UNIVERSIDAD DEL CAUCA CENTRO DE POSGRADOS EN INGENIERÍA CIVIL ESPECIALIZACIÓN ESPECIALIZA CIÓN EN INGENIERÍA DE RECURSOS HIDRICOS Año: 2017 Asignatura: DRENAJE VIAL
UNIV NIVER ER SIDAD DEL CAUCA CENTRO CENT RO DE POSGRA DO DOSS EN INGENIERÍA CIVIL ES PE CIALIZ CIALIZACIÓN ACIÓN EN INGE INGE NIERÍA DE R ECURS OS HIDRICOS 20 2017 Ass i g natura: DR A D R E NA J E V IA L
TEMA 1: HIDROLOGÍA APLICADA
BIBLIOGRAFÍA BÁSICA
Morfometría de una cuenca
Invías 2009. Manual de drenaje para carre teras.
Coeficientes de escorrentía y períodos de retorno Caudales de diseño
SOP, SOP, Antioquia. 1985. Obras de drenaje y protección de carreteras.
HI DRÁULICA APLICADA TEMA 2: HIDRÁULICA Sección hidráulica de diseño para cunetas y alcantarillas Carciente, Jacobo. Estudio y proyecto de carreteras Procedimiento para el estudio de socavación TEMA 3: ESTRUCTURAS DE DRENAJE Chequeo hidráulico de alcantarillas y box culvert. Longitud máxima de cunetas Diseño de disipadores de energía Diseño de filtros. Drenaje Sub-superficial TEMA 4: OBRAS DE DRENAJE VIAL Obras de drenaje en carreteras Cálculo de alcantarillas Modelación hidráulica. Software HY8
Crespo V., Carlos. 1973. Vías de comunicación. Caminos, ferrocarriles y aeropuertos. México Hydraulic design of highway culverts.pdf. www.fhwa.dot.gov/engineering/hydraulics/pubs/hds5si.pdf Hydraulic design of safe bridges.pdf. www.fhwa.dot.gov/engineering/hydraulics/pubs/hif12018.pdf
UNIV NIVER ER SIDAD DEL CAUCA CENTRO CENT RO DE POSGRA DO DOSS EN INGENIERÍA CIVIL ES PE CIALIZ CIALIZACIÓN ACIÓN EN INGE INGE NIERÍA DE R ECURS OS HIDRICOS 20 2017 Ass i g natura: DR A D R E NA J E V IA L
TEMA 1: HIDROLOGÍA APLICADA
BIBLIOGRAFÍA BÁSICA
Morfometría de una cuenca
Invías 2009. Manual de drenaje para carre teras.
Coeficientes de escorrentía y períodos de retorno Caudales de diseño
SOP, SOP, Antioquia. 1985. Obras de drenaje y protección de carreteras.
HI DRÁULICA APLICADA TEMA 2: HIDRÁULICA Sección hidráulica de diseño para cunetas y alcantarillas Carciente, Jacobo. Estudio y proyecto de carreteras Procedimiento para el estudio de socavación TEMA 3: ESTRUCTURAS DE DRENAJE Chequeo hidráulico de alcantarillas y box culvert. Longitud máxima de cunetas Diseño de disipadores de energía Diseño de filtros. Drenaje Sub-superficial TEMA 4: OBRAS DE DRENAJE VIAL Obras de drenaje en carreteras Cálculo de alcantarillas Modelación hidráulica. Software HY8
Crespo V., Carlos. 1973. Vías de comunicación. Caminos, ferrocarriles y aeropuertos. México Hydraulic design of highway culverts.pdf. www.fhwa.dot.gov/engineering/hydraulics/pubs/hds5si.pdf Hydraulic design of safe bridges.pdf. www.fhwa.dot.gov/engineering/hydraulics/pubs/hif12018.pdf
OBRAS DE DRENAJE EN CARRETERAS INTRODUCCIÓN: Las obras de drenaje son elementos estructurales que facilitan el escurrimiento y evitan el almacenamiento de agua en una zona particular.
OBRAS DE DRENAJE EN CARRETERAS Para calcular los caudales máximos que van a transcurrir por una obra hidráulica, se requieren datos de una estación hidrométrica o de una estación pluviométrica.
OBRAS DE DRENAJE EN CARRETERAS OB J E TIVOS DE LAS OB R AS DE DRE NAJ E - Dar salida al agua que se acumule en el camino. - Reducir o eliminar la cantidad de agua que se dirija hacia una vía. - Evitar que el agua provoque daños estructurales. - De la construcción de las obras de drenaje, dependerá en gran parte la facilidad de acceso y la vida útil de la vía.
OBRAS DE DRENAJE EN CARRETERAS FOR MAS DE DR E NAJ E DRENAJE NATURAL
DRENAJE A R TIFICIA L
OBRAS DE DRENAJE EN CARRETERAS TIPOS DE DR E NAJ E DRENAJE LONGITUDINAL
DRENAJE TRANSVERSAL
DRENAJE S UB TE R R A NE O
OBRAS DE DRENAJE EN CARRETERAS DR E NAJ E LONGITUDINAL O S UPE R FICIAL Se construye sobre la superficie de la vía o terreno, con funciones de captación, salida, defensa y cruce, algunas obras cumplen con varias funciones al mismo tiempo. En el drenaje superficial encontramos: * Cunetas * Contra cunetas * Bombeo * Zampeados * Drenaje transversal
OBRAS DE DRENAJE EN CARRETERAS DR E NAJ E SUPER FICIAL CUNETAS Las cunetas son zanjas que se hacen en uno o ambos lados de la vía, para conducir las aguas provenientes de la corona y lugares adyacentes hacia un lugar, donde no provoque daños.
OBRAS DE DRENAJE EN CARRETERAS DR E NAJ E SUPER FICIAL CONTRA CUNETA S La función de las contra cunetas es prevenir que llegue a la vía un exceso de agua o humedad, aunque se ha demostrado que en muchos casos no es conveniente usarlas, debido a que como se construyen en la parte aguas arriba de los taludes, provocan reblandecimientos y derrumbes.
OBRAS DE DRENAJE EN CARRETERAS DR E NAJ E SUPER FICIAL BOMBEO Es la inclinación que se da a ambos lados de la vía, para drenar la superficie del mismo, evitando que el agua se encharque provocando reblandecimientos o que corra por el centro de la vía causando daños debido a la erosión
OBRAS DE DRENAJE EN CARRETERAS DR E NAJ E SUPER FICIAL ZAMPE A DOS Es una protección a la superficie de rodamiento o cunetas, contra la erosión donde se presentan fuertes pendientes. Se realza con piedra, concreto ciclópeo o concreto simple.
OBRAS DE DRENAJE EN CARRETERAS DR E NAJ E SUPER FICIAL DRE NAJ E TRA NSVER SAL Su finalidad es permitir el paso transversal del agua sobre una vía, sin obstaculizar el paso. En el drenaje transversal encontramos: * Puentes * Puentes - Vado * Bóvedas * Alcantarillas
OBRAS DE DRENAJE EN CARRETERAS DR E NAJ E SUPER FICIAL DRE NAJ E TRA NSVER SAL PUENTES Los puentes son estructuras de más de seis metros de luz, se distingue de las alcantarillas por el colchón que estas llevan en la parte superior.
OBRAS DE DRENAJE EN CARRETERAS DR E NAJ E SUPER FICIAL DRE NAJ E TRA NSVER SAL PUENTE S - VA DO El puente - vado, es una estructura en forma de puente y con características de vado, que permite el paso del agua a través de claros inferiores en niveles ordinarios, y por la parte superior cuando se presentan avenidas con aguas máximas extraordinarias.
OBRAS DE DRENAJE EN CARRETERAS DR E NAJ E SUPER FICIAL DRE NAJ E TRA NSVER SAL BOVEDAS Las bóvedas de medio punto construidas con mampostería son adecuadas cuando requerimos salvar una luz con una altura grande de la rasante al piso del rio.
OBRAS DE DRENAJE EN CARRETERAS DR E NAJ E SUPER FICIAL DRE NAJ E TRA NSVER SAL A LCA NTA R ILLA S Evacuan las aguas de escorrentía que drenan corrientes de agua permanentes o estacionales y los caudales de las cunetas, que a su vez recogen las aguas lluvias que caen sobre la calzada, pueden ser de forma rectangular, cuadrada, de arco o tubular y se construyen de concreto, lamina, piedra o madera.
OBRAS DE DRENAJE EN CARRETERAS DR E NAJ E SUPER FICIAL DRE NAJ E TRA NSVER SAL B OX CULVE R T Es una alcantarilla en forma de caja o cajón, así se conoce como alcantarillas de cajón.
OBRAS DE DRENAJE EN CARRETERAS DRE NAJ E S UBTER R ANEO El drenaje subterráneo elimina la humedad que inevitablemente llega a la vía y así evitar que provoque asentamientos o deslizamientos de material.
OBRAS DE DRENAJE EN CARRETERAS
OBRAS DE DRENAJE EN CARRETERAS Las principales partes de una alcantarilla son: • Encole: Reduce la velocidad y disipa la energía del agua en la entrada de las obras de drenaje. • Estructura de entrada: Conduce el flujo hacia la tubería y estabiliza el terraplén de la vía y/o el terreno natural con: aletas, solado, muro cabezal, etc. • Poceta o lavadero: Recibe el agua de drenaje longitudinal (cunetas). Se utiliza como encole y a veces se encuentra en el descole con otras estructuras de conducción de agua. • Muro Cabezal: Contiene el material de la estructura de la vía y protege la tubería. • Aletas: C ontiene los taludes del terraplén de la vía y/o el terreno
OBRAS DE DRENAJE EN CARRETERAS • Tubería: Garantiza la conducción del flujo de un lado al otro de la vía, evitando infiltraciones que puedan afectar los materiales que componen la estructura de pavimento. Los extremos de los tubos y el diseño de las juntas deben garantizar un encaje adecuado entre secciones, de manera que formen un conducto continuo, libre de irregularidades en la línea de flujo. • Estructura de salida: Entrega el flujo hacia el descole o sitio de vertimiento de las aguas y estabiliza las zonas aledañas. No se debe presentar socavación del terreno de cimentación de la alcantarilla. • Descole: Reduce la velocidad y disipar la energía del agua en la salida de obras de drenaje y entrega de manera segura el agua a canales naturales u otros canales no erosionables.
OBRAS DE DRENAJE EN CARRETERAS
OBRAS DE DRENAJE EN CARRETERAS
CALCULO DE ALCANTARILLAS 1. TIPOS DE FLUJO EN ALCANTARILLAS. Según sean las relaciones entre los niveles en las secciones Aguas Arriba (AA) y aguas abajo (aa) de la alcantarilla, con los parámetros característicos de ésta (longitud, diámetro, rugosidad, pendiente, etc) se distinguen seis tipos diferentes de flujo en alcantarillas. El caudal circulante por la alcantarilla siempre resulta de la aplicación de un balance de energía entre las secciones que funcionan como controles, dado que allí se conocen todas las características del flujo. En el balance de energía se consideran pérdidas por fricción en la llegada a la alcantarilla (hf 1-2), pérdidas localizadas en la entrada (hloc.ent) y pérdidas distribuidas por fricción a lo largo de la alcantarilla (hf 2-3).
CALCULO DE ALCANTARILLAS ALCANTARILLA TIPO 1. Si se cumple que:
la alcantarilla funciona como una tubería con entrada y salida ahogadas.
El caudal circulante puede calcularse a través de la expresión:
CALCULO DE ALCANTARILLAS ALCANTARILLA TIPO 2. Si se cumple que:
la alcantarilla funciona como una tubería con entrada ahogada y salida con flujo lleno.
El caudal circulante puede calcularse a través de la expresión:
CALCULO DE ALCANTARILLAS ALCANTARILLA TIPO 3 Alcantarilla Hidráulicamente Corta Si se cumple que:
Igual al caso anterior pero funciona como un orificio. El caso de flujo tipo 2 o tipo 3 depende de la fricción y la pendiente. A mayores pendientes y fricciones más pequeñas será flujo tipo 3 Para distinguir los tipos 2 y 3 de flujo se recurre a las curvas de la Figura 1, construidas por Bodane, donde se considera la pendiente de la alcantarilla y su relación diámetro-longitud. El caudal circulante se calcula como si se tratara de un orificio
CALCULO DE ALCANTARILLAS ALCANTARILLA TIPO 4. Si se cumple que:
se tienen condiciones de flujo a superficie libre en la alcantarilla.
La alcantarilla funciona como un canal de pendiente fuerte en régimen supercrítico y por tanto se tendrá tirante crítico en la sección de entrada (2). El caudal circulante puede calcularse a través de la expresión:
CALCULO DE ALCANTARILLAS ALCANTARILLA TIPO 5. Si se cumple que:
se tienen condiciones de flujo a superficie libre en la alcantarilla. La alcantarilla funciona como un canal de pendiente suave en régimen subcrítico con caída libre en la salida, por lo que se tendrá tirante crítico en la sección de salida (3). Para auxiliarse en la diferenciación de los flujos tipo 4 y 5 se recurre a las Figuras 2 y 3. El caudal circulante puede calcularse a través de la expresión:
CALCULO DE ALCANTARILLAS ALCANTARILLA TIPO 6. Si se cumple que:
se tienen condiciones de flujo a superficie libre en la alcantarilla.
La alcantarilla funciona en régimen subcrítico pero, a diferencia de los tipos de flujo anteriores sin alcanzar el tirante crítico en ninguna sección. El caudal circulante puede calcularse a través de la expresión:
CALCULO DE ALCANTARILLAS 2. PROCEDIMIENTO DE CALCULO. El término CD corresponde a un coeficiente de descarga, que refleja las pérdidas localizadas en la alcantarilla. Para los tipos de flujo 1 y 2 los valores del coeficiente de descarga se extraen de la Tabla 1; para el tipo 3 se extraen de la Tabla 2 y para los tipos 4, 5 y 6 se extraen de la Tabla 3. La Tabla 4 permite calcular el caudal, el área y la conductividad hidráulica
en condiciones de flujo crítico, para un tirante crítico dado, en canales circulares. Las figuras 4 y 5 auxilian para el cálculo del caudal circulante en los tipos 4 y 5 de flujo. Obs: Las pérdidas por fricción se calculan como
CALCULO DE ALCANTARILLAS Identificación del tipo de flujo Para el cálculo del caudal, primero se debe identificar el tipo de escurrimiento, luego calcular el mismo y finalmente verificar si se está en las condiciones consideradas. El tipo de escurrimiento puede ser identificado con el siguiente diagrama:
CALCULO DE ALCANTARILLAS Procedimiento de cálculo Los tipos 1, 2 y 3 se calculan sin mayor dificultad, utilizando las tablas 1 y 2 y la figura 1. El tipo 4 (canal en régimen supercrítico) se calcula así: 1. Estimar el coeficiente de descarga con la tabla 3 2. Con la figura 4 estimar yc; luego determinar Qc, Ac, Kc (con auxilio de tabla 4 si la alcantarilla es circular). 3. Calcular el término cinético en (1) y la pérdida por fricción entre (1) y (2) con el Qc antes hallado. 4. Calcular Q con la expresión correspondiente al tipo de flujo 4. 5. Si los valores de caudal resultantes de b) y d) no coinciden, suponer un nuevo yc rehaciendo el procedimiento hasta que los valores coincidan.
CALCULO DE ALCANTARILLAS El tipo 5 (canal en régimen subcrítico con tirante crítico a la salida) se calcula con el siguiente procedimiento: 1. Estimar el coeficiente de descarga con la tabla 3 2. Con la figura 4 estimar un primer valor de yc determinando luego Qc, Ac, Kc (con la tabla 4 si la alcantarilla es circular). 3. Con la figura 5 (paramétrica en Q2 / 2gC2 (h1-z)D4) estimar el tirante en (2) y determinar luego K2 4. Calcular el término cinético en (1), la pérdida por fricción entre (1) y (2) y la pérdida por fricción entre (2) y (3) con el Qc antes hallado. 5. Calcular la carga a la salida de la alcantarilla
6. Corregir la estimación inicial de yc con el valor H/D y la figura 4. 7. A partir del nuevo yc estimado determinar nuevamente Qc, Ac, Kc. 8. Volver a estimar el tirante en (2) con la figura 5 y calcular K2 y la pérdida por fricción entre (2) y (3) con el nuevo valor de Qc antes hallado. 9. Calcular Q con la expresión correspondiente al tipo de flujo 5. 10. Si los valores de caudal resultantes no coinciden, suponer un nuevo yc hasta que los valores coincidan.
CALCULO DE ALCANTARILLAS El tipo 6 (flujo subcrítico en todo el canal) se calcula así: 1. Estimar el coeficiente de descarga con la tabla 3 2. Con y3 calcular A3, K3 (con la tabla 4 si la alcantarilla es circular) 3. Con la figura 4 estimar yc; y luego determinar Qc (con la tabla 4 si la alcantarilla es circular) 4. Suponer un valor de caudal Q inferior al Qc y un tirante en (2) en función del tipo de canal. Para ello se determina la pendiente crítica y en caso de que Soy3; en caso contrario (So>Sc) se elige y2
CALCULO DE ALCANTARILLAS Tabla 1. Coeficientes de descarga para alcantarillas rectangulares y circulares para flujo tipo 1 y 2 r , w , r ó w. b b D D
Cd
0,00
0,84
0,02
0,88
0,04
0,91
0,06
0,94
0,08
0,96
0,10
0,97
0,12
0,98
CALCULO DE ALCANTARILLAS Tabla 2. Coeficientes de descarga para alcantarillas rectangulares y circulares para flujo tipo 3 h1 - Z D 0
r , w , r ó w. b b D D. 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,14
1,4
0,44
0,46
0,49
0,50
0,50
0,51
0,51
1,5
0,46
0,49
0,52
0,53
0,53
0,54
0,54
1,6
0,47
0,51
0,54
0,55
0,55
0,56
0,56
1,7
0,48
0,52
0,55
0,57
0,57
0,57
0,57
1,8
0,49
0,54
0,57
0,58
0,58
0,58
0,58
1,9
0,50
0,55
0,58
0,59
0,60
0,60
0,60
2,0
0,51
0.56
0,59
0,60
0,61
0,61
0,62
2,5
0,54
0,59
0,62
0,64
0,64
0,65
0,66
3,0
0,55
0,61
0,64
0,66
0,67
0,69
0,70
3,5
0,57
0,62
0,65
0.67
0,69
0,70
0,71
4,0
0,58
0,63
0,66
0,68
0,70
0,71
0,72
CALCULO DE ALCANTARILLAS Tabla 3. Coeficientes de descarga para alcantarillas rectangulares y circulares para flujo tipo 4,5 y 6 h1 - Z D 0
0,02
r , w , r ó w. b b D D. 0,04 0,06 0,08 0,10
0,4
0,93
0,967
1,004
1,042
1,079
1,079
1,107
1,116
0,6
0,925
0,962
0,999
1,036
1,073
1,092
1,101
1,110
0,8
0,915
0,952
0,988
1,025
1,061
1,080
1,089
1,098
1,0
0,88
0,915
0,950
0,986
1,021
1,038
1,047
1,056
1,2
0,86
0,894
0,929
0,963
0998
1,015
1,023 1,032
1,4
0,83
0,863
0,896
0,930
0,963
0,979
0,988
0,12
0,14
0,996
CALCULO DE ALCANTARILLAS Fig ura 1a. C riterios para alcantarillas cuadradas o circulares
CALCULO DE ALCANTARILLAS Fig ura 1b. Criterios para alcantarillas hidráulicamente cortas o larg as con cuerpos rugosos hechos de tubería corrugada (U.S. Geological S urvey (las unidades es tán en s is tema ing lés)
CALCULO DE ALCANTARILLAS Fig ura 2. Criterio para diferenciar los flujos tipo 4 y 5 (circular) Las unidades s on en s is tema métrico
CALCULO DE ALCANTARILLAS Fig ura 3. Criterio para diferenciar los flujos tipo 4 y 5 (rectang ular) Las unidades s on en s is tema métrico
CALCULO DE ALCANTARILLAS Fig ura 4. R elación entre y1/D, C d y tirante crítico para alcantarillas circulares y circulares de arco (B odhaina, 1976). S ug iere un primer valor que requiere posterior ajuste.
CALCULO DE ALCANTARILLAS
Figura 5. Relación entre carga y profundidad de agua en la sección de entrada para flujo tipo 5
CALCULO DE ALCANTARILLAS Tabla 4.
Modelación hidráulica: S oftware HY 8
Modelación hidráulica: S oftware HY8 El HY8 es una colección de programas desarrollada por la FEDERAL HIGHWAY ADMINISTRATION (FHWA) para el análisis y el diseño de alcantarillas. Se compone de cuatro módulos: 1. Módulo de análisis de alcantarillas 2. Módulo de generación de hidrogramas 3. Módulo de tránsito de hidrogramas 4. Módulo para el diseño de estructuras de disipación de energía. El módulo de análisis de alcantarillas, se desarrolla en alcantarillas con control a la entrada y a la salida, además, modela desbordamiento o flujo sobre la vía. Para control a la salida: Si Hw/D ≥ 0.75 los cálculos son aceptables Si Hw/D < 0.75 no son exactos y se debe calcular un perfil de flujo. Permite revisar el funcionamiento hidráulico de alcantarillas con secciones circulares, rectangulares, elípticas, en arco o definidas por el usuario.
Modelación hidráulica: S oftware HY 8 El programa modela un sistema de hasta 6 diferentes conductos paralelos, teniendo cada uno diferente número de tuberías, secciones transversales, cotas, pendientes y longitudes. Cuando las tuberías tienen iguales características de sección, longitud, cotas y condiciones de entrada y salida, corresponden a un solo tipo de conducto. También modela el canal de salida, tomando una sección regular o irregular, a partir de la cual calcula el valor de TW asumiendo flujo uniforme. Por último, el programa es capaz de generar informes de los análisis hidráulicos ejecutados.
Modelación hidráulica: S oftware HY 8 -
Datos de entrada
-
De caudales: caudal mínimo, de diseño y máximo, con los cuales elabora una curva de calibración de la alcantarilla (Hw. vs. Q).
-
Del descole: sección, pendiente, rugosidad, cota en la alcantarilla.
-
De la vía: perfil de la vía, longitud, ancho y cota del tramo de vía susceptible de funcionar como vertedero, tipo de superficie (grava, pavimento, otra).
-
De la alcantarilla: sección, longitud, rugosidad, número de tubos o celdas, tipo y condiciones de entrada, cotas batea entrada y salida.
E jemplo 1 Una cuneta transporta un caudal Q= 200 l/s, para lo cual es necesario proyectar una alcantarilla en la abscisa K44+440. Verificar el funcionamiento de la alcantarilla.
E jemplo 1
D=0.9 m
q
y
E jemplo 1
E jemplo 1 D=0.9 m
q
Yc= 0,26m Yn= 0,18m
E jemplo 2 Diseñar una alcantarilla multicelda para pasar 13 m3/s debajo de una carretera de terraplén bajo, que cruza una planicie de inundación. El nivel del terreno (cota) en la entrada de la alcantarilla es de 100 m y se espera que el nivel agua (carga de diseño) correspondiente a este caudal no supere la cota 101.5m. El ancho de terraplén y plataforma es 12m y una cota 103 m. La longitud de la alcantarilla es de 20 m. La pendiente del terreno es de 0.3%. La sección del cauce aguas abajo es trapecial con ancho de base de 16 m, taludes 1:0.75 y una rugosidad de (n=0.030). Se usa tubería de concreto reforzado de DN 60" (152cm) (n=0.014). La entrada tendrá aleros y muro cabezal con bordes cuadrados (tabla 15.3: Circular concrete Square edge w/headwall) ¿Determinar el número de alcantarillas necesarias para pasar el caudal de diseño sin causar ningún incremento en el nivel de la carga de diseño?
E jemplo 2 QT= 13 m3/s. Caudal total que se desea hacer pasar Cotae= 100 m. Cota terreno en la entrada de la alcantarilla Cotadis= 101.5 m. Cota del nivel del agua aguas arriba (cota admisible o de diseño) L= 20 m. Longitud de la alcantarilla So= 0.003 m/m. Pendiente de la alcantarilla y del cause aguas abajo, por ser una planicie de inundación n= 0.014. Rugosidad de la alcantarilla de concreto DN= 60 Pulg. Diámetro nominal de la tubería D= 1.52 m. Diámetro de calculo de la tubería. Hdis= cotadis - cotae Hdis= 1.5 m. Carga de diseño Cotas= cotae - So * L Cotas= 99.94 m. Cota terreno en la salida de la alcantarilla.
E jemplo 2 Datos de río aguas abajo: b= 16 m. Ancho de la base del cause aguas abajo Z= 0.75. Relación de talud nt= 0.03. Rugosidad del río aguas abajo
Datos de terraplen y plataforma: Cotap= 103 m. Cota de plataforma Bp= 12 m. Ancho de plataforma
E jemplo 2 1. Abrimos el programa HY-8
2. Cambiamos las unidades al sistema internacional
3. En “New culvert crossing” habilita una ventana para los datos de calculo
E jemplo 2 4. En el cuadro de “Name” escribimos el nombre del proyecto
E jemplo 2 5. En “Desing Flow” y” Maximun Flow” escribimos el caudal total [m3/s].
6. En el cuadro de “Tailwater data” van los datos del cauce aguas abajo. Se selecciona en el cuadro de “Channel Type” el tipo de sección del río aguas abajo, en este caso es trapezoidal.
E jemplo 2 7. Bottom Width: Ancho de la base del río aguas abajo, en m. Side Slope (H:V): Relación de talud “Z” Channel Slope: Pendiente del río aguas abajo, en m/m. Manning’s n (channel): Coeficiente de rugosidad de Manning del cauce aguas abajo Channel Invert Elevation: Cota de inicio del río aguas abajo en m, en este caso como la topografía es planicie de inundación, la cota de inicio del río aguas abajo llegaría a ser la misma cota de salida de la alcantarilla.
E jemplo 2 8. Crest Length: Longitud de la cresta en m. Este dato no se da en el ejemplo, pero debemos dar una distancia mayor que la base del río aguas abajo, de todos modos dar una distancia del doble o triple no influye en los cálculos. Crest Elevation: Cota de plataforma, en m. Top Width: Ancho de plataforma, en m
E jemplo 2 9. En CULVERT DATA colocar los datos del conducto. Shape: Escoger el tipo de conducto, ya sea cuadrada circular etc. Material: Escoger el tipo de material del conducto. Diameter: Colocar el diámetro de la alcantarilla en mm Manning’s n: Colocar el coeficiente de rugosidad del material del conducto
E jemplo 2 10. Inlet Elevation: Colocar la cota de terreno en la entrada de la alcantarilla en m Outlet Station: Colocar la longitud de la alcantarilla en m Outlet Elevation: Colocar la cota de salida de la alcantarilla Number of Barrels: Colocar el número de conductos (En este ejemplo como se pide diseñar una alcantarilla multicelda, es decir calcular el número de alcantarillas necesarias para hacer cruzar el caudal total, se debe probar tentativamente con distintos números de alcantarillas, hasta obtener la mas optima de acuerdo a la carga de diseño “Hdis” es decir la carga calculada “Hw”aguas arriba debe ser menor o igual a la carga de diseño (Hw≤Hdis)). Finalmente aceptamos “OK”
E jemplo 2 11. Como resultado obtenemos el siguiente esquema. Para ver los resultados vamos a “Run Análisis”
E jemplo 2 12. Se habilita la ventana, en donde vamos a “Culvert Summry Table” y en este cuadro se puede ver los resultados que deseamos
E jemplo 2 13. En “wáter Surface Profiles” podemos ver algunos resultados
E jemplo 2
14. Para probar con otro número de alcantarillas solo debemos ir nuevamente a ”New culvert crossing” y en ella cambiar solo el número de alcantarillas aceptar y nuevamente ir la ventana anterior de resultados. En este ejemplo: HW ≤ Hdis (se debe cumplir esta condición) Hdis= 1.5m (Carga de diseño) Hw= 1.31m (Carga calculado aguas arriba) Como: Hw < Hdis OK
E jemplo 3 Se requiere diseñar el cruce de una corriente de agua localizada en el K45+130. Esta corriente tiene un caudal de 3.11 m 3/s para un período de retorno de 20 años, una pendiente aguas abajo del 1% y su sección se puede asemejar a un trapecio de base 2 m y taludes laterales 1V:1H. El material de la quebrada es predominantemente tierra, con un coeficiente de rugosidad n= 0.035. La alcantarilla se proyecta con un ángulo de sesgo horizontal de 81°, que corresponde a la orientación natural de la quebrada con respecto a la vía. En cuanto a su alineamiento vertical, la alcantarilla se proyecta inicialmente siguiendo la pendiente natural de la quebrada, S= 14.35%. Tanto la estructura de entrada como la de salida, se proyectan con un muro de cabezote y aletas, con un ángulo de 45°.
E jemplo 3
Solución Para el diseño de la alcantarilla se emplea el software HY-8, cuya pantalla para entrada de datos se presenta en la figura siguiente. Los datos corresponden a la información geométrica de la vía, de la
E jem jempl plo o3
Se asume una estructura tipo alcantarilla de cajón en concreto de 1.5x1.5 m de dimensiones, con un coeficiente de rugosidad de 0.014. Los resultados del análisis se presentan en la siguiente figura:
E jem jempl plo o3
E jem jempl plo o3 Tabla de resultados y perfil del flujo en la alcantarilla de 1.5mx1.5 m Se observa que para el caudal de 3.11 m3/s, la altura Hw es de 1.07 m, es deci decirr Hw/D Hw/D= =0.71 0.71,, valo valorr meno menorr a 1.20 1.20 y, por por lo tant tanto, o, dent dentro ro de las las recomendaciones de diseño. Los resultados muestran, también, que el flujo es supercrítico con control a la entrada, lo que representa un funcionamiento hidráulico adecuado. Sin embargo, la velocidad a la salida del conducto (7.98 m/s) es bastante alta y muy superior a la del canal de salida (1.71 m/s), siendo necesario aumentar la resistencia del concreto y modificar la pendiente del conducto, disminuyéndola o empleando un fondo escalonado. Sin embargo, dado el gran transporte de sedimentos y la longitud de la alcantarilla, se decide emplear una alcantarilla de cajón de dimensiones 2.0mx2.0 m y una pendiente de 5%, con lo que su longitud se disminuye a 23.14 m.
E jemplo 3
Si se realiza el mismo ejercicio con una alcantarilla de cajón de dimensiones 1.0x1.0 m, la relación Hw/D alcanza un valor de 1.81, es decir, la dimensión de 1.0x1.0 es insuficiente, aunque el flujo no se desborde sobre la vía.
E jemplo 3 Con las nuevas características de la alcantarilla, mostradas en la figura anterior, el funcionamiento hidráulico arrojado por el software HY-8 es:
