que corresponda de acuerdo al material que se encuentre.

b.1 REVESTIMIENTO DE LAS CUNETAS. Cuando el suelo es deleznable (arenas, limos, arenas limosas. arena limo arcillosos. arcillosos. suelos francos, arcillas. etc.), y la pendiente de la cuneta es igual o mayor de 4%. Esta deberá revestirse con piedra y lechada de cemento, u otro revestimiento adecuado.

b.2 DESAGUE DE LAS CUNETAS. El desagüe del agua de las cunetas se efectúa y por medio de alcantarillas de alivio. La distancia entre alcantarill alcantarilla a y su capacidad hidráuli hidráulica ca serán establecida de manera de evitar evitar q que ue las cunetas sobrepasen su tira tirante nte previsto de agua debiendo en cuenta las precip precipitaci itaciones ones prev previstas istas de la zona y a la lass dime dimensio nsiones nes de la ccunet uneta a .En zonas zonas lluviosa lluv iosass dond donde e las cune cunetas tas sea reve revestida stidas, s, debe deberá rá colo colocarse carse como mínim mínimo o una alcantarilla de al alivio ivio cada 150 m m.. Si las cu cunetas netas n no o se revisten las má máximas ximas d distancias istancias recomendables recomendabl es entre alcantarilla alcantarillass son las qu que e se muestran en el cuad cuadro ro siguien siguiente. te. Se requiere requiere además que en los pu puntos ntos bajo bajoss del pe perfil rfil de las curva curvass vertical cóncava, deberá colocarse una a alcantarilla. lcantarilla. MÁXIMA DISTANCIA RECOMENDABLE ENTRE DOS ALCANTARILLAS(metros ALCANTARILLAS(metros)) PENDIENTE CAMINO EN %

 

DEL SUELOS NO EROSIBLES O POCO EROSINABLE EROSINABLES S

SUELOS EROSINABLES

0-3

120

75

4-6

90

50

 

7-9

75

40

 

10-12

60

35

  Suelos poco erosionables =suelo pedregoso, grava y algunas arcillas

 

 

 

Suelos erosionab erosionables les

= suelos finos, limos y arenas.

c) ALCANTAR ALCANTARILLAS.-  ILLAS.-  Estructura de Drenaje construida de piedra, concreto, madera o tubería de acero a fin de reco re coge gerr y evac evacua uarr el ag agua ua prov proven enie ient nte e de la lass prec precip ipititac acio ione ness pl pluv uvia iale less o de la lass quebradas, permite el paso del agua por debajo de la calzada del camino evitando su erosión. Las alcantarillas son estructuras de evacuación de las aguas de escorrentía superficial, localizadas transversalmente a la calzada de las carreteras. Los factores a tomar en cuenta para el diseño estructural son la carga generada por el terraplén y las cargas de tránsito generado por el tipo de vía o plataforma. El diseño hidráulico de una alcantarilla obedece a las condiciones de funcionamiento en obra; ésta puede trabajar  parcialmente  parcialmen te llena o a presión. Generalmente una alcantaril alcantarilla la se diseña para trabajar  parcialmente  parcialmen te llena y en casos ext extremos remos a presión. Cuando una alcantarilla alcantarilla trabaja a presión su cálculo se reduce a utilizar las fórmulas para el flujo de agua en tuberías a presión; cuando trabaja parcialmente llena su cálculo se reduce redu ce al flujo en canale canaless para lo cual son váli válidos dos todos los concepto conceptoss y principios principios del flujo en canales.

c.1. TIPOS DE ALCANTAR ALCANTARILLAS  ILLAS  .Alcantarillas .Alcantarill as de ttubo: ubo: De C°A°. Material corrugado o F° F°. .Alcantarillas .Alcantarill as de cajón: De C° A°. Sencillas o múltiples. .Alcantarillas .Alcantarill as de losa: De concreto armado. o

En suelos húmedos: Tipo de cajón ya que en este la carga se transmite verticalmente en direcciones bien definidas.

- En lodazales o en arenas movedizas: Metal corrugado. o el tipo de cajón con gran área de sustentación. -Suelo firme y seco: Cualquie Cualquiera ra de los tipos. -Luces de 0.60 a 1.50 m: Tipo de cajón de C°. -Luces de 1.50 a 6 m: Losas de C° A° sobre estribos de C° S° o mampostería.

c.2 ECONOMÍA: - Comparar, el costo de los distintos tipos teniendo en cuenta no sólo su costo inicial sino también su duración y conservación. conservación.

c.3 CONDICIONES DE UNA BUENA ALCANTARILLA

 

-La alcantarilla alcantarilla y las estructuras de e entrada ntrada y salid salida. a. deberán bastar pa para ra el caudal, los acarreos y los arrastres. -Deberán permitir, permitir, no normalmente, rmalmente, la condu conducción cción de dell material si sin n cambio cambioss perjudi perjudiciales ciales en la modalidad de la corriente aguas arriba o abajo de la estructura. -Deberán proyectarse de manera que futuras mejoras en la carretera, puedan efectuarse sin pérdidas o dificultades grandes. - Deberán ser de costo económico, hidráulicamente adecuadas para dar paso a la descarga proyectada, durable desde el punto de vista estructural y de conservación fácil. - Deberán proyectarse de manera que se evite cualquier embalse excesivo en la entrada que pudiera causar daño a las propiedades, acumulación de arrastres, obstrucción de la alcantarilla,, saturación de los materiales para relleno. alcantarilla o

Las estructuras para la entrada deberán proyectarse de manera que separen los materiales que no puedan pasar por la alcantarilla. reduciendo al mínimo la pérdida de capacidad en la entrada. valiéndose hasta donde sea posible de la velocidad de la corriente de entrada.

o

El proyecto de la alcantarilla y de la sección de la salida deberá ser efectivo para restablecer una corriente no erosiva tolerable en el cauce dentro de una distancia razonablemente corta aguas abajo de la alcantarilla.

- La sección da salida deberá proyectarse de manera que resista la socavación y los derrumbamientos. - Si se em empl plea ean n disi disipa pado dore ress pa para ra alca alcant ntar arililla las, s, és ésto toss de debe berá rán n ser ser senc sencilillo los, s, de construcción fácil, económicos y relativamente auto limpiantes durante los períodos de flujo libre.

c.4 DISEÑO HIDRÁULICO DE UNA ALCANTARILLA -Obtener todos los datos del sitio y trazar la sección transversal del camino en el lugar de la alcantarilla, incluyendo un perfil del canal de la corriente. -Establecer las elevaciones de las cabeceras de la alcantarilla a la entrada y a la salida, y determinar la longitud y la pendiente de la alcantarilla. -Determinar el tirante permisible permisible aguas arriba y el probable aguas abajo para una avenida de diseño. - Seleccionar tipo y dimensiones para la alcantarilla y las características de diseño de los acceso acc esorio rioss que se aju ajusta starán rán al flujo flujo de di diseñ seño o ba bajo jo la lass condic condicion iones es estab estable lecid cidas. as. -E -Exa xami mina narr la ne nece cesi sida dad d de disi disipa pado dore ress de en ener ergí gía a y. en lo loss lu luga gare ress en qu que e se sea a necesario, proporcionar proporcionar dis dispositivos positivos de p protección rotección adecuados p para ara prevenir lla a erosión destructiva del canal.

 

-Obtener todos los datos del sitio y trazar la sección transversal del camino en el lugar de la alcantarilla, incluyendo un perfil del canal de la corriente. -Establecer las elevaciones de las cabeceras de la alcantarilla a la entrada y a la salida, y determinar la longitud y la pendiente de la alcantarilla. -Determinar el tirante permisible permisible aguas arriba y el probable aguas abajo para una avenida de diseño. -Seleccionar tipo y dimensiones para la alcantarilla y las características de diseño de los accesorios que se ajustarán al flujo de diseño bajo las condiciones establecidas. -E -Exa xami mina narr la ne nece cesi sida dad d de disi disipa pado dore ress de en ener ergí gía a y. en lo loss lu luga gare ress en qu que e se sea a necesario, proporciona proporcionarr disp dispositivos ositivos d de e pro protección tección adecuados para prevenir la e erosión rosión destructiva del canal. -Tanto para alcantarillas rectangulares y circulares de debe:

2.

NTE CR CRÍT ÍTIC ICA A DETERMINAR LA LA  PENDIE PEN DIENTE

Energía específica.-   La La energía específica en la sección de un canal se define como la energía por kilogramo de agua que fluye a través de la sección medida con respecto al fondo del canal.

Si consideramos consideramos  = 1 y aplicamos la ecuación de la continuidad resulta:

Si Q es constante y A es función del tirante, la energía específica es función únicamente del tirante.

Régimen Régim en crític crítico.-  o.-   Un cana canall trab trabaj aja a en régi régime men n crít crític ico o cu cuan ando do pose posee e la energía específica mínima para un caudal dado, también cuando posee el caudal máximo para una energía específica dada.

Caudal o gasto crítico.-  Es  Es el máximo gasto para una energía específica determinada.

 

Tirante crítico.-  Es   Es la profundidad que hace que el contenido de la energía específica sea un mínimo para un determinado gasto.

Velocidad crítica.-  Es  Es la velocidad media cuando el gasto es el crítico.

Es la pendiente por la que circula un gasto con régimen uniforme y Pendiente crítica.-   Es  permanente a la profundidad profundidad críti crítica. ca.

Régimen subcrítico.-   Es un régimen lento, tranquilo, fluvial. Se produce cuando los tirantes son mayores que los críticos, las velocidades menores que las críticas y los números de Froude menor que 1.  Pendiente subcrítica.-   Se produce cuando la pendiente del canal es menor a la  pendiente crítica. crítica.

Régimen Régim en super supercríti crítico.-  co.-   Es un rég régim imen en tor torren rencia cial,l, ráp rápid ido. o. Se pro produc duce e cua cuando ndo las velocidades son mayores que las críticas, los tirantes son menores que los críticos y los números de Froude mayor que 1.

Pendiente supercrítica.-  Se   Se produce cuando la pendiente del canal es mayor que la  pendiente crítica. crítica.

Pendiente del lecho.-  Es  Es la pendiente que tiene el fondo del canal donde se colocará la alcantarilla.

 Azolve y erosión.- El azolve puede provocar el taponamiento en la alcantarilla; debido al arrastre del material que trae consigo la corriente, se genera estancamiento y acumulación; para evitar este tipo de problemas se le debe asignar a la alcantarilla una  pendiente  pendien te adecuada a las condiciones de azolve existentes. La pendiente que se optó en el Proyecto de Riego Zapotillo fue del 2 al 4 %, que generalmente es la del cauce natural. La erosión es un hecho que se presenta con frecuencia en corrientes naturales y que afecta duramente a las diversas estructuras ubicadas sobre ellas. La magnitud de este fenómeno puede ser tal que produzca el colapso total de la estructura al quedar esta sin base de sustentación. Para este efecto se ha tomado como prevención, la construcción de obras de protección a la en entr trad ada a y sa salilida da de la alca alcant ntar arililla la;; dich dichas as es estr truc uctu tura rass se la lass co cono noce ce como como

 

dentellones, los cuales son de hormigón armado; estos se encuentran cimentados en suelo firme para de esta manera contrarrestar los esfuerzos provocados por la erosión. Como complemento a la estabilidad y protección del dentellón y la alcantarilla misma, están proyectados los muros de ala. y las losetas entre muros, a la entrada y salida de la obra.

3. Dise Diseño ño hid hidráulic ráulico oyd dimens imensionam ionamiento iento de se seccion cciones es  Al realizar el diseño de una alcantarill alcantarilla, a, generalme generalmente nte son datos el caudal Q que se desea conducir y la gradiente (o pendiente) de que se dispone, la misma que puede variar dentro de ciertos límites. También se conoce el coeficiente de rugosidad n el mismo que depende del tipo de revestimiento que se escoja. El área mojada se calcula en función de la velocidad aceptable de la alcantarilla, la cual generalmente generalmen te varía entre 0.70 m/s y 2 m/s. para evitar la sedimentació sedimentación n y la erosión. La sección óptima, hidráulicamente hablando, es aquella que con una superficie mojada mínima conduzca el caudal máximo. La sección que tiene las mejores características hidráulicas es la semicircular pero es relativam rela tivamente ente difícil de construi construirr y care carece ce de estab estabilid ilidad. ad. Por este motivo la forma de la sección más usada en canales es la Trapezoidal . Para las alcantarillas se adoptado la forma rectangular, que es la que presta las mejo mejores res ventajas de estabil estabilidad idad y conducción del caudal. El funcionamiento hidráulico de una alcantarilla puede corresponder a un canal, tubería, orificio o como flujo bajo compuerta. El tránsito de la escorrentía puede ser a presión o libre. El flujo subcrítico, crítico o supercrítico con régimen uniforme o variado. Según las condicione hidráulicas de salida puede ser con salida libre, cuando el tirante hidráulico inmediatamente aguas debajo de la alcantarilla es inferior al crítico correspondiente al caudal de diseño; si la pendiente del conducto es igual o mayor que la crítica la alca alcant ntar arililla la fu func ncio iona na co con n cont contro roll de en entr trad ada. a. Pa Para ra ac acla lara rarr má máss es esto toss co conc ncep epto toss realizaremos una descripción más detallada del funcionamiento de las alcantarillas de cajón caj ón sie siend ndo o vál válida idass tam tambié bién n pa para ra las alc alcan antar tarilillas las circul circulare aress sie siempr mpre e y cua cuando ndo se consideren sus factores geométricos. Los casos más comunes son con entrada libre y con entrada sumergida.

d.1. Alcantarillas con entrada libre

 

Este tipo de alcantarillas se emplea cuando la losa superior superior de esta, forma parte de la vía y para evitar que el agua perjudiqu perjudique e el terraplén. Una alcantarilla trabaja con entrada libre cuando la altura aguas arriba (H) es menor que 1.5D (se utiliza 1.2D de acuerdo al MOP). Si la entrada no queda sumergida la salida tampoco lo estará. o sea la entrada y salida serán libres. Bajo estas condiciones se presentan tres casos:

Caso 1 Se produce cuando la pendiente de la alcantarilla es menor que la crítica, en el cual el tirante tiran te normal (dn) es mayor que el tirante crítico crítico (dc), el mism mismo o que se prod producir ucirá á a la salida de la alcantarilla. Además cuando la profundidad de circulación aguas abajo (Hs) es menor que el tirante crítico (dc) en el conducto de la alcantarilla. Cuand Cu ando o el ag agua ua pa pasa sa a la sal salid ida a de la al alcan cantar tarililla la por la profu profund ndida idad d crític crítica a (dc (dc). ). Desciende su nivel aguas abajo hasta alcanzar la altura (Hs).

 Alcantarillas. Caso1: dn>dc. sadc.  c.5 Diseño de alcantarillas circulares metálicas Los conductos de acero corrugado, reconocidos desde hace mucho tiempo por su gran resistencia estructural bajo las cargas más pesadas, son el resultado de una compleja interacción entre el suelo de relleno que rodea al conducto, y el conducto propiamente dicho; es decir el suelo y el acero interactúan para soportar las cargas de servicio. La estructura subterránea subterránea ideal sería aquella que permita que las cargas de servicio sean en su  totalidad absorbidas por el relleno que las rodea y las cubre; en este sentido, las estructuras de acero corrugado se aproximan a esta condición ideal; Como ejemplo: se ha han n vi vist sto o ca caso soss en lo loss qu que e lo loss reve revest stim imie ient ntos os de ac acer ero o se ha han n de dest stru ruid ido o to tota tall o  parcialmente  parcialmen te por el tiempo y otros factores, pero el relleno sigue funcionan funcionando do y mantiene su forma.

c.5.1 CARGAS SOBRE ESTRUCTURAS ENTERRADAS Las estructuras enterradas, están sometidas a 2 principal principales es tipos de carga que son:

Cargas muertas;  causadas por el relleno, más las cargas de superficie uniformes o  puntuales.

Cargas vivas; incluidos impactos y cargas en movimiento. Las cargas vivas vivas a tomarse en cuen cuenta ta para el diseño diseño de estructuras en enterradas, terradas, son en la práctica el tránsito vial o fe ferroviario; rroviario; apa aparte rte de estas, otros tipos de carga viva resu resulta lta insignificante en la mayoría de los casos. Las cargas muertas vienen dadas por el efecto del relleno que que rodea y cubre la estructura, es decir están e en n función del peso del suelo y la altura de relleno; estos efectos del relleno se analizarán con detalle en el numeral de diseño de estructuras circulares metálicas metálicas..

c.5.2 CHEQUEO DE LOS DIÁMETROS

 

Los diámetros obtenidos mediante el diseño hidráulico, deberán ser comparados con los diámetros de tubería corrugada existentes. Existen además, valores estimados de altura máxima de la cobertura para tubería de acero corrugado; A continuación se presenta una tabla que contiene los diámetros comerciales que pueden satisfacer las necesidades de las obras en este estudio, así como las alturas de relleno máximas, según el diámetro y el espesor de las tuberías : 

Tabla.: Límites para altura de cobertura para tuberías corrugadas

De la tabla anterior se adoptarán los valores de 1.067 y 1.524 m de diámetro comercial. Los espesores adoptados adoptados deben ve verificarse rificarse mediante mediante tanteo, y es posible ad adoptar optar otras co corr rrug ugac acio ione ness de depe pend ndie iend ndo o de los los diám diámet etro ross y ot otro ross lilimi mita tant ntes es qu que e se es estu tudi dian an  posteriormente. Se observa además que las alturas máximas de relleno son muy superiores a la máxima máxima adoptad adoptada a en este estudio, que es de 11m.

c.6.0 DISEÑO DE LAS ALCANTARILLAS METÁLICAS

 

El proceso de diseño estructural consiste en los pasos siguientes: • •

Determinación Determinaci ón de la densidad del relleno.  Aplicación del coeficiente de carga a la carga total para establecer la presión que actuará sobre el acero.

•

Determinación del esfuerzo de compresión aceptable para el diámetro de la tubería. la corrugación y la densidad del suelo.

•

Calculo de la compresión en la pared de la tubería.

•

Determinación Determinaci ón del espesor necesario.

•

Verificación de la rigidez mínima para el manipuleo manipuleo..

•

Verificación de las exigencias de la costura empernada (si correspond corresponde). e). 

c.6.1 DENSIDAD DEL MATERIAL PARA RELLENO Para determinar una densidad de relleno promedio acertada, los autores pondrán a consi con sider deraci ación ón una una mu muest estra ra de res resul ultad tados os de ens ensay ayos os de densid densidad ad rea realiz lizada ada por el Laboratorio de Control de Calidad. El valor de porcentaje de compactación obtenido de los resultado resultadoss en el Cuad Cuadro ro sigui siguiente ente,, corr correspo esponde nde al 95.58 95.58%. %. que para efec efectos tos de diseño tomaremos como 95%.

Cuadro.: Resumen de resultados-control de rellenos. Relleno 1C 3+628 

Nota: Los puntos marcados fueron Re- Compactado Compactados. s.

 

c.6.2 PRESIÓN PARA EL DISEÑO En los casos analizados analizados por los au autores, tores, se cumple sie siempre mpre que la altura de relleno es mayor al diámetro de la tubería, para determinar el porcentaje de la carga total que actuará sobre el acero; en este caso para un valor de compactación especificada especificada de 95% corresponde K=0.67. K=0.67. Este coeficie coeficiente nte de carga, se aplica a al carga total para o obtener btener la  presión de diseño diseño P.

Donde P es la presión de diseño, k el coeficiente coeficiente de carga. Cm la carga muerta y CV la carga viva.

c.6.3 COMPRESIÓN ANULAR El empuje compresivo sobre la pared del conducto, es igual a la presión radial que actúa sobre la pared, multiplicada multiplicada por el radio de la tubería, o: C = P*R. Este empuje llamado compresión anular. anular. es la fuerza que actuará sobre el acero. La compresión anular anular es una carga axial que actúa en forma tangencial a la pared del conducto.

c.6.4 ESFUERZO DE PARED ADMISIBLE   La compresión máxima en las paredes de la tubería, se expresan en las siguientes ecuaciones:

 

Siendo D = diámetro (circular) o luz (abovedada o arco). en cm; y r = radio de giro. La primera de estas ecuaciones (1). da el límite de fluencia mínimo especificado para el acero que representa la zona de aplastamiento de la pared, o de deformación. La ecuación (2) corresponde a la zona de interacción de la deformación o de pandeo; La tercera se refiere a la zona de pandeo del anillo. Para obtener el esfuerzo admisible se aplica un coeficiente de seguridad de dos:

c.6.5 ESPESOR DE PARED 

El área de pared necesaria A. se calcula en base a la compresión calculada en la pared de la tubería C y el esfuerzo admisible fd.

En la tabla A. se elige el espesor de pared que proporciona el área necesaria con la misma corrugación empleada para determinar el esfuerzo admisible. Tabla B.: Momentos de inercia y sección transversal de las chapas y planchas de acero corrugado para conductos subterráneos

 

c.6.6 VERIFICACIÓN DE LA RIGIDEZ PARA EL MANIPULEO En base a la experiencia, se han formulado exigencias mínimas de rigidez para la tubería  para el manipule manipuleo o práctico y la instalación sin que hagan falta cuidados especiales ni refuer ref uerzos zos.. Un coe coefic ficien iente te de flexi flexibil bilida idad d res result ultant ante, e, CF. lilimit mita a el tam tamañ año o de cad cada a combinación combinació n de corrugación y espesor de metal.

Siendo: E. módulo de elasticidad (2.11x10E6 kg/cm²); D el diámetro o luz; I el momento de inercia en cm4/cm. Entonces, Entonces, los máximos valore valoress de CF recomendados son: •

CF = 0.242 cm/kg para tubería armada en planta con costuras remachadas. soldadas o helicoidales; en diámetros de 305 cm nominale nominaless (120 in) o menos.

•

CF = 0.112 cm/kg para tubería armada en obra. con costuras empernadas en todos los diámetros mayores a 305 cm nominales. 

c.6.7 VERIFICACIÓN DE LAS COSTURAS EMPERNADAS Las costuras empernadas en obra. son evaluadas en base a los valores de ensayos para columnas sin curvar y sin apoyo. Estas costuras empernadas (normales en el caso de chapas estructurales) deben presentar una resistencia para ensayo del doble de la carga de diseño para la pared de la tubería. La siguiente tabla, presenta los valores admisibles  para el diseño diseño de juntas empern empernadas: adas:

 

Tabla: Datos para el diseño de costuras empernad empernadas as

CAPÍTULO IV I CAPÍTULO APLICACIÓN EN DEL ANTECEDENTES CARRETERAS

 

PROYECTO

CAPITULO IV. VESINAL

APLICACIÓN EN UNA CARRETERA TIPO CAMINO

OBRA: MEJORAMIENTO DEL CAMINO VECINAL “MALVINAS – SANTA FE – NUEVA ESPERANZA 4.1.- CLASIFICACIÒN DE LA RED VIAL.- De acuerdo al Manual de Diseño Geométrico de carreteras DGC-2001. SEGÚN SU FUNCIÓN

:

Red Vial: inter Distrital  

SEGÚN LA DEMANDA

:

Caminos Vecinales

SECTOR 

 

:

Transporte

 

CONDICIONES OROGRAFICAS

:

Carretera Tipo 4

VELOCIDAD DIRECTRIZ

:

40 Km./hora

SUPERFICIE DE RODADURA

:

4.00 mts.

PENDIENTE MÁXIMA

:

10.00%.

4.2.-ASPECTOS GENERALES  UBICACIÓN: El proyecto en mención tiene la siguiente ubicación: LUGAR

:

Malvinas – Santa fe - Nueva Esperanza

DISTRITO

:

Kimbiri  

PROVINCIA

:

La Convención

DEPARTAMENTO

:

CUSCO

 

REGION GEOGRAFICA

 

ALTITUD

@ 960 msnm  

:

SELVA

:  630 msnm

COORDENADAS UTM

:

645300.0000  E 8596100.0000 N

 

 LÍMITES Y LINDEROS.- Los puntos extremos del trazo se ubican de la siguiente manera: INICIO

:

Centro Poblado de Malvinas

FINAL

:

Comunidad de Nueva Esperanza

METODOLOGIA DEL ESTUDIO. La metodología metodología que se ha tenid tenido o que seguir para p poder oder lograr re resultados sultados satisfacto satisfactorios rios comprende: El trabajo de campo, donde se puede tomar los datos necesarios así como establecer los criterios para el diseño. El tr trab abaj ajo o de ga gabi bine nete te,, do dond nde e se proc proces esan an lo loss da dato toss to toma mado doss en ca camp mpo o y se co comp mple leme ment nta a co con n info inform rmac ació ión n prop propor orci cion onad ada a po porr en entitida dade dess qu que e mane maneja jan n da dato toss

 

hidrol hid rológi ógicos cos (SE (SENA NAMHI MHI.. IGN IGN), ), lue luego go se pro proced cede e al di dimen mensi siona onamie miento nto y di diseñ seño o en concordancia concordanci a con los criterios de campo.

JUSTIFICACION  En general, los proyectos de drenaje de carreteras tienen la particularidad de poseer  pequeñas áreas colectoras y por tanto pequeños tiempos de concentració concentración. n. Esta característica determina que la información hidrológica adecuada esté constituida por análisis de tormentas sobre bandas provenientes de pluviógrafos registradores ubicados en la zona del proyecto o zonas aledañas. Siendo el drenaje el sistema de protección contra efectos destructivos del agua, es imprescindible que los sistemas viales, en zonas montañosas de alta pluviosidad, tengan una concepción estratégica que a la par de garantizar la vida económica del proyecto minimicen los efectos de impacto ambiental negativo.

CLIMATOLOGIA. Las car caract acterí erístic sticas as cli climat matoló ológic gicas as que se des descri criben ben son com compat patib ibles les con el aná análilisis sis regional regio nal de variab variables les de clima de la zona. Se presenta pro promedi medios os de las caracterí características sticas climatológicas de la zona del proyecto.

Módulo pluviométrico. El módulo pluviométrico anual promedio, en la zona de estudio, es aproximadamente 850mm. presentándose fuertes precipitaciones para períodos medios de concentración. Frecuentem Frecu entemente, ente, para un mis mismo mo año, las lámi láminas nas de preci precipitac pitación ión no tiene tienen n marcada variación variac ión.. Sin emb embarg argo, o, las tor tormen mentas tas de may mayore oress lám lámina inass no sie siempr mpre e gen genera eran n las mayores intensidades, presentando estas últimas una marcada variabilidad en el tiempo y en el espacio; por ello es necesario realizar realizar un minucioso análisis análisis de las tormentas críticas en materia de intensidades puesto que estas últimas están íntimamente relacionadas con los grandes volúmenes de escorrentía directa, los que deben deben ser evacuados rápidamente a través de los sistemas de drenaje superficial.

Temperatura. Los promedios mensuales se mantienen casi estacionarios durante el año y de un año a otro.. con una desvi otro desviaci ación ón típica típica qu que e pue puede de con consid sidera erarse rse pe peque queña. ña. Se est estima ima que la temperatura promedio anual en la zona del proyecto es del orden de 22.4 ºC con una

 

desviación típica media de 20.5°C, alcanzando promedios máximos y mínimos extremos de 42°C y 14°C. Respectivamente.

Humedad Relativa. La humedad humedad relativa, se estima que está comprend comprendida ida entre el 80% y 90%. Para la zona zona.. Correspondiendo los mayores valores al period periodo o húmedo (Enero - Abril) y los men menores ores al  periodo  perio do de estia estiaje je (Ma (Mayo yo - A Agosto gosto). ).

Climatología específica. La inform informaci ación ón apr apropi opiada ada par para a este tipo de est estudi udio o est está á con consti stitui tuida da por int intens ensida idades des máximas de precipitación. Sin embargo, esta información registrada en Pluviógrafos es muy escasa, debiéndose utilizar metodologías metodologías adecuadas que permitan la transposición de inform informaci ación ón de desde sde lo local calida idade dess cli climat matoló ológi gicam cament ente e sim simila ilares res o pró próxim ximas as a la zon zona a de estu estudi dio, o, pa part rtie iend ndo o de va vari riab able less regi region onal ales es de ma mayo yorr in inci cide denc ncia ia y de pa pará ráme metro tross hidrológicos adimensionales más representativos. La generación de información tiene tiene sustento en la similitud climatológica y geográfica y en la cantidad de agua precipitable que depende del punto de rocío. el que a su vez depende de la altitud sobre el nivel del mar y de la temperatura. De acuerdo con los valores  promedio  prome dio de tempe temperatur ratura a y altitu altitud d se dedu deduce ce el facto factorr de ajus ajuste te por canti cantidad dad de agua  precipitab  preci pitable, le, pa para ra la zona del p proyec royecto. to.

4.3 DISEÑO HIDROLOGICO La Hidrología Hidrología trata sobr sobre e el origen, distri distribuci bución ón y propieda propiedad d de de las aguas terre terrestres stres.. Desde el punto de vista del ingeniero vial, en un estudio de drenajes nos interesa la  precipitac  preci pitación ión y el escu escurrimi rrimiento ento de las agua aguass por enci encima ma o por deba debajo jo de la supe superficie rficie terrestre.  Con relación a la cantidad y tipo de precipitación, se debe tener en cuenta la cantidad del agua que cae cae al año, el tama tamaño ño del áre área a por drena drenar, r, la pendie pendiente nte de la cuen cuenca ca ya que el ag agua ua se co conc ncen entr trar ará á más más rápi rápida dame ment nte e a me medi dida da qu que e la pe pend ndie ient nte e es ma mayo yor, r, la  permeabil  perme abilidad idad de los suel suelos os y rocas rocas,, si es alta, el escur escurrimie rimiento nto es meno menor, r, si es baja el escurrimiento será mayor. Si se cono conocen cen con una razona razonable ble aproxim aproximació ación n las magnitu magnitudes des de las crecien crecientes tes que se van ha presentar durante la vida útil de un proyecto, sus estructuras se pueden diseñar técnic téc nica a y eco económ nómica icamen mente te con una gran con confia fianza nza para sopo soporta rtarr lo loss efe efecto ctoss que se  producen  produ cen so sobre bre lla a estr estructura uctura cuan cuando do pa pasan san llas as cre crecien cientes tes ext extraord raordinar inarias. ias.

 

4.3.1 AREA DE LA CUENCA DE ESTUDIO. Como ya definimos en el capitulo anterior se tendrá en cuenta una serie de parámetros  para el el are areado ado d de e la ccuenc uenca, a, aho ahora ra de definir finiremos emos nuestra nuestrass cue cuencas: ncas:

N  PROGRESIVA

DENOMINACIO    ARE 

° 

N DE CUENCA

1 2 3 4

0+000 @ 2+535 2+535 @ 5+546 5+546@ 7+000 7+000 @ 9+500

SC-1 SC-2 SC-3 SC-4

DIFERENCI 

LONGITUD

S

 A EN

 A DE

DE

 pendient   pendie nt 

KM2 

ELEVACION 

RECORRRID

e En %

500 800 700 800

O (m) 1800 2000 1700 2100

27 30 25 40

3.85 0.51 1.84 2.53

4.3.2 CALCULO DE LOS TIEMPOS DE CONCENTRACION Tc

 =

0.3(

 L

 J 

3

 ) 4  1 4

T= Tiempo de concentraci concentración ón en horas. L= Longitud del cauce principal en Km. J= Pendiente media.

CUENCA SC-1 SC-2  SC-3 SC-4

L 1800 2000 1700 2100

J 27 30 25 40

       

TC en horas 0.7448  0.7903 0.72392  0.7767 

4.3.3 CALCULO DE LOS COEFICIENTES DE ESCORRENTIA TIPO DE SUPERFICIE Pavimento Asfáltico y concreto  Adoquiness  Adoquine Superficie de Grava Bosques Zonas de vegetación densa •

Terrenos granulares

COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA 0.70-0.95   0.50-0.70  0.15-0.30   0.10-0.20   0.10-0.50 

Terrenos arcillosos Tierra sin vegetación

0.30-0.75  0.20-0.60  

Zonas cultivadas

0.20-0.40  

•

       

 

 Para nuestro caso consideraremos consideraremos que C C=0.75 =0.75 Terreno Arcilloso.

4.3.4 CALCULO DE CURVAS I-D-F USANDO EL METODO IILA Debido Debi do a la falta de regi registro stross pluvio pluviográfi gráficos cos en nuestra cuenca cuenca de estudio estudio,, que nos  permita contar con datos reales de las intensidad intensidades es y de las precipitacio precipitaciones nes de diseño  para diferentes periodos de retorno y duraciones duraciones de las tormentas, se tuvo que recurrir al calculo calc ulo de las precip precipitaci itaciones ones e intensi intensidade dadess utiliza utilizando ndo la

ecua ecuación ción reg regiona ional,l, de la

formula IILA Modificada El estudio muestra la siguiente ecuación regional para duraciones comprendidas entre 3 y 24 horas. :

Fórmula IILA Modificada  A principios de los años 1980 el Instituto Ítalo-Latinoam Ítalo-Latinoamericano ericano (IILA), el SENAMHI y la UNI desarrollaron curvas I-D-f para diferentes regiones del Perú Fórmula IILA Modificada (2) t < 3 hr. 2

La fórm fórmul ula a titiene la fo form rma a:

3

i (t.T) = a. (1 + K log T) (t + b)

4

Donde:

5

i = inte intens nsid idad ad de la lllluv uvia ia (m (mm/ m/hr hr))

6

a=p par arám áme etro tro d de e int inten ensi sida dad d ((mm mm))

7

K = pa pará ráme metr tro od de e ffre recu cuen enci cia. a.

8

b = parámetro (hora)

9

n = pa pará ráme metr tro od de ed du urac ración

n-1

10 t = du dura raci ción ón (hor (hora) a) 11 T = per perio iodo do de reto retorn rno o n 12 a = (1 / t  )   g  g  •

n a = (1 / t g   )  g 

•

P 24 = Máxima Precipitación en 24 horas.

•

T = periodo de retorno.

•

t g  = duración de la lluvia diari diaria. a. Se asume = 15.2 pa para ra el Perú.

•

K = K´ g .

•

Valores de b:

 

13   

 – 

0.5 hr (Costa. Centro y Sur).

 – 

0.4 hr (Sierra)

 – 

0.2 horas (Costa Norte y Selva)

g  = Parámetro para determinar P 24

La cuenca en estudio se encuentra en la región hidrológica 123 8 . Cuyas características  paramètricas de regresión regresión son: a = 14. 14. K’g= 0.55 0.553. 3. n = 0.232. b= 0.4. Tg=15.2 y Eg=2 Eg=26.6  6.6 

Regiones Pluviométricas del IILA

 

AREA DE ESTUDIO KIMBIRI

FORMULA IILLA MODIFICADA • 

i (t.T) = a. (1 + K log T) (t + b) n-1

 

a = 14. 14. K’g= 0.553 0.553.. n = 00.232. .232. b= 0.4. 0.4. Tg=15.2 y Eg=26.6 

k=

14 0.553

T=

2

5

10

15

20 0.74480 

25

t=

0.16

0.33333

0.5

0.666667  

7

0.790282  

a=

Cuencas

Duración

en

en

Estudio

minutos

 

b= n=

0.4 0.232 

sierra

50  año 0.72392  4

hora

INTENSIDAD ACUMULADA (mm/h) Tr=2

Tr=5

Tr=15

10.00 10

años 25.26

años 30.03

      SC-1

20 2 0.00 30.00 30 40.00 40 44.69

20.72 17.71 15.54 14.72

24.63 21.05 18.47 17.50

27.59 23.57 20.69 19.60

29.32 25.05 21.99 20.83

30.55 26.10 22.91 21.70

31.50 26.91 23.62 22.37

34.46 29.44 25.84 24.47

SC-2 SC-3

47.42 43.44

14.29 14.93

16.98 17.75

19.02 19.88

20.21 21.12

21.06 22.01

21.71 22.69

23.75 24.82

SC-4  

46.60 50.00 50

14.41 13.90

17.13 16.52

19.19 18.51

20.39 19.67

21.24 20.49

21.91 21.13

23.96 23.11

Tr=10años años 33.63 35.74

Tr=20

Tr=25 Tr=50

años 37.24

años años 38.40 42.00

4.3.5 CAUDALES DE D DISEÑO ISEÑO POR EL METODO METODO R RACIONAL ACIONAL Intensidad Cuencas

Duración en

en Estudio

minutos

Acumulada(mm/h)Tr 

C coeficiente coeficiente AREA km2

=50 años

de escorrentía

CAUDAL m3/s

SC-1 SC-2

44.69 47.42

24.47 23.75

3.85 0.51

0.60 0.60

15.70 2.02

SC-3

43.44

24.82

1.84

0.60

7.61

SC-4

46.60

23.96

2.53

0.60

10.10

4.4 DISEÑO HIDRAULICO HIDRAULICO 4.4.1 Alcantarillas Para efectos didácticos del curso se ha previsto el Diseño de una alcantarilla circular que a co cont ntin inua uaci ción ón de deta tallllam amos os.. Se Segú gún n los los cr crititer erio ioss an ante tess de desc scri rito toss ha hallllar arem emos os la lass dimensiones dimension es de una alcantarilla circular:

4.4.1.1

Determinar la  la  pendiente pendiente cr crít ític icaa

   

Con los datos estab establecidos: lecidos: Ca Caudal udal de diseño Q = 15.70 m m3/s; 3/s; coeficiente de rugosidad del Acero corrugado n = 0. 024;  Asumimos un valor del Diámetro D = 2.5 MTS con la ayuda del Programa Hcanales Hcanales hallaremos el régimen Hidráulico Hidráulico en la que se encuentra la alcantarilla.

 

  n * Q  2   S  =  2 / 3     A * R  

Sc = 0.02

4.4.1.2 Condición de Trabajo Comparando la pendiente pendiente crítica = 0.02 y la pendiente de construcción = 0.025 (2.5%). se concluye: que el régimen será supercrítico y la alcantarilla será con entrada libre 1

2

He

Sa > Sc hc

z1

d1

4h c

z2

 

θ

Plano de Referencia

FLUJO EN LA ALCANTARILLA ALCANTARILLA

 

Dimensionamiento de sección Circular  Luego de establecer establecer el tipo de flujo. el dimensionamiento dimensionamiento se realiza al encon encontrar trar una altura H 

H >= 1.20 He Donde He es la altura de remanso a producirse agua aguass arriba de la entrada a una distancia impuesta d1. Por recomendaciones se adopta d1 = 2m. El diseño de las alcantarillas en el proyecto se someterá estrictamente a las condiciones condiciones de entrada y salida no sumergidas Para encontrar He. se debe calcular la pérdida entre las secciones 1 y 2 (h1-2) y la velocidad a la entrada V1: h1− 2

=

S  a* (  d 1 + 1.4 * d c)

Sa = 0.025.

h1

  Q = 15.7 m³/s

 He  He

 

2

−

=

d1 = 2 m.

dc = 1.8184 m = hc

0.1136

T = 2.0 m

= dc + V c ² + h1−  2 − V 1² 2 g 

2 g 

Remplazando Remplazan do el V1 en la ecuación anterior tenemos

 H

3 − e

� Vc ² � 2 � Q2 � �hc + 2 g + h1−2 �H e + �2 gT 2 �= 0 � � � �

Remplazando los datos tenemos  He 3

−

  He 2 2.790

+

3.1408

=

0

He =2.025 m

Obtenido He. deberá adoptarse una altura que satisfaga la condición: H >=1.2He Se impone entonces   H = 2.43 m

 

 

Esta altura H. cumple además con otra condición. según la cual:   H>= hc/0.8 

 Así: 1.2He = 2.43

 

H = 2.43 > 2.273 = hc/0.8 

Concluimos que el diseño asumido asumido del diámetro de la alcantarilla es la correcta debido a que cumple a la altura requerida en el diseño

4.4.2. DISEÑO ESTRUCTURAL  A) Alcantarilla metálica metálica de sección circular  Datos:

Caud Ca udal al de SUB CUENCA SC-1

PROGRESIV  diseño  A Q(m3/s) 02+000 15.7

Diámetro D (m) 2.591

Peso

 Altura de

Especifico relleno (Kg/m3) H(m) 1922 0.7

Cargaa Viva Carg H20  

Se ha determinado el diámetro de 2.591 mts según diámetros comerciales presentados en el Manual de Productos de Acero para Drenaje y Construcción Vial. El Pe Peso so Es Espe pecí cífifico co ha si sido do de dete term rmin inad ado o po porr la si sigu guie ient nte e Tabl Tabla a de dell Li Libr bro o an ante tess mencionado:

   

Problema: 

Determinar

el

espesor

de

pared

y

tipo

de

corrugación

Considerando inicialmente:  Co Corr rrug ugac ació ión n de 76.2 x 25 25.4 .4 mm y es espe peso sorr de 3. 3.50 505 5 m(espesores especificados en Tablas)

1. Densidad de compactación necesaria para el relleno: 95%(Recomendaciones del manual)

2. Presión para el diseño: P = CM + CV Donde: CM = H x p = 0.70x1922 = 1345.4Kg/m2   TABLA CARGAS VIVAS CARRETER CARRETERA A CARGA CARRETERA H 20 

INTERPOLAR 

 Altura de la Cobertura. Cobertura. en m

Carga Kgs por m m2  2 

0.3

8788

 

0.6

4395

 

0.9

2929

1.2

1953

1.5

1221

1.8

976

2.1

854

2.4

488

 

 

CV= 3906.33 Kg/m2 .(según Tabla adjunto)   P = 5251.73 Kg/m Kg/m2  2 . 3. Compresión Anular: C=P*D/2 = (5251.73*2.59 (5251.73*2.591/2)=6803.62 1/2)=6803.62 Kg/m

4. Esfuerzo admisible para la pared: fc=fb/2 

 

Utilizándose Utilizándos e entonces fb=2320 Kg/cm2 Luego: fc=1160 Kg/cm2 .

5. Espesor de pared: A=C/fc= 6803.62/1160=5.8652 cm2   /m 5.3

Verificación Verificaci ón de la rigi rigidez dez para el mani manipuleo: puleo: CF=D2   /EI 

CF = 0.242 cm/kg para tubería armada en planta D305 cm. E = 2.11 x 106 Kg/cm2módulo de Elasticidad. I = 0.33081 cm4/cm (De Tablas del manual) CF = 0.09618 < 0.112. 0.112. la corrugaci corrugación ón elegida es cor correcta. recta.

     

8.Verificación de las costuras empernadas: De ac acue uerd rdo o a tabl tablas as la resi resist sten enci cia a admisible para las costuras en chapas de 3.505 mm es de 47472 Kg/m. mayor que C=6803.62

Kg/m;

por

lo

tanto

es

ACEPTABLE.

Respuesta: Un espesor de 3.505 m es adecuado para corrugaciones de 76.2 x 25.4 mm.

Longitud = 76.2 mm (3 pulg)

Profundidad = 25.4 mm (1 pulg)

LT

14.3 mm (9/16 pulg)

Corrugaciones Anulares de 76.2 x 25.4 mm (3 x 1 pulg) Radio de curvatura: 14.3 mm (9/16 pulg)

4.4.2  CUNETAS  CRITERIO DE DISEÑO DE SECCIÓN HIDRÁULIC HIDRÁULICA A DE CUNETAS  En el Tra Tramo mo Marca Marcass Asa Asahu huasi asi el reli relieve eve del terr terreno eno es acc accid ident entado ado con ascenso ascenso cont contin inuo uo hast hasta a Cc Ccoc ocha hacc cc y de desc scen enso so a pa part rtir ir de al allílí.. si sien endo do la lass co cond ndic icio ione ness geomorfológicas geomorfológi cas muy simila similares res a lo largo del tra tramo. mo. Por lo tanto para ve verificar rificar la secció sección n hidráulica de las cunetas. dentro de las condiciones típicas existentes se ha tomado valores muy conservadores en cuanto a longitud de captación y pendiente; así. el intervalo promedio entre alcantarillas es 192 m. sin embargo se ha asumido un valor conservador de 350m. con un ancho de franja de 140m que da buen margen de seguridad. de modo que el caudal que discurrirá por el tramo de cuneta. será el que

 

corresponda al escurrimiento superficial del área de la franja considerada . siendo el cálculo como sigue. El área de escurrimien escurrimiento to con los valores precedentes será:  A = 400 m x 140 m  A = 56.000 m2 (5.6 Ha)  Aplicamos la Ecuación de Intensidad obtenido de la distribución de precipitacion precipitaciones es en 24 horass en base al método de IILA hemo hora hemoss obtenid obtenido o para un peri periodo odo de Retorno de 50 años: I=24.82 mm/h para la SUB CUENCA-3 Para el Tiempo de Concentraci Concentración ón aplicamos : Tc

 =

0.3(

 L

 J 

1

3

 ) 4 

en la cual:

4

Tc =

tiempo de concentración en hs

L =

longitud del tramo por drenar o del cauce principal en Km

n =

factor de rugosidad  

S =

pendiente en m/m

Para L=0.4

n=0.2

S=0.07 (7% p. max). tenemos : Tc = 0.248 hr hr  

El caudal pico llega a las est estructuras ructuras después de (Tc x 60 60)) minutos de iniciad iniciada a la lluvia. con lo cual para los valores encontrados se tiene lo siguiente: Para el cálculo del caudal aplicamos la Fórmula Racional Q= CIAI3.6

Para los valores

C= 0.6 (según análisis en Hidrología)

 A= 0.056 Km2

I=24.82

Q=0.83 m3/s

La Velocidad y Descarga se calculará con la Fórmula de Manning  V = R 2/3 x S 1/2  / n Q = A ( R 2/3 x S 1/2  / n ) S : pendiente en metros/metros (el caso predominante es 7 %) R : radio hidráulico en metros n : coeficiente de rugosidad (para canal no revestido 0.020) El cálculo de la velocidad se hará para las condiciones siguientes:

 

 Asumiremos una sección de cana canall rectangular no revestido revestido

:

1.00 m x 0.40 m

de profundidad. verificaremos si las secciones que estamos adoptando es la correcta o no. es decir comprobarem comprobaremos os si esta área es suficiente para transportar el caudal hallado  S=0 S=0.07 .07  A

=

by

 A=0.4 m2

n= n=0.0 0.02  2   

 P  = b  + 2 y  

P=1.8 m

 R   =  A  P 

R=0.222

V = R 2/3 x S 1/2  / n

V=4.8534 m/s

Q=1.94m3/s

Por lo tanto concluimos que la sección adoptada es la ideal y también es conservadora

 

CAPÍTULO V I CAPÍTULO CONCLUSIONES ANTECEDENTESYDEL RECOMENDACIONES PROYECTO

 

CAPITULO V. 

CONCLUSI CONCLUSIONES ONES Y RECOMENDACIONES RECOMENDA CIONES

5.1 CONCLUSIONES.- El adecuado drenaje es esencial para evitar la destrucción total o  parcial de un camino y reducir los impactos indeseable indeseabless al ambiente debido a la modificación de la escorrentía a lo largo de este. La in inexi existe stenci ncia a o la ine inefic ficie ienci ncia a de ob obras ras de dre drenaj naje e tra traen en com como o con consec secuen uencia cia el deterioro e inestabilidad inestabilidad de los terraplenes y la erosión de los taludes, que se manifiestan en asentamientos y deslizamie deslizamientos. ntos. Un buen drenaje incrementa la calidad del servicio de una vía, facilita el tránsito en épocas de lluvia, reduce la posibilidad posibilidad de accidentes y garantiza la capacidad de la vía en todo momento.

5.2 RECOMENDACIONES. En líneas generales y de manera práctica, podemos resumir los principios básicos más importantes que deben tenerse en cuenta, con el fin de obtener un buen drenaje para el diseño de carreteras, con el fin de obtener un buen drenaje, de la siguiente manera: •

Desar De sarrol rolla lar. r. cua cuand ndo o sea pos posibl ible, e, el tra trazo zo del camin camino o evitan evitando do ter territ ritori orios os con  problemas naturales naturales de drena drenaje. je.

•

Retirar de la vía toda el agua. sin dañar el camino o su estructura. lo mas rápidamente posible:

•

Reducir la velocidad del agua. así como la distancia que esta debe recorrer;

•

Utilizar drenajes trasversales donde sea necesario. tales como alcantarillas de alivio para evitar que el volumen del agua exceda la capacidad de evacuación de la cuneta.

•

 Adoptar cuando sea posible. plataformas. cuyos anchos y alturas de corte y terraplenes.. produzcan un mínimo de alteraciones terraplenes alteraciones..

•

Evitar la construcción de caminos en áreas húmedas. inestables o con desniveles  pronunciados:  pronunciad os:

•

Retirar el agua subterránea. cuando sea necesario.

•

Mantener el máximo de vegetación natural en los cortes y terraplenes. y en otras áreas sensibles a los procesos erosivos.

 

•

Pr Prev even enir ir im impa pact ctos os ne nega gatitivo voss en el en ento torn rno o de la pl plat ataf afor orma ma y en el me medi dio o ambiente de manera general. reduciendo al mínimo las alteraciones en el drenaje natural.

CAPÍTULO VI I CAPÍTULO BIBLOGRAFIA – DEL ANTECEDENTES ANEXOS PROYECTO

 

CAPITULO V VII.

BIBLIOGRAFIA Y ANEXOS 

6.1.-BIBLIOGRAFÍA [1]

CÉ CÉSPE SPEDES DES ABAN ABANTO. TO. Jos José; é; “Ca “Carre rreter teras as Diseñ Diseño o Mod Modern erno” o”;; UT UTC.1 C.1ra ra Edi Edició ción; n;

Cajamarca. Perú 2001. Pág Pág.. 501-588 [2] GORDON KELL KELLER. ER. P.E; “Caminos R Rurales urales con Impacto Impactoss Mínimos”; Agencia Agencia para el Desarrollo Internacional Internacional de los Estados Unidos.1ra Edició Edición; n; Guatemala. Pág. 4-1 al 5-53. [3] MINIS MINISTERIO TERIO DE TRA TRANSPO NSPORTE RTE Y COMUN COMUNICAC ICACIONES IONES;; “Manual de Dis Diseño eño de Cami Ca mino noss de Ba Bajo jo Vo Volu lume men n de Tr Tran ansi sito to (A (Ant nte e Pr Proy oy ec ecto to)” )”;;

Pe Perú rú.1 .1ra ra

Ed Edic ició ión; n;

20 2005 05..

Capitulo Obras de Drenaje. [4] UNIV UNIVERS ERSIDAD IDAD NAC NACIONAL IONAL DE INGE INGENIER NIERIA IA CIVIL. SECC SECCION ION DE POST GRADO GRADO;; “Diseño de Estructuras Viales Carretera Puente Paucartambo-Ozapampa Paucartambo-Ozapampa Km 08+000-Km 17+000”; Perú.1ra Edición; 2005. [5] AMER AMERICAN ICAN IRON AN AND D STEEL INSTIT INSTITUTE; UTE; “Manual “Manual de Produ Productos ctos de Acero par para a Drenaje y Construcción Vial”; ARMCO INTERNATIONAL DIVISION.1ra Edición; 1981. Pág. 10-104. [6] MAX MAXIMO IMO VIL VILLON LON B.; “Hi “Hidrá dráuli ulica ca de Ca Cana nales les”; ”; ED EDITO ITORIA RIAL L TEC TECNOL NOLOGIC OGICA A DE COSTA RICA. Pág. 11-234.

Fin...