Analisis Hidraulico Alcantarilla TEXTO 10022018

2018

ANALISIS HIDRAULICO DE ALCANTARILLA

NESTOR JAVIER LANZA MEJIA FAMILIA LANZA MEITCHOUK NELAME martes, 13 de febrero de 2018

ANALISIS HIDRAULICO DE ALCANTARILLA - NELAME

Contenido 1

2

principio de localizacion de alcantarillas ........................................................................................... 6 1.1

Alineación de la alcantarilla ........................................................................................................ 7

1.2

ESTRUCTURAS DE ENTRADA en la alcantarilla ......................................................................... 10

1.3

condiciones de descarga........................................................................................................... 11

DISEÑO HIDRAULICO DE ALCANTARILLAS ....................................................................................... 12 2.1

Flujo con control a la entrada ........................................................................................... 14

2.1.2

Flujo con control a la salida ............................................................................................... 15

2.2

altura de agua en la entrada con control de salida .................................................................. 16

2.3

Coeficientes de pérdidas de carga en la entrada ..................................................................... 17

2.4

tipos de flujo a través de alcantarillas ...................................................................................... 21

2.4.1

Alcantarillas con entrada libre o no sumergida, clase i .................................................... 22

A.

flujo Tipo 1 ......................................................................................................................... 22

B.

flujo Tipo 2 ......................................................................................................................... 24

C.

flujo Tipo 3 ......................................................................................................................... 25

2.4.2

Alcantarillas con entrada sumergida, clase ii .................................................................... 26

2.4.3

FLUJO Tipo 4 ...................................................................................................................... 26

2.4.4

flujo Tipo 5 ......................................................................................................................... 27

2.4.5

flujo Tipo 6 ......................................................................................................................... 28

2.5

3

control de flujo en alcantarillas ................................................................................................ 14

2.1.1

coeficiente de gasto.................................................................................................................. 30

2.5.1

Coeficiente de gasto para flujos tipos 1, 2 y 3 .................................................................. 30

2.5.2

Coeficiente de gasto para flujos tipos 4 y 6. ..................................................................... 37

2.5.3

Coeficiente de gasto para flujos tipos 5. ........................................................................... 38

selección del diametro para alcantarillas........................................................................................ 43

DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA

martes, 13 de febrero de 2018

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4

analsis hidraulico de alcantarilla según fhwa .................................................................................. 45

5

analisis hidraulico de alcantarilla según hec ras ............................................................................. 69

6

7

Socavación EN alcantarillas ........................................................................................................... 102 6.1

estimacion de la erosion ......................................................................................................... 102

6.2

Estructuras de disipacion de energia en la salida de la alcantarilla ....................................... 104

6.2.1

disipador de impacto ....................................................................................................... 105

6.2.2

disipador de resalto hidraulico........................................................................................ 105

6.2.3

disipadores por caida escalonada ................................................................................... 105

6.2.4

disipadores de friccion o enrocados ............................................................................... 107

aspectos estructurales en alcantarillas ......................................................................................... 107 7.1

teoria base .............................................................................................................................. 108

7.2

CÁLCULO DE SOLICITACIONES SOBRE LA TUBERÍA ................................................................ 109

7.2.1

CARGA DEL RELLENO DE LA ZANJA ................................................................................. 109

7.2.2

CARGAS DE TRÁNSITO ..................................................................................................... 111

D.

Camión AASHTO H-20 / Pavimento Rígido...................................................................... 111

E.

Camión AASHTO H-20 / Pavimento Flexible o Sin Pavimento ........................................ 112

F.

Ferrocarril Cooper E-80 ................................................................................................... 113

7.2.3

DEFLEXIÓN ANULAR ........................................................................................................ 113

8

bibliografia..................................................................................................................................... 121

9

ANEXO ........................................................................................................................................... 122



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TABLA 1.- Velocidades máximas que no produzcan erosión en canales ............................................... 10 TABLA 2.- Coeficientes de perdidas por entrada en la alcantarilla ........................................................ 20 TABLA 3.- Valores de kL para alcantarilla ............................................................................................... 33 TABLA 4.- Diámetros mínimos para alcantarillas, según normas españolas ......................................... 43 TABLA 5.- Alturas máximas a la entrada de alcantarillas ....................................................................... 44 TABLA 6.- Velocidad permisible de socavación según la granulometría del lecho del cauce.............. 105 TABLA 7. - Carga viva Camión AASHTO H20 y pavimento rígido ......................................................... 112 TABLA 8. - Carga viva Camión AASHTO H20 y pavimento flexible o sin pavimento ............................ 112 TABLA 9. - Carga viva Ferrocarril FFCC COOPER E-80........................................................................... 113 TABLA 10. – Coeficiente de apoyo ....................................................................................................... 114

 ∗

TABLA 11. – Modulo de reacción para suelo natural ........................................................................... 115 TABLA 12. – Modulo de reacción

para suelo de relleno según Bureau of Reclamation .............. 116

FIGURA 1.- Ángulos de esviaje con aletones y alineamientos en alcantarillas ......................................... 9 FIGURA 2.- Detalle de entrada en alcantarilla ........................................................................................ 11 FIGURA 3.- Dimensionamiento a la entrada de la alcantarilla ................................................................ 11 FIGURA 4.- Secciones relativas de flujo en alcantarilla ........................................................................... 12 FIGURA 5.- Flujo con control a la entrada ............................................................................................... 15 FIGURA 6.- Flujo con control a la salida .................................................................................................. 16 FIGURA 7.- Flujo en alcantarilla tipo 1 .................................................................................................... 23 FIGURA 8.- Flujo en alcantarilla tipo 2 .................................................................................................... 24 FIGURA 9.- Flujo en alcantarilla tipo 3 .................................................................................................... 26 FIGURA 10.- Flujo en alcantarilla tipo 4 .................................................................................................. 27 FIGURA 11.- Flujo en Alcantarilla tipo 5 .................................................................................................. 28 FIGURA 12.- Flujo en alcantarilla, tipo 6. ................................................................................................ 29 FIGURA 13.- Flujograma para los tipos de flujo en alcantarillas ............................................................. 29 FIGURA 14.- Coeficiente de gasto para los flujos tipos 1,2 y 3. .............................................................. 30 FIGURA 15.- Coeficiente kr para los flujos tipos 1,2 y 3 .......................................................................... 31 FIGURA 16.- Coeficiente kw para flujo tipos 1,2 y 3 ............................................................................... 32



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FIGURA 17.- Coeficiente de gasto para tipo 3 ......................................................................................... 32 FIGURA 18.- Coeficiente de gasto de alcantarilla con ángulo de inclinación ......................................... 33 FIGURA 19.- Ajuste del coeficiente de gasto según el grado de contracción para flujo 1,2 y 3. ............ 35 FIGURA 20.- Pendiente critica en función de la carga de llegada para flujo tipo 1 y 2 en tuberías circulares y arcos circulares ..................................................................................................................................... 35 FIGURA 21.- Localización de caídas del canal ....................................................................................... 105 FIGURA 22 - Estructura de caída común (Bos, 1976) ............................................................................ 106 FIGURA 23. - Esquema de carga viva de un camión .............................................................................. 108 FIGURA 24.- Solicitaciones de una tubería enterrada ........................................................................... 109



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El proyecto de alcantarillas, para un cauce exige el conocimiento del caudal en las crecientes máximas extraordinarias, en las ordinarias y en el verano, la duración de las mismas, los niveles que alcanza el río, las zonas de inundación, la dirección de la corriente en las crecientes, o sea un análisis hidrológico de la cuenca es estudio. Toda esta información es indispensable cuando se va a definir las características de este tipo de obra. Las alcantarillas en lo esencial constan de un cuerpo de tubería (parte de conducción) bajo el relleno del terraplén, con obras de protección a su entrada y salida (aletones). Normalmente se construyen muros de cabeceras en la entrada, con o sin muros de defensa, y una barrera de desechos. Si es necesario, se construye en la salida un muro con estructura de disipación de energía. Las alcantarillas consisten en conductos construidos con el fin de permitir el paso del agua procedente de pequeños ríos, arroyos, canales o cunetas a través del terraplén de la carretera del camino. Son estructuras menores, aunque pueden llegar a ser obras de cierta importancia, de acuerdo a circunstancias específicas; generalmente se utilizan como pasos a través de terraplén que posibilitan la continuidad de la vía y por lo cual quedan enterradas.

FOTO 1.- Alcantarillas como obras de cruce en carretera



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Algunos autores, definen una alcantarilla, en que la parte superior de esta, generalmente no forma parte del pavimento de una carretera. Con mayor frecuencia, la diferencia se establece en base a su longitud, que claros menores a 6 metros se llaman alcantarillas, en tanto que aquellas cuya claro es mayor a 6 metros se denominan alcantarillas. También 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 las alcantarillas obedece a las condiciones de funcionamiento en obra; ésta puede trabajar parcialmente llena o a presión. Generalmente las alcantarillas se diseñan para trabajar parcialmente llena (caudal mínimo o un caudal de diseño) y en casos extremos a presión (caudal de máxima avenida o simplemente caudal máximo). Cuando una alcantarilla trabaja a presión su cálculo se reduce a utilizar las fórmulas para el flujo de agua en tuberías a presión, o sea, la ecuación de Bernoulli; cuando trabaja parcialmente llena su cálculo se reduce al flujo en canales, o sea, la ecuación de Manning. 1

PRINCIPIO DE LOCALIZACION DE ALCANTARILLAS

La mayoría de las alcantarillas son instaladas en curso naturales de agua que cruzan la carretera, ya sea a ángulo recto o desviado (ángulo de esviaje). La línea central de la alcantarilla puede ser determinada por inspección de los planos topográficos o en observación de campo. Esta localización esta generalmente basada en la línea central del curso de agua existente o la parte más baja de una depresión, vaguada, si no hay curso de agua. La ubicación más apropiada de una alcantarilla es en el lecho del canal existente, con la línea de eje y la pendiente de la alcantarilla que coincidan con el eje central del canal, con esta ubicación, se alcanzan el costo mínimo asociado con el movimiento de tierras y la obra del canal y se minimiza (la pérdida de energía a la entrada) la perturbación del flujo de la corriente. Sin embargo, habrá situaciones que se tendrá que seleccionar otras ubicaciones para evitar una alcantarilla demasiada larga. Aquí hay que tomar en cuenta el diseño de la rasante geométrica del canino, o sea, los espesores de la capa de rodamiento, base y subbase para no general una tubería con reforzamiento estructural. El principio DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


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básico que se emplea para la ubicación de la alcantarilla, considera que debe evitarse cambios abruptos en la corriente en la entrada y la salida de la alcantarilla. El alineamiento de la alcantarilla generalmente se conforma con el alineamiento del curso natural de agua y la alcantarilla debiera, si es posible cruzar la carretera a ángulo recto en interés de la economía. Sin embargo, a veces es requerido alcantarillas localizada a un ángulo con la vía. El comportamiento hidráulico de una alcantarilla puede mejorarse siguiendo las recomendaciones siguientes. 1.1

ALINEACIÓN DE LA ALCANTARILLA

Como regla general, el cuerpo de la alcantarilla debe seguir la alineación, obedeciendo el gradiente hidráulico del drenaje natural, para minimizar las pérdidas de energía y la erosión. Esto puede dar como resultado una alcantarilla larga e inclinada que requerirá muros más complejos en sus extremos inicial y Terminal. Sin embargo, algunas veces es más económico colocar la alcantarilla perpendicular a la carretera con ciertos cambios aceptables en el alineamiento del canal. El diseño del desagüe transversal debe estar coordinado con el trazado geométrico vial para cumplir con los espesores de la carretera. En cuanto a su posición en planta y perfil, una obra transversal de desagüe debe alinearse de forma que difiera lo menos posible del cauce srcinal. La alcantarilla debe tener una traza tan recta como sea posible evitando en todo caso los quiebres, que son puntos de difícil o imposible acceso en los que pueden depositarse materiales y conviene que la alcantarilla tenga continuidad en los cambios de sección con unas transiciones suaves. A veces puede ser difícil ubicar la dirección de la alcantarilla cuando el curso natural de agua no está en una posición fija. Es estos casos se debe ejercitar el juicio para seleccionar la ubicación más deseable para la alcantarilla. En lo que respecta a la pendiente del conducto, debe estudiarse de forma que, dentro lo posible: no supere una velocidad capaz de causar erosión o daños en la superficie de la propia alcantarilla o del cauce y se cuiden los cambios de pendiente en las proximidades de la obra y no solo en esta. Deben estudiarse con cuidados los cambios a una pendiente menor hacia aguas arriba, ya que pueden dar lugar a sedimentaciones y aterramientos, si la pendiente, se redujera, o sea, cambio de una pendiente menor hacia aguas arriba, consecuentemente se reduce la velocidad, y el sedimento acarreado se depositará, ya sea a la entrada o dentro de la alcantarilla, obteniéndose una alcantarilla parcialmente DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


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soterrada y reduciendo la capacidad de esta. También deben de cuidarse una pendiente mayor hacia aguas abajo, dado que pueden srcinar un remonte de las erosiones, o sea, pendientes mayores que la existente redunda en velocidades mayores, esto ocasionara socavación, requiriéndose costosos dispositivos de protección. De igual manera la pendiente de la alcantarilla generalmente debe conformar la pendiente existente del cauce. Las obras deben de ser, dentro lo posible, autolimpiables. Para ello hay que recordar que las secciones circulares son más autolimpiables que las rectangulares. Cuando el esviajamiento de un cauce sea igual o menor de 5 grados (ver figura 1) es preferible hacer la estructura perpendicular a la carretera suprimiendo el esviajamiento y rectificando ligeramente el cauce y poner aleros o muros de protección para encauzar el agua. En aquellos casos en los que la dirección de la corriente con la normal al eje del camino forme un ángulo mayor de 5 grados, es preferible alinear la alcantarilla con el fondo del cauce aun a expensas de que resulte una obra de cruce más larga y costosa que la construida normal. La altura minina necesaria para una alcantarilla puede obligar a cambiar la rasante, hay que contar con unos espesores mínimos de 1 m d e núcleo del relleno, 0.50 m de coronación y el espesor del firme.



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FIGURA 1.- Ángulos de esviaje con aletones y alineamientos en alcantarillas

En la práctica, las obras de cruce de desagüe incorrectamente diseñadas o construidas pueden presentar los inconvenientes siguientes: 1.

Capacidad insuficiente: las causas es una evaluación insuficiente de la precipitación o del periodo de retorno y su efecto es una inundación de zonas colindantes y eventual rebasamiento de la plataforma (corona), erosiones y aterramientos.

2.

Velocidad insuficiente a la entrada, a la salida o en ambas: las causas es inadecuado perfil longitudinal de la obra de cruce para el caudal de diseño y los efectos es una disminución de la sección a la entrada, depósito de flotantes, arbustos y árboles, caída de la velocidad (es un efecto

3.

que se realimenta) Velocidad excesiva a la salida: la causa es una combinación inadecuada del perfil longitudinal del cauce con una superficie erosionable con efectos de erosión remontante que puede afectar a la obra transversal de desagüe, al cuerpo del relleno que la rodea y, eventualmente, a la plataforma.

4.

Velocidad excesiva aguas arriba de la obra de cruce: las causas es un diseño incorrecto de la zona de entrada por una combinación inadecuada del perfil longitudinal del cauce con una superficie excesivamente débil y los efectos son el aterramiento de la obra con disminución de su capacidad de desagüe, ver tabla 1. Velocidades para que no se produzcan erosión en los elementos del desagüe superficial

Naturaleza de la superficie

Máxima velocidad admisible (m/s)

Arena fina o limo (poca o ninguna arcilla)



0.2 – 0.6

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ANALISIS HIDRAULICO DE ALCANTARILLA - NELAME Velocidades para que no se produzcan erosión en los elementos del desagüe superficial

Naturaleza de la superficie

Máxima velocidad admisible (m/s)

Arena arcillosa dura, margas duras

0.6 – 0.9

Terreno parcialmente cubierto de vegetación

0.6 – 1.2

Arcilla

1.2 – 2.0

Grava, pizarras blandas con cubierta vegetal

1.2 – 1.5

Hierba

1.2 – 1.8

Conglomerado, pizarras duras, rocas blandas

1.4 – 3.0

Mampostería, rocas duras

3.0 – 5.0

Hormigón (de buena calidad)

4.5 – 9.0

TABLA 1.- Velocidades máximas que no produzcan erosión en canales

1.2

ESTRUCTURAS DE ENTRADA EN LA ALCANTARILLA

Las estructuras de entrada en la alcantarilla diseñadas apropiadamente previenen la erosión y mejoran las características hidráulicas de la alcantarilla. También debe colocarse una barrera contra desechos (rejilla de basura) aguas arriba de la entrada de la alcantarilla para prevenir bloqueos a la entrada de la alcantarilla. En el caso de una alcantarilla con entrada sumergida, ensanchar la entrada incrementara su capacidad del requiriendo una carga más baja para una descarga dada. Tal arreglo, sería mejor una alcantarilla en cajón (con tubo de concreto cuadrado o rectangular), con el área de entrada doblando el área del tubo a lo largo de una longitud de la figura 2.


.  , donde


es la altura del tubo, como se muestra en

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FIGURA 2.- Detalle de entrada en alcantarilla

La capacidad del canal para almacenar grandes cantidades de agua, aguas arriba de la alcantarilla puede tener efecto sobre el diseño de la capacidad de la alcantarilla. Por lo tanto, debe de verificarse la capacidad de almacenaje aguas arriba, con el uso de mapas con curvas de nivel en gran escala, de los cuales se obtiene información topográfica. Por lo general el nivel tolerable de la carga de agua en la entrada de la alcantarilla, es el principal factor que determina el tamaño de esta y su geometría en la entrada.

FIGURA 3.- Dimensionamiento a la entrada de la alcantarilla

1.3

CONDICIONES DE DESCARGA

El tipo de flujo que se presenta en una alcantarilla depende de la cantidad total de energía disponible entre la entrada y la salida. Las condiciones de descarga se definen como la profundidad del agua que

ℎ

se encuentra encima del punto de salida de la alcantarilla, a medida que el agua fluye fuera de la alcantarilla. El diseño de la capacidad de la alcantarilla debe considerar la altura de agua, DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


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, en la


sección de salida de la alcantarilla, especialmente cuando el diseño es con base en las condiciones de salida (ver figura 3). Deben usarse observaciones de campo y mapas para identificar las condiciones que informen sobre las elevaciones de la altura de agua en los sitios de descarga. Estas condiciones incluyen las restricciones del canal, las intersecciones con otros cursos de agua, el represamiento aguas abajo, la elevación de la altura de agua en el sitio de descarga, es la correspondiente a la superficie del agua en el canal natural. 2

DISEÑO HIDRAULICO DE ALCANTARILLAS

Ocurren varios fenómenos hidráulicos complejos cuando fluye agua a través de una alcantarilla de una carretera. Por lo tanto, el diseño hidráulico de una alcantarilla es más complejo que el diseño de un canal abierto. Es muy difícil desarrollar un análisis teórico exacto del flujo de una alcantarilla, pueden

ℎ

existir diferentes tipos de flujos para diferentes instantes de tiempo en la misma alcantarilla, hidrograma de diseño, dependiendo de la elevación de la carga de agua necesita saber las características del canal de descarga. Ver figura 3.

, en el sitio de descarga, se

FIGURA 4.- Secciones relativas de flujo en alcantarilla

Los principales factores que se consideran en el diseño de alcantarillas son: las características hidrológicas de la cuenca que está siendo servida por la alcantarilla, la economía y el tipo de control de flujo, control de entrada o control de salida.

ℎ

El flujo dentro de una alcantarilla puede ser a superficie libre con condiciones subcríticas o supercríticas dependiendo de la longitud, rugosidad, gradiente y niveles de las aguas arribas, DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


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, sección de llegada

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a la alcantarilla, y aguas abajo,

ℎ

, de la alcantarilla. Si la carga aguas arribas,

ℎ

, es suficientemente

alta, esto depende de la geometría del canal de aproximación y del hidrograma de diseño, el flujo dentro de la alcantarilla puede o no llenar la alcantarilla, y su comportamiento hidráulico depende de las combinaciones de las perdidas por fricción y entrada de la longitud de la alcantarilla y de los efectos de remanso aguas abajo. Se asume que el agua que se acerca a una alcantarilla en un tiempo determinado es uniforme y continuo durante el tiempo pico del hidrograma de diseño, y que igual cantidad de agua estará dejando la alcantarilla. El diseño hidráulico de las alcantarillas incluye lo siguiente: 1. Obtención de los datos del sitio del cauce aguas arriba y aguas abajo por lo menos unos 500 m a ambos lados y graficar una sección transversal de la carretera en el sitio de la alcantarilla, incluyendo el perfil del fondo del cauce. 2. Establecer las elevaciones de los invert de la alcantarilla en la entrada y salida, y determinar la pendiente y longitud de la alcantarilla. 3. Determinar la profundidad del agua permisible en la entrada,

ℎ

, chequeando la altura de la

rasante del diseño geométrico propuesto para que no funcione en lo posible como un



vertedero y la probable profundidad de agua a la salida,

, hay que tener cuidado con cauce

de poca pendiente que pueden ocasionar un remanso a la salida de la alcantarilla, durante la

ℎ

crecida de diseño.

4. Seleccionar el tipo y dimensión de la alcantarilla y las características en los extremos que acomodara el caudal de diseño bajo las condiciones establecidas. 5. Examinar las necesidades de disipadores de energía, y donde sea necesario proveer los dispositivos de protección para prevenir la erosión en el cauce, especialmente a la salida de la alcantarilla. 6. Al establecer la altura de agua a la entrada permisible

ℎ

, el diseñador debe considerar

posibles efectos dañinos que la crecida pueda causar, ya sea en el pavimento, interrupciones del tráfico e inundaciones en la vecindad. 7. El área mojada se calcula en función de la velocidad aceptable de la alcantarilla, la cual generalmente varía entre 0.70 m/s y 2 m/s, para evitar la sedimentación y la erosión. DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


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8. La sección óptima, hidráulicamente hablando, es aquella que con una superficie mojada mínima conduzca el caudal máximo, o sea la sección de máxima eficiencia hidráulica. 9. Al realizar el diseño de una alcantarilla, generalmente son datos el caudal

que se desea

conducir, determinado por el análisis hidrológico y la gradiente (o pendiente) de que se



dispone, obtenido de la topografía realizada aguas arriba y aguas debajo de la alcantarilla, la misma que puede variar dentro de ciertos límites. Se sugiere adoptar la pendiente del cauce



natural.

10. También se conoce el coeficiente de rugosidad , a través de datos de campos que se realiza a través del cauce, el mismo que depende del tipo de cobertura natural del cauce o el revestimiento que se escoja, utilizando el método de Cowan. El funcionamiento hidráulico de una alcantarilla puede corresponder de un canal a superficie libre, tubería a presión, flujo a través de orificio, flujo bajo compuerta o un flujo sobre vertedero de cresta ancha, o sea, el tránsito de la escorrentía puede ser a presión o libre, eso depende del hidrograma de entrada a la alcantarilla y el diámetro propuesto. En correspondencia al flujo puede ser subcritico, crítico o supercrítico con régimen uniforme o variado. 2.1

CONTROL DE FLUJO EN ALCANTARILLAS

ℎ

La sección de control de la alcantarilla se usa para clasificar a los diferentes flujos en la misma, para la cual existe una relación única entre el caudal y la profundidad de flujo aguas arriba, , la cual define la sección de control de la alcantarilla, que depende del diámetro de la misma. 2.1.1 FLUJO CON CONTROL A LA ENTRADA

ℎ

Una alcantarilla con flujo de control a la entrada significa que la capacidad hidráulica de la alcantarilla está controlada en la entrada por la carga de agua,

, y la geometría de la entrada, incluyendo la forma

de la alcantarilla y el área de la sección transversal y la forma de los extremos de la entrada, o sea la rugosidad, la longitud de la alcantarilla y las condiciones a la salida no influyen en la determinación de la alcantarilla. En este caso la alcantarilla es capaz de conducir más caudal del que el dispositivo de entrada permite. La sección de control se localiza inmediatamente en la entrada, esto implica la profundidad critica está cerca a la entrada de la alcantarilla, generalmente sucede con diámetros DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


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grandes, esto implica que el flujo es supercrítico en ella, lo cual puede causar erosión en el canal de descarga, lo que implica disponer de estructuras de disipadoras de energía, tales como escalones o un salto hidráulico o bloques de reacción. La velocidad de flujo en alcantarillas, en la salida con control a la entrada puede ser estimada calculando la velocidad promedio para la sección de la alcantarilla usando la ecuación de Manning. Para aumentar la capacidad hidráulica de las alcantarillas, se requiere del mejoramiento de sus dispositivos de entrada y salida. Los mejoramientos hidráulicos típicos para el comportamiento de las alcantarillas consisten en la ampliación de los muros de cabecera, aletones y depresiones constructivas que ligeramente incrementan la carga para vencer las pérdidas a la entrada.

FIGURA 5.- Flujo con control a la entrada

2.1.2 FLUJO CON CONTROL A LA SALIDA

El funcionamiento de una alcantarilla se controla a la salida cuando su dimensión transversal no pueda ser capaz de conducir en toda su longitud la cantidad de agua que circula a la entrada, siendo posible que el elemento de drenaje pueda estar funcionando total o parcialmente lleno, en parte o en toda su longitud. Si la sección de la alcantarilla está completamente llena en su longitud total, la alcantarilla se dice que funciona llena. La carga total o energía requerida para pasar una cantidad de agua a través de la alcantarilla funcionando llena con control a la salida está formada de tres partes: la carga de velocidad, la pérdida en la entrada y la pérdida por fricción. Esta energía es obtenida del agua almacenada a la entrada. La velocidad del flujo en la alcantarilla con control a la salida, la velocidad promedio será calculada a través de la ecuación de continuidad en la sección transversal del flujo a la salida. Según las condiciones hidráulicas de salida puede ser con salida libre, cuando el tirante hidráulico inmediatamente aguas DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


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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 alcantarilla funciona con control de entrada. En una alcantarilla con control a la salida tiene lugar un flujo con profundidades relativamente altas y bajas velocidades, lo que se llama flujo subcrítico.

FIGURA 6.- Flujo con control a la salida

2.2

ALTURA DE AGUA EN LA ENTRADA CON CONTROL DE SALIDA

La capacidad de una alcantarilla operando con control de salida, es función de la altura de agua en ese sitio y de las pérdidas por fricción en la alcantarilla, y por lo tanto del material utilizado para su construcción. Pueden ocurrir tres casos típicos: 1) Representa un flujo clásico lleno en la alcantarilla, donde tanto en la entrada como en la salida están sumergida. La alcantarilla fluye a presión a lo largo de la alcantarilla. Esta condición frecuentemente es asumida en cálculo, pero raramente existe en la realidad. 2) La entrada está sumergida con tal grado que la alcantarilla fluye llena en toda su longitud excepto la salida. Es una condición rara. Se requiere una carga a la entrada alta para mantener la alcantarilla llena con una descarga a la salida no sumergida. La velocidad de salida usualmente es alta en esta condición. 3) La entrada está sumergida con tal grado que la alcantarilla fluye llena en toda su longitud excepto la salida. Es una condición rara. Se requiere una carga a la entrada alta para mantener la alcantarilla llena con una descarga a la salida no sumergida. La velocidad de salida usualmente es alta en esta condición. Excepto en el caso (1) en el cual, la carga a la entrada se determina por condiciones especiales ajenas a la alcantarilla, sería un dato necesario de disponer previamente.



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Este valor se calcula de la siguiente manera:

 =     . El valor

puede ser estimado en

  = . .  < .=    = .   .   = .   

tuberías de acuerdo a la siguiente relación la cual, si bien no es exacta, es suficiente precisa para fines que se persiguen en el caso de tuberías de Para tuberías:

.

, Para cajones:

. Las pérdidas de energía, hp (m) pueden

expresarse de la siguiente manera: Para tuberías:

Para cajones:

Donde:

 

- coeficiente de pérdidas a la entrada,

de Manning,





 

- longitud de la alcantarilla en m, - coeficiente

- diámetro de la alcantarilla o altura del cajón en m,

- caudal de diseño en m 3/s,

-

ancho del cajón en m. Para cada tipo, se emplean diferentes factores, graficas, formulas y nomograma para la selección de alcantarillas de carretera. 2.3

COEFICIENTES DE PÉRDIDAS DE CARGA EN LA ENTRADA

La geometría o configuración del extremo de la alcantarilla es el mayor factor en el comportamiento del flujo a la entrada. Esta reducción en la contracción del flujo indica incremento en el comportamiento a la entrada y más flujo a través de la alcantarilla ante una misma carga hidráulica a la entrada de la estructura de drenaje. Las entradas biseladas aumentan la capacidad de una alcantarilla en un 20%; las entradas con lados convergentes (formando una especie de embudo) la incrementan entre un 25% y un 40% y cuando se proyecta una depresión a la entrada la capacidad de la alcantarilla se mejora hasta en un 100%. (SOPTRAVI, 1996) En la tabla siguiente se presentan algunos coeficientes de perdidas en la entrada de la alcantarilla.



COEFICIENTES DE PERDIDAS DE CARGA EN LA ENTRADA Entrada Tubos de concreto DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


11:27:23 AM

Page 17


Campana saliente



Espiga saliente (no se recomienda su uso)

0.5

Con aletones (de 0 a 90 grados) campana al en el extremo

0.2

Con aletones (de 0 a 90 grados) espiga en extremo (no se recomienda su uso)

0.5

Con aletones (de 0 a 90 grados) redondeada (radio =D/2)

0.2

Sección terminal prefabricada de acuerdo con talud

0.5

Exentos

0.6

Con muros de acompañamiento

0.4

COEFICIENTES DE PERDIDAS DE CARGA EN LA ENTRADA Entrada

0.2

Con aletones

0.3 Otros conductos de hormigón

Exentos

0.6


0.4

Con aletones

0.2 Tubos corrugados

Extremo saliente

0.9

Con aletones (de 0 a 90 grados)

0.5

Chaflanado de acuerdo con talud

0.7

Sección terminal prefabricada de acuerdo con talud

0.5

Exentos

0.8

Ataluzados

0.7


0.6

Con aletones

0.3 Cajones de concreto armado

Aletones o muros de Cabeceras Aristas sin redondear

0.7- 0.5 - 0.4 - 0.5

Muros de cabeceras tres aristas redondeadas

0.2

Aletones (de 30 y 75 grados) arista superior redondeada

0.2



11:27:23 AM

Page 18


Coeficiente de pérdida



propuestos por la FHWA.



Tipo de estructura y diseño de entrada Tubo circular de hormigón Sobresaliendo la tubería del terraplén (extremo en forma de garganta o abocinado) Projecting from fill, socket end (groove-end) Sobresaliendo del terraplén (bordes vivos o cortados cuadrados)



0,2

0,5

Muro o muro y aletones Extremo en forma de garganta o abocinado (groove-end)

0,2

Bordes vivo o cuadrado

0,5

Redondeado (radio = D/12)

0,2

Conducto en bisel según pendiente del talud del terraplén (Mitered to conform to fill Slope) *Sección extrema según pendiente del talud del terraplén (End-Section conforming to fill slope)

0,7

0,5

Bordes biselados, con ángulos de 33.7 ó 45o

0,2

Entrada de lado o pendiente estrechada (Side- or slope-tapered inlet)

0,2

Tubo o arco–bóveda. Metal corrugado Sobresaliendo del terraplén (sin muro de cabecera)

0,9

Muro o muro y aletones con bordes vivo o cuadrado.

0,5

Conducto biselado según talud del terraplén, talud pavimentado o no

0,7

*Sección extrema conforme la pendiente del talud del terraplén

0,5

Bordes biselados, con ángulo 33,7oo 45o

0,2

Embocadura de lado o pendiente estrechada

0,2

Cajón de hormigón reforzado

Muro paralelo al terraplén (no aletones) 3 bordes cuadrados


0,5


11:27:23 AM

Page 19




Tipo de estructura y diseño de entrada 3 bordes redondeados radio 1/12 dimensión del conducto, o bordes

0,2

biselados en los 3 lados Aletones de 30° a 75° con respecto al conducto Borde del coronamiento cuadrado

0,4

Borde del coronamiento redondeado, radio 1/12 dimensión del conducto,

0,2

o borde de coronamiento biselado Aletones de 10° a 25° con respecto al conducto Borde del coronamiento cuadrado

0,5

Aletones paralelos (extension of side) Borde de coronamiento cuadrado

0,7

Embocadura de lado o pendiente estrechada

0,2

TABLA 2.- Coeficientes de perdidas por entrada en la alcantarilla

La representación esquemática de algunas de las configuraciones a la entrada planteadas en la tabla anterior se presenta a continuación.

Muros y aletones


Oblicua


Sobresaliendo de terraplén

11:27:23 AM

Page 20

ANALISIS HIDRAULICO DE ALCANTARILLA - NELAME 2.4

TIPOS DE FLUJO A TRAVÉS DE ALCANTARILLAS

Una alcantarilla es un tipo único de construcción y su entrada es una clase especial de contracción. Actúa como un canal abierto siempre y cuando el flujo sea parcialmente lleno. Las características de flujo son muy complicadas, debido a que este es controlado por muchas variables, incluidas la geometría de entrada, la pendiente, el tamaño de la alcantarilla, la rugosidad, las condiciones de profundidad de aproximación y de la salida, etc. Luego una adecuada determinación de flujo a través de una alcantarilla debe hacerse mediante investigaciones de laboratorio o de campo. El tipo de flujo que ocurre en una alcantarilla depende de la energía disponible entre la entrada y la salida. La energía disponible consiste primordialmente de la energía potencial o sea la diferencia en elevación entre las cotas de la carga de agua a la entrada y a la salida, (la velocidad a la entrada donde normalmente donde sucede de un almacenamiento y frecuentemente es pequeña bajo estas condiciones, y la carga de velocidad puede considerarse cero), como se observa en la figura 4. El flujo que ocurre de forma natural es aquel que gastara completamente la energía disponible, o sea, la energía se gasta a la entrada, en fricción, carga de velocidad y en profundidad. Al llegar el agua a la alcantarilla se sucede una retardación del flujo, si no se provee suficiente capacidad de la alcantarilla, el agua pasara encima de la vía. Debido a que la elevación del agua en la entrada de una alcantarilla es un factor limitante en el diseño, es necesario evaluar la relación entre elevación del agua a la entrada y el caudal, relación que depende de la manera que la alcantarilla deberá de operar. Una alcantarilla fluirá llena cuando su salida se encuentre sumergida, o cuando no esta sumergida pero la profundidad a la entrada es alta y su longitud es larga. De acuerdo con investigaciones en laboratorio,

ℎ

la entrada de una alcantarilla ordinaria no se sumergirá si la profundidad de entrada es menor que un

ℎ

cierto valor crítico, designado mediante de

, en tanto que la salida no se encuentre sumergida. El valor

varía desde 1.2 a 1.5 veces la altura o diámetro de la alcantarilla, según las condiciones de entrada,

las características de la forma de la alcantarilla y la condición del cauce de aproximación. Si la alcantarilla no es lo suficientemente larga para permitir que la expansión del flujo por debajo de la contracción suba y llene todo el cuerpo de la alcantarilla, nunca fluirá llena. Tal alcantarilla se considera hidráulicamente corta. De otra manera, es hidráulicamente larga, debido a que fluirá llena, como una tubería.



11:27:23 AM

Page 21


Que una alcantarilla sea hidráulicamente corta o larga no puede determinarse solo con la longitud del cuerpo. Ello depende otras características, como la pendiente, el tamaño, la geometría de entrada, el nivel de agua en el lado agua arriba, las condiciones de entrada y salida, etc. Una alcantarilla puede convertirse en hidráulicamente corta, es decir fluir parcialmente llena, aun cuando el nivel del agua en el lado aguas arriba es mayor que su valor crítico. Para esta evaluación, la operación de las alcantarillas puede ser dividida en clasificaciones mayores: -

Clase I: parcialmente lleno a la entrada, o sea con entrada no sumergida. y

-

Clase II: flujo lleno a la entrada, o sea con entrada sumergida

2.4.1 ALCANTARILLAS CON ENTRADA LIBRE O NO SUMERGIDA, CLASE I

Este tipo de alcantarillas se emplea cuando la losa superior de esta, forma parte de la vía y para evitar

ℎ

1.5

que el agua perjudique el terraplén. Una alcantarilla trabaja con entrada libre cuando la altura aguas arriba,

es menor que

. Si la entrada no queda sumergida la salida tampoco lo estará, o sea la

entrada y salida serán libres. Según esta condición se puede clasificar los siguientes tipos de flujo: A. flujo Tipo 1 En esta clasificación de flujo, el tirante crítico se presenta en la vecindad de la entrada de la alcantarilla. Ver figura 5. Para que se presente este tipo de flujo, debe de cumplir los siguientes requisitos: 1. La razón carga – diámetro no debe de exceder de 1.5, o sea

 >  ℎ ≤ 

 < 1.5

.

2. La pendiente de la alcantarilla debe ser mayor que la pendiente critica, formando un flujo

supercrítico,

.

3. La elevación aguas abajo, carga del agua a la salida,

ℎ ℎ < 

debe ser menor que la elevación de la

superficie del agua en la sección critica cercana a la entrada, que el diámetro,

.

y debe ser menor o igual

4. Este caso es común para alcantarillas en terrenos con colinas o montañosos. 5. El control es la profundidad crítica en la entrada, y el flujo en la alcantarilla se acelerará de la

velocidad crítica a la velocidad normal para pendiente de la alcantarilla, fluyendo parcialmente llena. 6. La velocidad en la salida se puede estimar como aproximándose a la velocidad normal. DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


11:27:23 AM

Page 22

ANALISIS HIDRAULICO DE ALCANTARILLA - NELAME 7. La profundidad crítica dc se produce a una distancia de la entrada de la alcantarilla de 1.4 dc. 8. La ecuación del gasto en la alcantarilla seria:

Donde: critica,

    =2ℎ  2 ℎ    =   = .   - Coeficiente de gasto,

- Profundidad del flujo en la sección de llegada,

- Elevación de la entrada de la alcantarilla relativa a la salida,

de la alcantarilla, llegada,

- Área de flujo para la profundidad critica,



-Profundidad

-Profundidad aguas debajo

- Velocidad media en la sección de

- Perdidas de carga causadas por la fricción desde la sección de llegada hasta la entrada

de la alcantarilla , calculada por

,

,

- Distancia desde la sección de

llegada hasta la entrada de la alcantarilla. Generalmente, se utiliza el diámetro de la alcantarilla. Esta ecuación se utiliza las unidades del sistema inglés.

FIGURA 7.- Flujo en alcantarilla tipo 1

Los resultados de los ábacos se le han ajustado estadísticamente una ecuación con los resultados siguientes: Sedimentación a la entrada y salida de alcantarillas con diámetros pequeños. 

Para tuberías:



Para cajones:

 = 0.91487 −. .  = 0.8576 .. ℎ = 0.8089 .. ,



,

11:27:23 AM

Page 23


 = 0.7964 −. .  = 0.3021 . . ℎ = 0.75  . . ,

,

B. flujo Tipo 2

En esta clasificación del flujo, el tirante crítico se presenta a la salida de la alcantarilla. Para que se

 < 1.5

presente este tipo de flujo, se debe cumplir los siguientes requisitos. Ver figura 6. 1. La razón carga – diámetro no debe de exceder de 1.5, o sea

 <  ℎ ℎ < 

.

2. La pendiente de la alcantarilla debe ser menor que la pendiente critica, formando un flujo

subcritico,

.

3. La elevación aguas abajo,

sección critica,

no puede exceder la elevación de la superficie del agua en la

ℎ ≤   = 2ℎ  2  ℎ ℎ .

4. La carga de aguas abajo debe ser menor o igual que el diámetro,

.

5. El control es la profundidad crítica en la salida, fluyendo parcialmente llena. 6. La ecuación del gasto en la alcantarilla seria:

  .     =   =    Donde:


- Perdidas de carga causadas por la fricción a lo largo de la alcantarilla, calculada por

,

,

- Distancia desde la sección de llegada hasta sección de salida de la

alcantarilla. Esta ecuación se utiliza las unidades del sistema inglés.



11:27:23 AM

Page 24


Los resultados de los ábacos se le han ajustado estadísticamente una ecuación con los resultados siguientes: Con entradas cuadradas montadas a paño en pared vertical. 

Para tuberías:

 = 0.92 9 −−.. ..  = 0.8 37..  ℎ = 0.795 ..   = 0.86 3    = 0.4 24  . ℎ = 0.84  . ,



,

Para cajones:

,

,

C. flujo Tipo 3

En este tipo de flujo, la existencia de un perfil de flujo gradualmente variado es el factor de control (remanso en la salida), no puede presentarse un tirante crítico, y la elevación de la superficie del agua en la sección aguas arriba de la alcantarilla es una función de la elevación aguas abajo de la alcantarilla. Ver figura 7. En esta clasificación de flujo, este es subcritico a todo lo largo de la alcantarilla. Para que

 < 1.5

se presente este tipo de flujo, deben cumplirse los siguientes requisitos: 1. La razón carga – diámetro no debe de exceder de 1.5, o sea

.

2. La elevación aguas abajo no será suficiente para ahogar la salida de la alcantarilla, pero

excederá la elevación del tirante critico a la salida, o sea

, fluyendo parcialmente

ℎ ≤ 

llena.

3. El límite inferior de la elevación aguas abajo será tal que: a) la elevación aguas abajo del agua

sea mayor que el tirante critico en la entrada de la alcantarilla, si las condiciones de flujo son tales que se presentarse un tirante critico en la entrada, b) la elevación aguas abajo del agua sea mayor que la elevación del tirante critico a la salida de la alcantarilla, si la pendiente de

ℎ ≤ ℎ >< 

esta es tal que el tirante critico se presentaría en esta sección bajo la condición de caída libre. 4. La elevación del agua a la salida deberá ser mayor que el tirante crítico, 5. La carga de aguas abajo debe ser menor o igual que el diámetro

.

.

6. La pendiente de la alcantarilla debe ser menor que la pendiente critica, 7. El control es un remanso en la salida. 8. La ecuación del gasto en la alcantarilla seria: DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


11:27:23 AM

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.


 = 2ℎ  2 ℎ ℎ ℎ


Los resultados de los ábacos se le han ajustado estadísticamente una ecuación con los resultados siguientes: Erosión en la entrada por falta de cabezal. 

Para tuberías: ,



. ..

,

. ..

 = 0.893085 −.−...  = 0.59408624  . ℎ= 0.7069  . ℎ 1.5 Para cajones:

,

,

2.4.2 ALCANTARILLAS CON ENTRADA SUMERGIDA, CLASE II

Una alcantarilla trabaja con entrada sumergida cuando la altura aguas arriba,

es mayor que

, se

pueden subdividir según: 2.4.3 FLUJO TIPO 4

En esta clasificación de flujo se puede indicar, ver figura 8: 1. La alcantarilla está llena, así que el gasto se puede estimar directamente con la ecuación de energía. DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


11:27:23 AM

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ℎ

ℎ

2. Las pérdidas de carga entre las secciones de llegada, de salida,

y aguas abajo,

ℎ

y la de entrada,

ℎ

y las secciones

(ver figura 4) con frecuencia pueden despreciarse.

3. Las pérdidas causadas por la expansión brusca del campo del flujo a la salida de la alcantarilla se supone que es la diferencia de carga entre las secciones de salida, la sección aguas abajo,

de la alcantarilla y

ℎ ℎ ℎ >  = 1229ℎℎ   .

4. El tipo de control es de salida con remanso.



5. La elevación del agua en la salida deberá ser mayor que el diámetro de la alcantarilla, , o sea, que esta sumergida.

6. La ecuación del gasto en la alcantarilla seria:

Donde el subíndice o, se refiere al valor para alcantarilla llena.


2.4.4 FLUJO TIPO 5

En esta clasificación de flujo podemos indicar, ver figura 9: a. La razón carga – diámetro de alcantarilla excede a 1.5. b. El flujo es supercrítico a la entrada a la alcantarilla, o sea DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


 > 

11:27:23 AM

. Page 27


c. El tipo de control depende de la geometría en la entrada. d. La elevación de aguas abajo, se encuentra debajo del invert de la alcantarilla, e. La alcantarilla fluye parcialmente llena.

ℎ < 

f. La ecuación del gasto en la alcantarilla seria:

 = √2ℎ  FIGURA 11.- Flujo en Alcantarilla tipo 5

2.4.5 FLUJO TIPO 6

En esta clasificación de flujo podemos indicar, ver figura 10: a. La razón carga – diámetro no debe exceder a 1.5. b. La alcantarilla fluye llena y el tipo de control depende de la geometría de la entrada y de la alcantarilla. c. La elevación del agua en la salida debe ser menor que el tamaño de la alcantarilla,

 = √2ℎ ℎ ℎ

d. La ecuación del gasto en la alcantarilla seria:



11:27:23 AM

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ℎ < 

.


FIGURA 12.- Flujo en alcantarilla, tipo 6.

En libro de hidráulica de canales abiertos de Richard French, presenta un flujograma para poder identificar los tipos de flujo en alcantarillas, o sea como guía en la clasificación del flujo en alcantarillas dentro de una de las categorías anteriores.

FIGURA 13.- Flujograma para los tipos de flujo en alcantarillas DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


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COEFICIENTE DE GASTO

El coeficiente de gasto,



se han establecido por pruebas de laboratorio se ha observado que varían

dentro de un intervalo de 0.39 a 0.98. En general, el coeficiente de gasto esta en función del grado de la contracción del canal y de la geometría de la entrada de la alcantarilla. Para el caso de algunas geometrías de entrada, un coeficiente de base de gasto debe multiplicarse por un factor que refleje el grado de redondeo o el biselado de la entrada. Además, los valores del coeficiente de gasto se pueden aplicar a instalaciones de una sola o de múltiples alcantarillas, si la red entre las alcantarillas en las instalaciones de alcantarillas múltiples es menor que 0.1 del ancho de una sola alcantarilla. Al examinar la variación del coeficiente de gasto, es conveniente considerar tres grupos: los flujos tipo 1, 2, 3 forman un grupo, los de tipo 4 y 6 un segundo grupo y el flujo tipo 5 un tercer grupo. Asimismo, se consideran cuatro tipos de geometrías de entrada: 1) a paño con pared vertical, 2) paredes inclinadas, 3) entrada protuberante y 4) alcantarilla a escuadra sobre unos lados inclinados. 2.5.1 COEFICIENTE DE GASTO PARA FLUJOS TIPOS 1, 2 Y 3

/

Los coeficientes de gastos para alcantarillas de aristas cuadradas colocadas en una pared vertical es una función de

, donde el coeficiente de gasto base para este caso se puede determinar por la

figura 11, que expresa el coeficiente base de gasto para flujos tipos 1,2 y 3 en alcantarillas circulares con entradas cuadradas montadas a paño en pared vertical. (Bodhaine, 1976).

FIGURA 14.- Coeficiente de gasto para los flujos tipos 1,2 y 3.



11:27:23 AM

Page 30


 

 

Si se redondea o se bisela la entrada, el coeficiente de gasto obtenido con la figura 11 debe multiplicarse por alguno de los coeficientes

o

. Estos coeficientes

redondeo de la entrada o biselado. El coeficiente en función de

o

y

están en función del grado de

está en función de

o

, ver figura 12 y

, ver figura 13, para flujos tipos 1,2 y 3 en alcantarillas rectangulares o

/ /



circulares colocadas a paño en paredes verticales (Bodhaine, 1976).

/ /   

Sea observado que el coeficiente de gasto para alcantarillas rectangulares en paredes verticales está en función del número de Froude. Para los tipos de flujo 1 y 2, el número de Froude es uno y a 0.95. Para el flujo tipo 3, el número de Froude debe determinarse en la sección 3 y la figura 14.

es igual

se tomaría de

En la figura 14, se puede extrapolar hasta los valores del número de Froude de 0.1, de ser necesario.

  

Si la entrada de la alcantarilla se redondea o se bisela, el coeficiente de gasto ajustado se obtiene al multiplicar el

de base por

o

, que se estiman en las figuras 12 y 13.

FIGURA 15.- Coeficiente kr para los flujos tipos 1,2 y 3



11:27:23 AM

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FIGURA 16.- Coeficiente kw para flujo tipos 1,2 y 3

FIGURA 17.- Coeficiente de gasto para tipo 3

Si se ponen paredes inclinadas a la entrada de la alcantarilla circulares en paredes verticales no tiene



ningún efecto sobre el coeficiente de gasto. En el caso de las alcantarillas rectangulares, el coeficiente de gasto base obtenida con la figura 15, se debe multiplicar por



, que es un parámetro que esta en

función del ángulo de la pared inclinada y que se obtiene de la figura 15. El coeficiente

está en

función del ángulo de inclinación de la pared de entrada para flujos 1,2 y 3 en alcantarillas rectangulares con paredes a paño con el talud (Bodhaine, 1976). DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


11:27:23 AM

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FIGURA 18.- Coeficiente de gasto de alcantarilla con ángulo de inclinación



Si la entrada de las paredes inclinadas no es simétrica, entonces debe determinarse, independientemente, un valor de

para cada lado, y promediar los resultados. En una alcantarilla

circular que se extiende más allá de la pared de entrada o del talud, el coeficiente de gasto se determina





al seguir el procedimiento descrito para una alcantarilla a paño con una pared vertical y al multiplicarlo por el parámetro talud.

. En la tabla siguiente, se encuentran valores de

en función de la pared o el

TABLA 3.- Valores de kL para alcantarilla



11:27:23 AM

Page 33

Donde








es la longitud de la protuberancia de la alcantarilla desde la pared o el talud. El coeficiente

de gasto sobre el que se aplica

no debe exceder de 0.95, ya que este el valor límite de

. El

coeficiente de gasto de una alcantarilla a escuadra, puesta a canto sobre el talud, se determina con la figura 8.32

Figura 8.32. Coeficiente de gasto para flujos tipo 1,2 y 3 en una tubería a escuadra y paño con el talud. (Bodhaine, 1976). Todas las alcantarillas con flujo tipo 1,2 y 3 se necesita un ajuste final del coeficiente de gasto, por la siguiente ecuación por el efecto de contracción del flujo.

  = 1     = 0.80

Donde: m - razón de contracción del canal, flujo en la sección Terminal. Para

- área de flujo en la sección de entrada,



con la figura 8.33, según Bodhaine, 1976.


- área del

, un valor ajustado del coeficiente de gasto puede estimarse


11:27:23 AM

Page 34


 > 0.80 ∗ = 0.98 0.98  0.80

FIGURA 19.- Ajuste del coeficiente de gasto según el grado de contracción para flujo 1,2 y 3.

Para valores de

, el coeficiente ajustado se puede estimar con

FIGURA 20.- Pendiente critica en función de la carga de llegada para flujo tipo 1 y 2 en tuberías circulares y arcos circulares



11:27:23 AM

Page 35




11:27:23 AM

Page 36


2.5.2 COEFICIENTE DE GASTO PARA FLUJOS TIPOS 4 Y 6.

El coeficiente de gasto para alcantarillas circulares o rectangulares a paño con la pared vertical se determina de la tabla 8.21 para estos tipos de flujos.



11:27:23 AM

Page 37


Para alcantarillas con secciones finales abocinadas (forma de bocina), Cd = 0.90 independientemente del diámetro o el valor de h 1/D. Si se agregan paredes inclinadas a la entrada de las alcantarillas circulares a paño con la pared, no causa ningún efecto sobre el coeficiente de gasto. En alcantarillas con paredes inclinadas y entradas cuadradas, Cd = 0.87 para 30 ≤ θ ≤ 75 grados y Cd = 0.75 para θ = 90 grados, donde el ángulo se define en la figura 8.31. 2.5.3 COEFICIENTE DE GASTO PARA FLUJOS TIPOS 5.

El coeficiente de gasto para alcantarilla circulares o rectangulares a paño en una pared vertical con flujo tipo 5, se resumen en la tabla 8.22.

Aunque el flujo tipo 5 no se presenta normalmente en alcantarillas con secciones de entrada y salida abocinadas, si L/D< 6 y Sc > 0.03, puede ocurrir el flujo tipo 5. Aunque en estas condiciones, el flujo tipo 5 puede gradualmente convertirse en flujo tipo 6. Si, aun así se considera que pueda ocurrir un flujo tipo 5, entonces el coeficiente de gasto es una función de h1/D (ver tabla 8.23).



11:27:23 AM

Page 38


El coeficiente de gasto de una alcantarilla circular a paño con pared vertical no se ve afectado por paredes inclinadas adicionales. Para el caso de alcantarillas rectangulares con paredes inclinadas y entradas cuadradas, el coeficiente de gasto es una función de h 1/D y θ (tabla 8.24).

Para alcantarillas circulares a escuadra y a paño con el talud, el coeficiente de gasto se estima determinando un coeficiente base de la tabla 8.22 y multiplicando este por 0.92. Si la alcantarilla es de pared delgada (metal corrugado) el parámetro KL (tabla 8.20) también debe emplearse. DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


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Al evaluar la precisión de la estimación de los gastos, Bodhaine (1976) noto que se deben considerar seis factores: 

La precisión en los datos de elevaciones de las secciones de llegada y salida



La estabilidad del canal de llegada



La semejanza de las condiciones de entrada con las estándar



La forma y condición de la alcantarilla



La socavación de sedimentos en la alcantarilla



La posibilidad de que la alcantarilla se encuentre parcialmente obstruida por detritos



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Tabla - Relaciones geométricas de las secciones transversales más frecuentes. DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


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ANALISIS HIDRAULICO DE ALCANTARILLA - NELAME 3

SELECCIÓN DEL DIAMETRO PARA ALCANTARILLAS

Las alcantarillas generalmente manejan caudales relativamente pequeños, por lo tanto, una forma de diseñar las alcantarillas es logrando una capacidad de flujo lleno, conociendo el caudal de entrada, la profundidad de flujo disponible hasta la rasante del diseño geométrico y el borde libre, como factor de seguridad para que la corriente no pase sobre la vía de la carretera, o bien la relación de la profundidad de flujo permitido y el diámetro de la alcantarilla

/

.

La obtención del diámetro para una alcantarilla, está limitada por la altura,



que alcanzara el agua en

la entrada para el caudal de diseño. La determinación de la cota de agua admisible a la entrada, es uno de los aspectos que debe recibir más cuidadosa consideración, y depende de: la elevación de la subrasante de la vía en la zona adyacente, la elevación de las propiedades vecinas, tanto presentes como futuras, las posibilidades de taponamiento de la entrada, la presión hidrostática sobre los terraplenes de la vía. Al fin de facilitar las tareas de conservación, las dimensiones de las obras de cruce de desagüe deben ser en todo caso superiores a unos valores mínimos que dependen de la longitud de la obra. Las dimensiones mínimas según las normas españolas se muestran en la tabla. Diámetros mínimos para alcantarillas, según normas españolas Longitud de la obra (m)

Diámetro mínimo (pie)

Diámetro (plg)

Diámetro mínimo (m)

<3

2

24

0.60

3-4

2 1/2

30

0.80

4-5

3

36

1.0

5-10

4

48

1.20

10-15

5

60

1.50

> 15

6

72

1.80

TABLA 4.- Diámetros mínimos para alcantarillas, según normas españolas

Cuando los factores señalados no sean suficientes para definir la cota admisible de las aguas a la entrada, se podrá recurrir a la recomendación general en el sentido que la altura de agua debe estar 60





cm por debajo del nivel de la rasante (de la vía), cuidando de que la relación entre la altura de agua en la entrada (

) y la altura de la alcantarilla


, no exceda los valores de la tabla.


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/

Alturas máximas a la entrada de alcantarillas Altura de la alcantarilla(D) Menos de 0.90 m (36 plg)

1.5

Entre 0.90 m (36 plg) y 1.5 m (60 plg)

1.3

Entre 1.5 m (60 plg) y 2.0 m (70 plg)

1.2

Mayor de 2.0 m (70 plg)

1.0

TABLA 5.- Alturas máximas a la entrada de alcantarillas

Por razones de mantenimiento, y para disminuir el efecto de atascamiento, es preferible no usar diámetros menores de 36 plg. La salida o descarga, también requiere ser considera en el diseño, ya que las aguas deben reincorporarse a su cauce natural, sin causar daños ni a la vía, ni a las propiedades adyacentes, por tanto, el lecho no debe ser sometido a erosión, que puedan someter a la vía a peligro. La selección del diámetro de la alcantarilla, consiste en determinar el menor de estos, que cumpla las limitaciones de altura de agua a la entrada y resulte una velocidad de salida adecuada. Adicionalmente, las alcantarillas tienen dos posibilidades de funcionamiento usualmente conocidos con los nombres de “Control a la entrada” y “Control a la Salida”. En el primer caso, el caudal que pasa por

la alcantarilla es determinado por las condiciones geométricas e hidráulicas de la entrada, mientras que en el segundo por las de salida, se trata, por lo tanto, de calcular la altura de agua a la entrada para ambos casos y seleccionar el mayor, ya que no es posible conocer con exactitud como funcionara.

   = .   . ( )   = .    .  ( )     

Una ecuación empírica que permite estimar la carga a la salida de la alcantarilla, 

circulares funcionando a tubo lleno



cajas, funcionando llenas

Donde:

- coeficiente de pérdidas a la entrada,

de Manning,

:

- diámetro de la alcantarilla en pies,

- longitud de la alcantarilla en pies,

- caudal de diseño en p 3/s,

de la alcantarilla en pies.



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- coeficiente

- carga a la salida

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ANALSIS HIDRAULICO DE ALCANTARILLA SEGÚN FHWA

Según la circular de FHWA, en la figura 21 se describe la línea del gradiente de energía y la línea del gradiente hidráulico para un flujo lleno en la alcantarilla. La línea del gradiente de energía representa



la energía total en cualquier punto a lo largo de la alcantarilla. La altura de agua a la entrada ( ) es la profundidad desde la entrada del invert hacia la línea del gradiente de energía. La línea de la gradiente hidráulica es la profundidad con que el agua accesa en el tubo vertical conectado en la pared lateral de la alcantarilla. En el flujo lleno, la línea del gradiente de energía y la línea del gradiente hidráulico son paralelas y bruscamente se separan por la línea de carga de velocidad en la vecindad de la entrada a causa por la contracción. Las cargas aguas arriba y aguas abajo, como la del tubo, como en la entrada, la fricción y las perdidas por entrada se muestran en la figura 1. La ecuación de la energía total en las secciones 1 y 2 (ver figura

 =    29    32.2=/1    2       

21), las relaciones resultan:

Donde



Donde (pie),



- es la suma de todas las pérdidas

- velocidad media en la alcantarilla (p/s),

- aceleración gravitacional

alcantarilla (ver 2N-1, tabla 1), fricción en la alcantarilla,


- altura de agua a la salida de la alcantarilla

, - coeficiente de pérdida a la entrada de la

- perdida a la entrada de la alcantarilla,

,

- pérdida de carga de velocidad,


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, - pérdida

.

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de


FIGURA 21.- Líneas de energía e hidráulica a flujo lleno

4.1

CONTROLES DE ENTRADA Y SALIDA

La metodología del diseño contenido en esta sección es para el diseño de alcantarillas con una descarga constante considerando un control a la entrada y en la salida. Generalmente, el control hidráulico en una alcantarilla debe ser de salida, si la alcantarilla es trazada con una pendiente suave. Un control de entrada usualmente ocurre, si la alcantarilla es trazada con una pendiente empinada. Para un control a la entrada, las características de entrada de la alcantarilla dependen de las pérdidas a la entrada que son predominantes en la determinación de la altura de agua en la alcantarilla (HW). El tubo puede llevar agua a través de la alcantarilla con una mejor eficiencia cuando el agua pueda entrar a la alcantarilla. Un buen diseño y análisis de la alcantarilla requiere chequear los controles de entrada y de salida para determinar cuál de estos debería gobernar particularmente el diseño de la alcantarilla. Para un control de salida, las pérdidas debidas a la altura de agua a la salida (TW) y las perdidas por fricción son predominantes para controlar la altura de agua a la entrada (HW) de la alcantarilla. La entrada debería permitir que el agua entre a la alcantarilla más rápidamente, el efecto de remanso en la altura de agua en la salida y las perdidas por fricción deberían permitir el flujo en la alcantarilla.



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4.1.1

CONTROL A LA ENTRADA

El funcionamiento de la alcantarilla, desde este control, se determina con las condiciones aguas arribas y la altura de agua a la entrada y los efectos configuraciones a la entrada. La profundidad de la altura de agua (HW) es medida desde el invert de la sección control de entrada a la superficie aguas arriba. El área a la entrada es el área de sección circular de la cara de la alcantarilla. Generalmente, el área de la entrada es iguala al área del conducto, pero para las entradas afiladas, el área se agranda y la sección de control está en la garganta. D. Ejemplos del control de la entrada: Las figuras 1A – 1D representa varios ejemplos del flujo del control de entrada. El tipo de flujo de pende en la sumersión en el extremo de la entrada de la alcantarilla. En todos estos ejemplos, la sección de control está en el extremo de la entrada de la alcantarilla. Dependiendo de la altura de agua a la salida (tailwater) un salto hidráulico puede ocurrir aguas abajo de la entrada. a. La figura 1A representa una condición donde ni la entrada ni la salida de la alcantarilla están sumergidas. El flujo pasa con profundidad crítica apenas aguas abajo de la entrada de la alcantarilla y el flujo en el conducto es supercrítico. El conducto fluye parcialmente lleno en toda su longitud, y el flujo se acerca a profundidad normal en el extremo final de la alcantarilla.

Figura 1A. – Entrada y Salida no sumergida

b. La figura 1B demuestra que la salida de la alcantarilla estando sumergida no asegura un control de salida. En este caso, el flujo apenas aguas abajo de la entrada es supercrítico y un hidráulico salto se forma en el conducto de la alcantarilla.



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Figura 1B. – Salida no sumergida y Entrada no sumergida

c. La figura 1C es una situación más típica del diseño. Se sumerge el extremo de la entrada y el extremo de la salida es una descarga libre. Una vez más el flujo es supercrítico y los flujos parcialmente lleno en el conducto sobre su longitud. La profundidad crítica está situada apenas aguas abajo de la entrada de la alcantarilla, y el flujo se está acercando a una profundidad normal aguas abajo en el extremo de la salida de la alcantarilla.

Figura 1C. – Entrada sumergida y Salida no sumergida d. La figura 1D es una condición inusual que ilustra, prácticamente tanto la entrada como la salida de la alcantarilla están sumergidas, lo cual no asegura un flujo lleno. En este caso, un salto hidráulico se puede formar en el conducto. A la mitad de la entrada proporciona la ventilación de la alcantarilla. Si el conducto no tuviera ventilación, las presiones sub-atmosféricas podría desarrollar condiciones inestables, alternando regímenes de flujo lleno y parciamente lleno.

Figura 1D.– Entrada y Salida sumergidas



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4.1.2

CONTROL A LA SALIDA

Todos los factores que influyen el funcionamiento de una alcantarilla con control de entrada también Influyen en el control de salida. Además, las características del conducto (rugosidad, área, forma, la longitud, y pendiente) y la elevación del agua a la salida (tailwater) afectan funcionamiento de la alcantarilla en control de salida. La rugosidad del conducto es una función del material usado para fabricar el conducto. Materiales típicos incluyen el metal corrugado y concreto. La rugosidad es representada por un coeficiente de resistencia hidráulica tal como el valor de n de Manning. El área y la forma del conducto se explican por sí mismo. La longitud del conducto es la longitud total de la alcantarilla de la entrada a la salida de la alcantarilla. Para el diseño, la altura del conducto y la pendiente influyen en la longitud real, una aproximación de la longitud del conducto es generalmente necesaria para comenzar el proceso del diseño. La pendiente del conducto es la pendiente real del conducto de la alcantarilla. La pendiente del conducto está a menudo igual que la pendiente natural de la corriente. Sin embargo, cuando se levanta o se baja la entrada de la alcantarilla, la pendiente del conducto es diferente de la pendiente de la corriente. La altura de agua a la salida de la alcantarilla (tailwater) se basa en la elevación en la superficie del agua aguas debajo de la alcantarilla. Los cálculos de un remanso para un control aguas abajo, una aproximación de la profundidad normal, u observaciones del campo son usados para definir la elevación de la salida aguas debajo de la alcantarilla (TW). E. Hidráulica del control de salida El flujo lleno en el conducto de la alcantarilla, según lo representado en la figura 2A, es el mejor tipo de flujo para describir hidráulica del control de salida. Las condiciones del flujo del control de salida pueden ser calculadas en base del balance de energía. La energía total (HL) requerido para pasar atreves del conducto de la alcantarilla se compone de la pérdida de la entrada (He), la pérdida de la fricción a través del conducto (Hf), y la pérdida de la salida (Ho). Otro pérdidas, incluyendo las pérdidas de la curva (Hb), pérdidas en las juntas (Hj), y pérdidas en las puertas (Hg) deberían ser incluido como apropiado.



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a. La figura 2A representa la condición clase de flujo lleno, con la entrada y la salida sumergidas. El conducto está en flujo presión a través de su longitud. Esta condición se asume a menudo en cálculos, pero existe raramente realmente.

Figura 2A: La entrada y la salida sumergidas

b. La figura 2B representa una salida sumergida y con la entrada no sumergida. Para este caso, la altura de agua a la entrada (HW) es bajo (poco profundo) para exponer la corona de la entrada como los flujos contraídos en la alcantarilla.

Figura 2B: La salida es sumergida pero la entrada no sumergida

c. La figura 2C demuestra la entrada sumergida a tal grado que fluye la alcantarilla de forma llena en toda su longitud mientras que en la salida no es sumergida. Esto es una condición rara. Requiere de una altura de agua a la entrada extremadamente alta para mantener flujo lleno en el conducto sin producir una altura de agua a la salida (TW). Las velocidades de la salida son generalmente altas bajo esta condición.

Figura 2C: La entrada sumergida y la salida no sumergida



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d. La figura 2D es la más típica. La entrada de la alcantarilla es sumergida por la altura de agua a la entrada (HW) y en la salida el flujo es libremente con una altura de agua a la salida (TW) bajo. Para esta condición, el conducto fluye parcialmente por lo menos parte de su longitud (flujo subcritico) y el flujo puede pasar a través de una profundidad crítica apenas aguas arriba de la salida.

Figura 2D.- Entrada sumergida y la salida parcialmente sumergida

e. La figura 2E es también típica, con ni la entrada ni la salida de la alcantarilla sumergida. El conducto fluye parcialmente lleno en su longitud, y el perfil del flujo es subcritico.

Figura 2E: Entrada y Salida no sumergida

4.2

USO DE LOS NOMOGRAMAS DE CONTROL DE ENTRADA Y DE SALIDA

El procedimiento de diseño siguiente proporciona un método conveniente y organizado para diseñar alcantarillas con un caudal constante, considerando controles de entrada y de salida. El procedimiento de diseño hace uso de nomogramas. El diseñador puede utilizar Análisis de la alcantarilla HY8 Programa del microordenador o usar los nomogramas, o programa de la alcantarilla del DOT de Iowa, que puede ser encontrado en: http://www.dot.state.ia.us/bridge/prelprog.htm.



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El método racional o el método TR-55 se debe utilizar más bien que la curva de lluvia de Iowa, que se utiliza en el programa de la alcantarilla. HY8 Programa puede ser encontrado en el Manual de drenaje modelo de AASHTO, 1998. El uso de nomogramas requiere una solución del ensayo y error. La solución es bastantemente completa y provee diseños confiables para muchas aplicaciones. Debe ser recordado que la velocidad, el hidrograma, la rasante de la calzada y la búsqueda del control requieren cómputos separados adicionales de qué puede ser obtenido de los nomogramas. Las figuras 5-8 muestran ejemplos para la utilización de los nomogramas de control de entrada que se pueden utilizar para diseñar tubos de concreto. Cuadros 9-11 muestran ejemplos para los nomogramas de control de salida. Para el diseño de alcantarilla no cubierto por estos nomogramas, referirse al sistema completo de ábacos dados en la Gerencia de la municipalidad de la precipitación excesiva, segunda edición, 2003 de Thomas N. Debo, Andrew J. Reese. El siguiente procedimiento de diseño requiere el uso de los nomogramas de controles de entrada y de salida: a) Paso 1: Datos de diseño: Q = descarga (cfs), L = longitud de la alcantarilla (pies), S = pendiente de la alcantarilla (pie/pie), Ke = coeficiente de la pérdida de la entrada, V = velocidad (p/s), TW = profundidad del agua a la salida (pies), HW = profundidad permisible a la entrada para la tormenta del diseño (pies), b) Paso 2: Determinación de las dimensiones de la alcantarilla asumiendo una velocidad de 3-5 p/s obteniendo un área de la alcantarilla (A = Q/V). Determine el diámetro de la alcantarilla en pulgadas. c) Paso 3: Encuentre el HW real para la alcantarilla propuesta para el control de la entrada y de salida. i. Para el control de entrada, entre en el nomograma de control de entrada con D and Q y determine HW/D para el tipo de entrada de la alcantarilla. Determine HW, y, si es demasiado grande o demasiado pequeño, intente otro tamaño de la alcantarilla antes de definir HW para el control de salida.



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ii. Para el control de salida, entre en el nomograma de control de salida con la longitud de la alcantarilla, el coeficiente de pérdida de la entrada y diámetro de propuesto de la alcantarilla. iii. Para la determinación de HW, conecte la longitud de la escala para el tipo de condición de la entrada y la escala del diámetro de la alcantarilla con una línea recta, pivoteando y dibuje una línea recta para determinar de descarga del diseño a través del punto a la perdida H. Determine la elevación de HW con la siguiente ecuación: HW



H



h0



LS

Ec. 6

Donde ho = ½ (profundidad + ycrítica), o profundidad del TW, cualquiera que sea mayor. d) Paso 4: Compare los valores de HW y use el mayor para definir si la alcantarilla está bajo control de la entrada o de salida. Si el control de salida es gobernante entonces HW es inaceptable, seleccione un tamaño de propuesto más grande y encuentre otro HW con los nomogramas de control de salida. Porque un tamaño más pequeño de la alcantarilla había sido seleccionado para HW permisible por los nomogramas de control de entrada, el control de la entrada para los conductos más largo no necesita ser comprobado. e) Paso 5: Calcule la velocidad de la salida y haga un análisis de erosión para determinar si un disipador de energía es necesario. La erosión de la corriente puede ser una condición preexistente, y las razones y el grado de esta de ser determinado. El área de la sección transversalmente de la alcantarilla necesita ser aumentado e invert inicial de la alcantarilla enterrado si la erosión de la corriente es probable. Una curva del funcionamiento para cualquiera alcantarilla se puede obtener de los nomogramas repitiendo los pasos descritos arriba para una gama de descargas que están de interés para ese diseño particular de la alcantarilla. Se puede trazar un gráfico de HW contra descarga con los suficientes puntos para poder dibujar una curva a través del rango de interés. Estas curvas son aplicables a través de un rango de valores de HW, de velocidades y de las profundidades contra las descargas para una longitud y un tipo de alcantarilla. Curvas con intervalos de la longitud de 25-50 pies son usualmente satisfactoria para el propósito de diseño. Tales cómputos se hacen mucho más fáciles cuando se usan programas de computadora disponibles. DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


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EJEMPLO DEL DISEÑO DE ALCANTARILLA SEGÚN FHWA

El siguiente ejemplo ilustra los procedimientos utilizado para el diseño de alcantarilla usando los nomogramas. El problema de ejemplo es como sigue: Clasifique una alcantarilla dada con las siguientes condiciones de diseño. a. Datos de entrada:

•

Descarga para la inundación de 10 años

=

70 cfs

•

Descarga para la inundación de 100 años

=

176 cfs

•

HW permisible para la descarga de 10 años

=

4.5 pies

•

HW permisible para la descarga 100 años

=

7.0 pies

•

Longitud de la alcantarilla

=

100 pies

•

Elevación del invert de entrada del canal natural

=

15.50 pies

•

Elevación del invert de salida del canal natural

=

15.35 pies

•

Pendiente de la alcantarilla

=

0.0015 pies/pies

•

TW para la descarga de 10 años

=

3.0 pies

•

TW para la descarga de 100 años

=

4.0 pies

•

TW es la profundidad normal en canal aguas abajo

•

Tipo de la entrada = cabezal ranurado

PASO 1: Asuma una velocidad de la alcantarilla de 5 pies por segundo. El área requerida para una inundación de 10 años es: A

Q 

V

70 

5



14

pie 2

PASO 2: El diámetro correspondiente de alcantarilla es cerca de 48 pulgadas (4 pie). Esto puede ser calculado usando la fórmula para el área de un círculo: A

 

D

2

o

4

D

4A 



Por lo tanto:



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D

4(14) 

*12



50.7 p lg



PASO 3: Para un cabezal ranurado de la alcantarilla como dato del diseño. Usando el nomograma de control de entrada, con un diámetro del conducto de 48 pulgadas (4 pie) y una descarga de 70 cfs se determina un HW/D de 0.93. (Figura 5) PASO 4: Para una profundidad de carga agua (HW) de (0.93) (4) =3.72 pie, se requiere al menos lo permisible un HW de 4.5 pie. PASO 5: La alcantarilla se comprueba para saber si hay control de salida. Con un coeficiente K e de pérdida de entrada de 0.20, una longitud de la alcantarilla de 100 pies, y un diámetro del conducto de 48 pulgadas, un valor de H de 0.77 pies es determinado. La carga de agua a la entrada (HW) para el control de salida es resuelta por la ecuación: HW = H + h o – LS. Para que la profundidad de (TW) baje con respecto a la corona de la alcantarilla, ho = TW o el 1/2 (profundidad crítica de la alcantarilla + D), se elige el mayor. ho = 3.0 pies o ho = 1/2 (2.55 + 4.0) = 3.28 pies. (Figura 3A). La profundidad de agua a la salida (TW) con control de salida: HW = H + h o – LS, HW = 0.77 + 3.28 - (100) x (0.0015) = 3.90 pies PASO 6: Porque HW con control de salida (3.90 pies) es mayor que el HW para el control de la entrada (3.72 pies), control de salida gobierna el diseño de la alcantarilla. Así, la máxima altura de agua a la entrada (HW) para una inundación de un periodo de 10 años es 3.90 pies, de la cual es menor que la altura de agua a la entrada (HW) permisible de 4.5 pies. PASO 7: El funcionamiento de la alcantarilla se comprueba para un evento descarga de 100 años. La altura de agua (HW) permisible para un evento de descarga de 100 años es 7 pies, la profundidad crítica en la alcantarilla de 48 pulgadas de diámetro por el evento de descarga de 100 años es 3.96 pies. Para un control de salida, un valor de H de 5.2 pies se lee en el nomograma de control de salida. La altura de agua máxima a la entrada es: HW = H + h o – LS, HW = 5.2 + 4.0 - (100) x (0.0015) = 9.05 pies. Esta profundidad es mayor que la profundidad permisible de 7 pies; por lo tanto el diámetro propuesto de la alcantarilla se deberá aumentar. Repita los pasos 1-7 cuanto sea necesario.



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PASO 8: Se propone una alcantarilla de 54 pulgadas de diámetro y se encuentra valores para tener una profundidad máxima (HW) de 3.74 pies para la descarga de un evento de 10 años y de 6.97 pies para la descarga de un evento de 100 años. Estos valores son aceptables para las condiciones de diseño. PASO 9: Estimación de la Velocidad de la salida. Porque la alcantarilla trabaja a control de salida y descarga en un canal abierto aguas abajo, la alcantarilla fluirá a flujo lleno en la profundidad de flujo en canal. Usando la descarga pico del diseño de 100 años de 176 cfs y el área de un diámetro de 54 pulgadas o 4.5 pies de la alcantarilla la velocidad de salida será Q = VA. Por lo tanto: V = (4) (176) / (π (4.5)2 = 11.8 ft/s. Con esta velocidad alta, un disipador de la energía se puede necesitar aguas abajo de la alcantarilla para la protección del terraplén. PASO 10: El diseñador debe chequear las velocidades mínimas para saber si hay flujos de baja frecuencia del acontecimiento de la tormenta (100 años) de la alcantarilla de los controles. Nota: La figura 12 proporciona un conveniente forme para organizar cálculos del diseño de la alcantarilla. 4.4

NOMOGRAMAS Y GRAFICAS

4.4.1

PROFUNDIDAD CRITICA

Figura 3A:Conducto circular de la profundidad crítica, descarga = 0 a 100 cfs



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Figura 3B:Conducto circular de la profundidad crítica, descarga = cfs 0 a 1000

Figura 3C:Conducto circular de la profundidad crítica, descarga = 0 a 4000 cfs



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Figura 4A:Profundidad crítica de una alcantarilla caja, Q/B = 0 a 60 cfs

Figura 4B: Profundidad critica para una alcantarilla caja, Q/B = 5 0 a 350 cfs



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ANALISIS HIDRAULICO DE ALCANTARILLA - NELAME 4.4.2

NOMOGRAMA DE CONTROL DE ENTRADA

Figura 5:Nomograma de control de entrada. FHWA, 1973



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Figura 6:Nomograma de control de entrada. FHWA, mayo de 1973.



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Figura 7:Nomograma de control de entrada. Oficina de caminos públicos, enero. 1963. DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


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Figura 8:Nomograma de control de entrada. Oficina de caminos públicos, enero. 1963. DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


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NOMOGRAMA DE CONTROL DE SALIDA

Figura 9:Nomograma de control de salida. Alcantarilla circulares de concreto. Oficina de caminos públicos, enero. 1963. DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


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Figura 10:Nomograma de control de salida. Oficina de caminos públicos, enero. 1963 . Para diferente coeficiente de rugosidad n1, más grande que en el grafico n, utilice la escala de longitud demostrada con una longitud ajustada L1, calculado por la fórmula: L1(n1/n)2



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Figura 11:Nomograma de control de salida. Oficina de caminos públicos, enero. 1963 Carga para alcantarillas cajas de concreto fluyendo lleno (n=0.012). Para diferente coeficiente de rugosidad n1, más grande que en el grafico n, utilice la escala de longitud demostrada con una longitud ajustada L1, calculado por la fórmula: L1(n1/n)2



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TABLA DE LOS COEFICIENTES DE PERDIDAS POR ENTRADA

Tabla. Coeficientes de pérdidas de carga en la entrada Entrada Tubos de hormigón Exentos Con muros de acompañamiento Con aletones Otros conductos de hormigón Exentos Con muros de acompañamiento Con aletones Tubos corrugados Exentos Ataluzados Con muros de acompañamiento Con aletones



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K12 0.6 0.4 0.3 0.6 0.4 0.2 0.8 0.7 0.6 0.3

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FORMATO PARA CÁLCULO DE LAS DIMENSIONES DE ALCANTARILLAS



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5.1

ANALISIS HIDRAULICO DE ALCANTARILLA SEGÚN HEC RAS

MODELACION HIDRAULICA DEL CAUCE EN FLUJO VARIADO CON HEC RAS

El programa HEC-RAS fue desarrollado por el Centro de Ingeniería Hidrológica del Cuerpo de Ingenieros Militares de los Estados Unidos (Hydrologic Engineering Center), para realizar análisis de sistemas de ríos (River Analysis System). HEC-RAS facilita el cálculo de perfiles del agua y de los parámetros hidráulicos del cauce. El programa permite desarrollar estudios de flujo unidimensional permanente y variado, con regímenes subcrítico, supercrítico y/o critico en tramos de cauces con pendientes menores del 10%. También hace cálculo de profundidades de socavación. Entre otras aplicaciones de hidráulica, el programa HEC-RAS ayuda a modelar una variedad de alcantarillas con diferentes formas de pilas y estribos, y a calcular parámetros hidráulicos tales como: niveles de agua, velocidades y áreas mojadas para diferentes caudales en el sitio de cierre. El programa modela flujos bajos y altos. De acuerdo al caudal de escorrentía estimado para el diseño, se puede determinar la estructura del alcantarilla más eficiente en cuanto a capacidad hidráulica, así como también controlar algunos parámetros de diseño hidráulico. HEC RAS la información geométrica necesaria para llevar a cabo una simulación (cauce, secciones, etc.). De la misma forma después de haber realizado una simulación con HEC-RAS se pueden pasar los resultados al entorno GIS para realizar mapas de inundación y riesgo. Para la modelación hidráulica de un cauce con una alcantarilla se deberá tener lo siguiente consideraciones: Levantamiento de las secciones transversales, aguas arriba como aguas abajo, Determinación del coeficiente de rugosidad del cauce según el método de Cowan, Definir los periodos de retorno en que se desea analizar el comportamiento del cauce para un flujo permanente subcrítico, supercrítico o ambos, Definir el estacionamiento donde se ubicara la alcantarilla. El principal objetivo de HEC-RAS es el cálculo de los perfiles de flujo en todos los puntos de interés para obtener un conjunto de datos (simulación del flujo uniforme), o por una metodología hidrológica a través de un sistema de flujo no uniforme. Los datos necesarios para los cálculos son divididos en las siguientes componentes:



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ANALISIS HIDRAULICO DE ALCANTARILLA - NELAME 5.1.1 COMPONENTE DE DATOS GEOMÉTRICOS

Los datos geométricos consisten de establecer una conectividad del sistema de ríos (esquema del sistema de ríos); datos de la sección transversal, la longitud del tramo, los coeficientes de energía de pérdidas (perdidas por fricción, perdidas por contracción y expansión) y la información de las conexiones de flujo en los tramos del rio o cauce. Datos de la estructura de hidráulica (alcantarillas, alcantarillas, caídas hidráulicas, presa, etc.) que estén localizados en el tramo del rio o cauce. A. Sistema esquemático del rio o Cauce El sistema esquemático del rio es requerido para cualquier conjunto de datos geométricos con el sistema de HEC-RAS. El sistema esquemático del rio es desarrollado por un dibujo y conectados por varios tramos. Para comenzar a trabajar con en HEC – RAS es necesario crear una ventana el esquema del rio o cauce de tramo a tramo, para definir el extremo de aguas arriba como el extremo de aguas debajo de esta forma introducir los datos geométricos de las secciones que conforman el cauce o el rio. La conectividad de los tramos es muy importante en el orden para el modelo comprenda el sistema de drenaje, así como los cálculos de un tramo a otro. Es necesario que el dibujo del tramo sea de aguas arribas hacia aguas abajo, dando así la dirección del flujo. La conexión de los tramos se hace a través de una unión, esta solamente establece un punto localizado, donde uno más flujo convergen o se dividen. Un ejemplo de un esquema de rio seria (fig. 21)

FIGURA 22. -Sistema esquemático de un rio DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


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HEC-RAS reconoce los datos geométricos de los tramos que fundamentalmente son diversas secciones transversales a lo largo del cauce o cauces considerados, se puede considerar unas 10 secciones a cada 100 m aguas arriba y unas 5 secciones a cada 100 m agua abajo referente a una estructura hidráulica. Dichas secciones transversales se introducen mediante la cota del terreno de varios puntos; de este modo, mediante la cota de dos secciones contiguas, separadas por una distancia conocida, el modelo calcula la pendiente del tramo. El sistema numérico para cada sección debe ser consistente, HEC-RAS asume que los valores altos, son los correspondientes a secciones aguas arriba y los números más bajo son los de secciones aguas abajo, como se ve en la fig. 22.

FIGURA 23. -Sistema esquemático de un rio

B. Secciones Transversales del Cauce Las condiciones geométricas para el análisis de flujo en corrientes naturales son especificadas en términos de la superficie del terreno de la sección transversal y las distancia entre ellas. Las secciones transversales son localizadas a intervalos largos en dependencia de la caracterización de la corriente (perfiles de flujo), tomando en cuenta el flujo central del cauce y las planicies de inundación. La sección transversal es descrita introduciendo la estación y la elevación como pares ordenados, o sea (x, y) de izquierda a derecha, en sentido aguas abajo formando una columna de datos. En la primera columna, DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


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se introduce la distancia desde el margen izquierdo y en la segunda columna, la cota del terreno de fondo del cauce en ese punto (ver fig. 23).

FIGURA 24.- Secciones transversales del cauce

Lógicamente HEC-RAS es un modelo hidráulico, por lo tanto, hace falta considerar las condiciones hidráulicas de cada sección, por ejemplo: las distancias de las márgenes, tanta izquierda como derecha y la distancia a lo largo del centro del cauce con respecto a la sección aguas abajo inmediata, así como los valores del coeficiente de Manning en las márgenes y al centro del cauce, para esta valoración se utilizará el método de Cowan. El HEC-RAS necesita conocer los puntos donde inicia la planicie de inundación, los cuales acotaran el canal principal, (ver fig. 24). La sección es una presentación localizada a través de la corriente del tramo, donde puede ocurrir un cambio en la descarga, de pendiente, de la forma de la sección o de la rugosidad del cauce, en localidades que se ubican diques, alcantarillas o estructuras de control como vertederos.



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FIGURA 25.- Definición de las bancas de inundación y la sección transversal del cauce

C. Secciones transversales con Flujo Inefectivo Esta definición permite determinar áreas de la sección transversal con elevaciones más bajas que las bancas del cauce o rio, que no contribuyen efectivamente a transportar el agua en la sección transversal del cauce o rio, es decir, zonas de la sección donde el agua se estanca, esto ocurre donde la elevación de la banca es mayor que el nivel del agua en el cauce adyacente o poza. Esta opción es usada cuando la superficie del agua está por debajo de las elevaciones inefectivas que se establecen; las áreas a la izquierda de la banca izquierda y las áreas a la derecha de la banca derecha son consideradas como inefectivas, (Ver fig. 25). Para evitar un error en la altura de la superficie del agua, se deben de seleccionar y aplicar la corrección a las secciones que presentan estas características, sino HEC RAS asume que en esta porción de sección existe transporte de agua.



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FIGURA 26.- Áreas Inefectivas de Flujo

Como se observa, en la margen izquierda, el punto más alto del cauce ene estudio es el que a la izquierda del señalado como la banca izquierda, por lo tanto, se indica este punto como límite para que una vez que el agua sobrepase este punto ya pueda llenar el espacio que antes aparecía con agua. D. Coeficientes de Contracción y Expansión HEC-RAS utiliza los coeficientes de contracción y expansión para determinar las pérdidas de energía entre las secciones contiguas debido a su cambio de sección, esto se aplica más cuando tiene secciones

ℎ =  |2 2|

irregulares del cauce. Las pérdidas de energía entre dos secciones contiguas se pueden expresar como:

 , , , ,  Donde:

contiguas,

- Longitud del cauce en peso de la descarga,

 = ̅̅++̅̅++̅̅

- Gradiente Hidráulico entre las secciones

- Coeficiente de pérdidas por expansión o contracción ,

,

- Longitudes especifica del caudal en el cauce considerando la banca izquierda, la línea

central y la banca derecha,

- Promedio aritmético de caudales entre las secciones

contiguas correspondiente a la banca izquierda, la línea central y la banca derecha del cauce. HEC-RAS, asume que la contracción ocurre cuando la carga de velocidad aguas abajo es grande con respecto a la carga de velocidad aguas arriba, por lo contrario, asume una expansión. Cuando el cambio DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


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de sección en cauce es pequeño y el flujo es subcritico los coeficientes de contracción y de expansión pueden andar en el orden de 0.1 y 0.3 respectivamente. Cuando el cambio es abrupto como el caso de los alcantarillas, los coeficientes de contracción y de expansión con frecuencia se usan de 0.3 y 0.5. En ocasión, los coeficientes de contracción y expansión respecto a los alcantarillas y alcantarillas pueden ser más alto, como 0.6 y 0.8 respectivamente. Estos valores pueden ser cambiados en cualquier sección. Valores típicos para los coeficientes de contracción y expansión para flujo subcritico, son mostrados en la tabla 2.2.1.4. TABLA 2.2.1.4

COEFICIENTES DE CONTRACCIÓN Y EXPANSIÓN EN FLUJO SUBCRITICOS Contracción

Expansión

No hay perdidas en transición

0.0

0.0

Transición Gradual

0.1

0.3

0.3

0.5

0.6

0.8

Secciones

Típicas

en

Alcantarillas Transiciones Abruptas

TABLA 6. - Coeficiente de contracción y expansión en flujo subcritico

El máximo valor para los coeficientes de contracción y expansión es igual a la unidad. En general, los coeficientes empíricos de contracción y expansión pueden ser bajos en un flujo supercrítico, debido a su carga de velocidad que es muy grande, y el pequeño cambio en su profundidad puede causar cambios prolongados en su carga de velocidad. Un valor típico de estos coeficientes para la transición gradual en flujo supercrítico puede aproximarse a 0.01 para la contracción y 0.03 para la expansión. Al comienzo en una transición natural abrupta, es necesario usar valores más altos, tales como 0.05 para la contracción y 0.20 para la expansión. 8.1.1 COMPONENTE DE DATOS HIDRÁULICOS

A.

Perfiles de Flujo Uniforme

En esta evaluación será a partir de perfiles de flujo uniforme unidimensional para movimiento del flujo gradualmente variado en canales naturales y prismáticos. Los perfiles de flujo calculados pueden ser DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


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crítico, subcrítico, supercrítico o una combinación de estos, o sea las ecuaciones para perfiles de flujo, las subdivisiones de la sección para el cálculo de los parámetros geométricos tales como: área, perímetro mojado, etc., la determinación del coeficiente de Manning en el cauce principal, el coeficiente de velocidad de Coriolis, la evaluación de las perdidas por fricción, perdidas por contracción y expansión, determinación de la profundidad critica, aplicación de la ecuación de Momentum y las limitaciones o condiciones del modelo del flujo uniforme. -

Ecuación para Perfiles de Flujo

El perfil de flujo de una sección a otra es calculado por método del paso estándar a través de la solución

   =    ℎ ℎ , 

de la ecuación de energía, o sea:

Donde:

, 

, 

- elevación de la cota de fondo del cauce principal en las secciones 1 y 2,

profundidad de flujo en las secciones de flujo 1 y 2, - coeficiente de Coriolis de velocidad,

, 

-

- velocidades de flujo en las secciones 1 y 2,

- pérdidas de energía entre las secciones 1 y 2.

El procedimiento de cálculo está fundamentado en la ecuación de la energía donde las perdidas por fricción son evaluadas mediante la ecuación de Manning y las perdidas por contracción y/o expansión son evaluadas teniendo en cuenta el cambio en la carga de velocidad. Para situaciones de flujo bajo donde el perfil del agua varia rápidamente debido a fuertes obstrucciones en el cauce, como sucede en algunos alcantarillas o alcantarillas, se usa también la ecuación de Momentum o ecuación de Cantidad de Movimiento. Otras dos ecuaciones que maneja el programa para flujos bajos son de tipo semiempírico como es la ecuación de Yarnell y una ecuación dada por el Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS). Para flujos altos, el programa usa la ecuación de la energía, las ecuaciones de flujo a presión en orificios y compuertas, o las de flujo sobre vertederos. 8.2

MODELACION DE HIDRAULICA DE ALCANTARILLA CON HEC RAS

La función primordial de una alcantarilla es la de dar continuidad a la carretera, salvando, para ello, los obstáculos naturales o artificiales que se encuentren en su trazado. Hay que considerar que, en el caso de los cursos de agua, su equilibrio dinámico se ve afectado no sólo por la interacción del hombre con acciones directas, construcción de presas, extracción de áridos, invasión del cauce, etc., sino también DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


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de manera indirecta por los cambios en el balance hidrológico de la cuenca de aportación, fundamentalmente debidos a la variación en los usos del suelo. Entonces, la respuesta del cauce para recobrar su equilibrio consiste en adquirir una pendiente de equilibrio que le proporcione la energía mínima necesaria para transportar la carga. Este fenómeno natural se consigue mediante la erosión, el transporte y la sedimentación. La cuestión es ¿cómo se puede estimar el riesgo en la interacción cauce-alcantarilla? La primera respuesta inmediata parece que puede partir de realizar una inspección del cauce que permita registrar las variables que pueden hacer vulnerable la alcantarilla en relación al cauce. Para ello se hace necesario estimar objetivamente el riesgo potencial de colapso de la alcantarilla, frente a una avenida extraordinaria, atendiendo a la hidráulica de la escorrentía superficial, basándose en parámetros geomorfológicos del cauce y en la propia hidráulica de la alcantarilla. Indudablemente los grados de libertad y las incertidumbres que pueden recogerse de estos parámetros son elevados, por cuanto la propia dinámica del cauce no permite, como en el caso de la alcantarilla, establecer criterios sistemáticos que otorguen exactitud en la inspección. Además, puede ser que en el momento de la inspección no se hayan manifestado signos (socavaciones ligeras, leves descalces, depósitos de acarreos,) que puedan indicar de forma evidente que existe riesgo. Esto nos lleva a considerar, en la evaluación del conjunto alcantarilla-cauce, un riesgo potencial y no un riesgo certero, gobernado por las relaciones cualitativas y cuantitativas entre todas las variables que se consideren. Todo esto parece muy prometedor, pero, ¿es técnicamente viable y suficientemente fiable? Al objeto de contestar a esta pregunta, pero, sobre todo, de resolver el problema de la evaluación del riesgo potencial de socavación de las alcantarillas sobre cursos de agua abajo, se ha desarrollado una metodología de inspección de la alcantarilla y de su entorno y se han definido unos criterios para poder cuantificar dicho riesgo. La ubicación de una alcantarilla es una modificación que perturba el equilibrio del drenaje pluvial del cauce. Estos fenómenos a su vez empiezan a actuar sobre la estructura produciendo deterioros en ella que pueden ir de leves hasta muy graves.



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ANALISIS HIDRAULICO DE ALCANTARILLA - NELAME 8.2.1 EMPLAZAMIENTO DE LAS SECCIONES TRANSVERSALES RELATIVAS A LA UBICACIÓN DE LA ALCANTARILLA

La construcción de una alcantarilla implica en ocasiones que se invada parte del cauce con el consecuente estrechamiento de su sección transversal produciéndose cambios en la velocidad del flujo y en la pendiente hidráulica de la corriente en se construye. El estrechamiento produce perdidas de energía que se traduce en un sobre-elevación de la superficie del agua hacia aguas arriba de la contracción. A esta sobre-elevación se le llama altura de remanso y debe tenerse en cuenta para calcular tanto la longitud como el claro vertical de la alcantarilla. El remanso puede provocar inundaciones aguas arribas de la alcantarilla con consecuencias negativas para los usos del suelo y otras actividades. En el sitio de estrechamiento se produce un aumento de energía cinética del flujo que ocasiona socavaciones a veces excesivas en los muros cabeceros en la alcantarilla, donde es necesario orientar las líneas de corrientes a través de aletones. Varias secciones se estudian teóricamente a lo largo de la zona de influencia de una alcantarilla, tales como: Ver fig. 26.

FIGURA 27.- Modelación Hidráulica de la ubicación de la alcantarilla



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ANALISIS HIDRAULICO DE ALCANTARILLA - NELAME 8.2.2 PRIMERA SECCIÓN TRANSVERSAL (1-1)

Esta sección es localizada suficientemente aguas abajo de la estructura, tal que esta no afecte el régimen de flujo, (o sea que el flujo está totalmente expandido). En esta sección se inicia la expansión del flujo con un régimen gradualmente o rápidamente variado retardado y a partir de esta sección se restablecen las condiciones de flujo uniforme.



8.2.3 LONGITUD DE EXPANSIÓN,

Es la distancia entre el extremo de aguas debajo de la alcantarilla y la primera sección transversal (1-1), se denomina longitud de expansión, se puede calcular en forma práctica, como 3 veces la longitud de la obstrucción que provoca la estructura. La longitud de Expansión es generalmente determinada en el campo de experimentación durante flujos altos, dependerá mucho del grado, de la forma de contracción y la magnitud del flujo, y de la velocidad del flujo. Esta longitud L e, puede ser determinada

alcantarilla



Donde:

- razón de expansión,

como el producto de la razón de expansión (RE) y la longitud promedio de obstrucción lateral del , o sea:



  =   

- longitud promedio de obstrucción lateral de la alcantarilla.



La longitud promedio de obstrucción lateral de la alcantarilla, según al fig. 26, está definida como la mitad de la reducción total en la planicie de inundación causada por la proyección de los dos terraplenes del alcantarilla:

 = ̅ 2 ̅

En la tabla 5.1, recomienda rangos de Razón de Expansión que pueden ser usados para diferentes relaciones de contracción, diferentes pendientes, y diferentes relaciones de coeficientes de rugosidades en la banca y coeficientes de rugosidades en el canal principal.



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

TABLA 7.- Rangos del coeficiente expansión

Tomado de Hydraulic Reference Manual HEC RAS.

Donde:

principal,

 

- valor de Manning para la planicie de inundación ,



- ancho de la apertura de la alcantarilla,

pendiente, pie/milla,



- valor de Manning para el canal

- ancho total de la zona de inundada,

- pendiente de fondo del cauce

-

8.2.4 SEGUNDA SECCIÓN TRANSVERSAL (2-2):

Es localizada muy cerca aguas abajo al pie del terraplén de la alcantarilla para analizar las pérdidas de energía a través de este. Esta sección transversal deberá representar en el terreno natural (sección del canal principal y la planicie de inundación) justamente aguas debajo de la alcantarilla. Esta sección no podrá localizarse inmediatamente aguas abajo del muro cabecero de la alcantarilla, algunos ingenieros incorrectamente localizan a esta sección a 30 cm aguas abajo del tablero del alcantarilla. Se puede recomendar una distancia agua debajo de uno dos metros del muro cabecero de la alcantarilla. Si la alcantarilla carece de terraplenes, esta sección puede ser localizada suficientemente lejos aguas abajo del muro cabecero de la alcantarilla que permita una distancia suficiente para la expansión del flujo. Esta sección tiene una menor profundidad de flujo y donde empieza ocurrir el retardo del flujo. Aguas debajo de esta sección se presentan remolinos de agua entre las fronteras solidas del terraplén y las laderas.



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ANALISIS HIDRAULICO DE ALCANTARILLA - NELAME 8.2.5 TERCERA SECCIÓN TRANSVERSAL (3-3):

Esta sección transversal puede ser localizada a pocos metros aguas arriba de la alcantarilla (comúnmente se localiza aguas arriba al pie del terraplén), y deberá reflejar la longitud requerida para la aceleración abrupta y contracción del flujo, que ocurre en el área inmediata de la abertura de la alcantarilla. Esta sección transversal deberá representar en el terreno natural o el área del canal y de la planicie de inundación justamente aguas arriba del terraplén de la alcantarilla. Esta sección no podrá localizarse inmediatamente aguas arriba del muro cabecero de la alcantarilla, algunos ingenieros incorrectamente localizan a esta sección a 30 cm aguas arriba del tablero del alcantarilla. Se puede recomendar una distancia agua debajo de unos tres del muro cabecero de la alcantarilla. Esta sección representa un ancho mínimo del flujo. El flujo se separa de las fronteras solidas siendo la contracción del flujo mayor que el ancho de la abertura. Entre las secciones (2-2) y (3-3) surgen las pérdidas por contracción que ocurre justamente aguas arriba de la estructura de la alcantarilla (perdidas de entrada). 8.2.6 CUARTA SECCIÓN TRANSVERSAL (4-4):

Es una sección donde las líneas de flujo son aproximadamente paralelas y la sección transversal es totalmente efectiva. En general, el flujo de contracción ocurre cercano a una distancia menor del flujo de expansión. En esta sección aguas arriba hasta donde influye el remanso y posiblemente termina el flujo uniforme en el cauce de aproximación y comienza un flujo gradualmente variado, donde se inicia la contracción del flujo.



8.2.7 LONGITUD DE CONTRACCIÓN,

Es la distancia entre el extremo de aguas arriba de la alcantarilla y la primera sección transversal (4-4), se denomina longitud de expansión, se puede calcular en forma práctica, como 1 vez la longitud de la obstrucción que provoca la estructura causada por sus estribos. La longitud de Contracción es generalmente determinada en el campo de experimentación durante flujos altos. La longitud de Contracción es generalmente determinada en el campo de experimentación durante flujos altos, dependerá mucho del grado, de la forma de contracción y la magnitud del flujo, y de su velocidad. DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


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

Tradicionalmente, Esta longitud contracción (

Donde:





, puede ser determinada como el producto de la razón de

) y la longitud promedio de obstrucción lateral de la alcantarilla (

- razón de contracción.



 

), o sea:

 =  

En la tabla 5.2, recomienda rangos de Razón de Contracción que pueden ser usados para diferentes relaciones de contracción, diferentes pendientes, y diferentes relaciones de coeficientes de rugosidades en la banca y coeficientes de rugosidades en el canal principal. Tabla 5.2 Rango de coeficiente de razón de contracción (RC) nob/nc=1

nob/nc=2

nob/nc=4

S= 1 pie/milla

1.0 – 2.3

0.8 – 1.7

0.7 – 1.3

S= 5 pie/milla

1.0 – 1.9

0.8 – 1.5

0.7 – 1.2

S= 10 pie/milla

1.0 – 1.9

0.8 – 1.4

0.7 – 1.2

TABLA 8.- Rango de coeficiente de razón de contracción

8.2.8 LONGITUDES ENTRE LAS SECCIONES RELATIVAS DE LA ALCANTARILLA

B.

Longitud entre la sección (2-2) y la sección (1-1)

La longitud seria:

− =   − =  

Entre las secciones 2 y 1, el flujo es gradualmente o rápidamente variado retardado. C.

Longitud entre la sección (3-3) y la sección (2-2)

La longitud seria:



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Entre las secciones 3 y 2, el flujo es como el que se produciría al pasar por un orificio. D. longitud entre la sección (4-4) y la sección (3-3)

− =  

La longitud seria:

Entre las secciones 4 y 3, el flujo de gradualmente variado a rápidamente variado acelerado. Para obtener las secciones (1-1), (2-2), (3-3) y (4-4) se puede realizar un levantamiento, o en su defecto realizar interpolaciones. 8.2.9 AREAS DE FLUJO INEFECTIVO EN LA UBICACIÓN DE LA ALCANTARILLA

El flujo inefectivo se usa para definir un área de la sección transversal en que el agua se acumula, pero no está siendo efectivamente transportada ver fig. 27. En la alcantarilla las áreas inefectivas normalmente ocurren aguas arriba y aguas abajo del dique de la vía, fuera de la apertura de la alcantarilla. En las secciones (2-2) y (3-3) deberán tener áreas de flujo inefectivo en cualquiera de los lados de la apertura de la alcantarilla durante flujos bajos y flujo a presión. En HEC RAS, solo en estas secciones se presenta áreas inefectivas del flujo. Por lo tanto, las áreas inefectivas de flujo izquierda y derecha se consideran que empiecen a 2 m a la izquierda y derecha de la apertura de la alcantarilla, tantas aguas abajo como aguas arriba. DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


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FIGURA 28.-Áreas inefectivas del flujo en las secciones de la alcantarilla

FIGURA 29.- Ubicación de las secciones de la alcantarilla en perfil

Commented [N1]:Poner una alcantarilla

FIGURA 30.- Porción de las secciones inefectivas (2-2) y (3-3)



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ANALISIS HIDRAULICO DE ALCANTARILLA - NELAME 8.2.10 COEFICIENTES DE CONTRACCION Y EXPANSION EN LA UBICACIÓN DEL ALCANTARILLA

Los coeficientes de contracción y de expansión son usados por HEC RAS para determinar las pérdidas de transición entre dos secciones adyacentes. En la tabla 7 y 8 se muestran valores de coeficientes de contracción y de expansión, para el caso de una alcantarilla se deberán usar un coeficiente de contracción de 0.3 y de expansión de 0.5. 8.2.11 DATOS GEOMETRICOS DEL ALCANTARILLA

A.

Estación donde se ubicará la alcantarilla

La alcantarilla se ubicará entre las estaciones de las secciones (3-3) y (2-2), la cual se puede elegir una

−

estación intermedia entre estas secciones. Se recomienda un promedio de estas estaciones, las cuales deberán estar separadas por la distancia B.

.

Tablero de la alcantarilla y geometría de la vía (deck/Roadway)

El tablero de la alcantarilla estará a una distancia de 1 m aguas abajo inmediatamente de la sección (33) y el ancho del tablero será el ancho de la calzada de la vía. En el caso que el tablero funcionara hidráulicamente como un vertedero (caso de flujo alto), el coeficiente de descarga del vertedero será de 2.6. Para los datos de la geometría de la vía (Deck/Roadway), estos se ingresaran a través de columnas para ingresar la estación, elevaciones superiores (high chord) e inferiores (low chord) del tablero, en los extremos de aguas arriba y aguas debajo de este. Estos datos determinan el área entre la cuerda superior e inferior de la estructura de la alcantarilla. El estacionamiento del lado de aguas arriba del tablero está basado en el estacionamiento de la sección transversal localizada inmediatamente aguas arriba, sección (3-3). De la misma manera, el estacionamiento del lado aguas abajo del tablero, está basado en el estacionamiento de la sección transversal localizada inmediatamente aguas abajo, sección (2-2). Si las elevaciones de las cuerdas inferiores coinciden con la elevación del terreno base, estas se dejan en blanco. HEC RAS asume directamente que dichas elevaciones (en blanco) adoptan los valores del terreno y asume que el terraplén va desde la cuerda superior hasta el terreno base. (Ver fig. 30).



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ANALISIS HIDRAULICO DE ALCANTARILLA - NELAME Commented [N2]:Poner una alcantarilla

FIGURA 31.- Ubicación geométrica del tablero de la alcantarilla

En el caso de los taludes del terraplén aguas arriba y aguas abajo es necesario indicar la relación de inclinación de estos como una relación de la horizontal con una vertical, estos valores son utilizado para la representación gráfica en el ploteo del perfil de flujo en la simulación para flujo bajos. (Ver fig. 31).

FIGURA 32.- Inclinación de los Taludes del terraplén de la alcantarilla

En el campo de máxima sumersión de la alcantarilla que es la relación entre la altura del agua y la altura de la línea de energía medida sobre la mínima elevación del vertedero (Max Submergence). Cuando el cociente es excedido, HEC RAS asumirá que el tablero de la alcantarilla actúa como un vertedero y cambiará el modo de cálculo al método de energía (paso estándar), este valor puede ser del 98%.



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En el campo la elevación que determina cuando del flujo actúa como un vertedero sobre la alcantarilla (Min Weir Flow Elevation), si este valor es dejado en blanco, HEC RAS usara por defecto el valor de la cuerda más alta en el lado de aguas arriba del tablero de la alcantarilla. La opción de la selección de la forma del vertedero (Weir Cret Shape) determinara la reducción del coeficiente del flujo del vertedero debido a sugerencia que corresponda la forma del vertedero (cresta ancha, cresta delgada, etc.). Ver fig. 32.

FIGURA 33.-– Funciones Hidráulicas del Tablero del Alcantarilla

8.3

MODELACION DE LA ENERGIA HIDRAULICA EN EL ALCANTARILLA SEGÚN HEC RAS

El algoritmo de la alcantarilla de HEC RAS, permite al usuario analizar los flujos en la alcantarilla usando diferentes métodos con la misma geometría. Los diferentes métodos son: flujo bajo, flujo alto y la combinación de flujos. El usuario necesita seleccionar los métodos apropiados para ambos métodos: el flujo bajo y el flujo alto. Para la combinación de ambos métodos, HEC RAS usara los métodos seleccionados para ambos flujos. El flujo bajo existe cuando el flujo a través de la alcantarilla es un flujo a canal abierto. HEC RAS tiene la capacidad de analizar el flujo con cuatro métodos: 8.3.1 ECUACIÓN DE LA ENERGÍA (PASO ESTÁNDAR)

El método de la ecuación de la energía, considera la alcantarilla como una parte del canal natural, excepto las áreas debajo del alcantarilla que la superficie del agua es substraída del área total, y el perímetro mojado es incrementado cuando el agua está en contacto con la estructura del alcantarilla y



considera al alcantarilla como una obstrucción al flujo y requiere los valores de los coeficientes de rugosidad

de Manning para las perdidas por fricción a lo largo del alcantarilla y los coeficientes de



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contracción y expansión. Generalmente todas las alcantarillas durante flujos altos, pueden actuar principalmente como una obstrucción al flujo por lo que puede ser aplicable el método de la energía. Como una descripción previa, HEC RAS reconoce dos secciones dentro del alcantarilla, que son las secciones (2-2) y (3-3) con la geometría de la alcantarilla, que pueden ser referenciadas con las secciones BD (Brigde Downstream) y BU (Bridge Upstream).

FIGURA 34.- Secciones transversales cercana y al lado de la alcantarilla

La secuencia de cálculo con el paso estándar comienza con el cálculo, justamente aguas abajo de la alcantarilla, en la sección (2-2) hacia justamente al lado de la alcantarilla, sección (BD) al final aguas abajo. HEC RAS ejecuta el método de paso estándar a través de la alcantarilla (desde la sección BD hacia la sección BU) y los últimos cálculos del método son fuera de la alcantarilla (de la sección BU a la sección (3-3)). 8.3.2 WSPRO

Los cálculos hidráulicos para flujo bajos de la FHWA, el programa WSPRO tiene adatado una opción para la hidráulica de flujo bajo en HEC RAS. WSPRO ha tenido que modificar un poco en el orden de colocar en HEC RAS los conceptos de las secciones localizadas alrededor y a través de la alcantarilla. El método es una solución iterativa realizada desde la sección de salida (1-1) hacia la sección (4-4). El usuario necesita seleccionar el método del programa a usar, puede seleccionar que el programa emplee algún método en particular o todos los métodos en forma simultánea. También debe seleccionar cual método del programa usara como solución final. Alternativamente, el usuario puede seleccionar el cálculo de varios o de todos los métodos, y luego hacer que el programa use el método con mayores pérdidas para la solución final. Esto permite al DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


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usuario ver los resultados de todos los métodos y comparar los resultados con diferentes técnicas (Higest Energy Answer).

Commented [N3]:Adaptarlo para alcantarilla

Fig. 2.5.4.1 – Editor del modelo de las funciones de energía del alcantarilla

8.4

DATOS HIDRAULICOS PARA FLUJO PERMANENTE

HEC RAS necesita información de los caudales que corresponda a los perfiles de flujo a calcular y las condiciones de contorno en cada tramo. 8.4.1 PERIFLES DE FLUJO EN FUNCION DE LOS CAUDALES

HEC RAS puede simular 25000 perfiles de flujo correspondientes a caudales hidrológicos con diferentes periodos de retorno a un riesgo de falla en la estructura de la alcantarilla, o sea que para una misma o diferente datos geométricos y datos de flujo uniforme se puede analizar o predecir los riesgos hidráulicos de una estructura de una alcantarilla. Los datos de caudales son ingresados para cada



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periodo de retorno, desde aguas arriba hacia aguas abajo. En la figura siguiente muestra una ventana del editor para los diferentes perfiles de flujo.

8.4.2 CONDICIONES DE CONTROL PARA LOS PERFILES DE FLUJO

La información sobre las condiciones de contorno que ocurrirá en un perfil de flujo, es necesaria establecerla en cada tramo, para indicar el nivel del agua inicial en ambos extremos del tramo del cauce: aguas arriba y/o aguas abajo. En un régimen subcrítico (pendiente pequeña), las condiciones de contorno solo necesita en el extremo de aguas abajo del tramo inferior del cauce natural; en régimen supercrítico (pendiente considerable), solo es necesario en el extremo de aguas arriba, y si se va a calcular en un régimen mixto, se necesita en ambos extremos del tramo. Las condiciones de contorno que se admiten son: A.

nivel de agua conocido (Known w.s)

Es adecuado si se conoce un nivel de agua en alguna sección transversal, o sea la profundidad de flujo más la cota más baja de la sección (caso de una presa reguladora de avenida)



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B. profundidad CRÍTICO (critical depth) Es adecuado si existe sección de control (caso de un vertedero). HEC RAS calcula la profundidad critica para cado uno de los perfiles y la utiliza como condición de contorno. C. profundidad normal (norma depth) Es adecuado para situaciones donde el flujo se aproxime al flujo uniforme. Hay que introducir la pendiente del tramo de influencia, en decimales. D. curva de caudal (rating curve) Es adecuado si existe alguna sección de control con relación entre el tirante y el caudal (caso de un embalse de una presa).

8.4.3 PLAN Y EJECUCION DEL MODELO PARA FLUJO UNIFO RME

Para la realización de la simulación hidráulica del cauce, es necesario crear un plan. Para HEC RAS un plan es un conjunto de condiciones elegidas para ejecutar los cálculos, como son la geometría (secciones del cauce y geometría de la alcantarilla), datos hidráulicos (caudales) y tipo de régimen (lo que debe estar de acuerdo con las condiciones de contorno especificadas).



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Si se hubiera introducido varios archivos de geometría (secciones) y varios archivos de caudales, en esta ventana se puede elegir con cuáles de ellos se van ejecutar los cálculos. Por defecto HEC RAS muestra los últimos archivos trabajados. De acuerdo con las condiciones de contorno especificadas, se trabajara el tipo de régimen. Para ejecutar la simulación, hacer clic en el botón compute y si no se tiene mensajes de error, ya se está en la disposición de ver los resultados 8.4.4 SELECCIÓN DE LA PROPUESTA DEL MODELO HIDRAULICO A TRAVES DEL ALCANTARILLA

Existen algunas disposiciones para la selección de método de cálculo en los perfiles de superficie de agua a través de la alcantarilla. Para flujos bajos (superficie del agua por debajo de la elevación máxima de la cuerda inferior del tablero de la alcantarilla), se puede seleccionar cualquiera u otros métodos disponibles. Para flujos altos, el uso mejor entre otros métodos basados en energía o flujos a presión o de vertedero. La siguiente metódica está provista de una guía básica en la selección apropiada de los métodos para situaciones varias. A.

Método de flujo bajo

Para las condiciones de flujo bajo (la superficie del agua por debajo del punto más alto en la cuerda inferior de la apertura de la alcantarilla), los métodos de energía y de Momentum son los mejores basados físicamente, y en general son aplicados en un amplio rango de tipos de alcantarillas y situaciones de flujo. Ambos métodos toman en cuenta las perdidas por fricción y cambios en la geometría a través de la alcantarilla. El método de energía toma en cuenta las perdidas adicionales DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


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debido a los flujos de transición y turbulentos a través de las pérdidas de contracción y expansión. Sin embargo, e método de la energía no cuenta las perdidas asociadas con la forma de las pilas y de los estribos. El método de Momentum, si puede contar las perdidas adicionales debido a la erosión en las pilas. Una debilidad del método de Momentum es que la fuerza del peso es calculada con un promedio de la pendiente del lecho a través de la alcantarilla, la cual es puede ser muy difícil determinarla en cauces naturales. El WSRO de FHWA fue srcinalmente desarrollado para secciones de alcantarillas de con planicie de inundación, vegetaciones altas en las áreas de las banquetas. El método es una solución basada en energía con algunas atribuciones empíricas (la ecuación de perdidas por expansión de la WSPRO utiliza un coeficiente de descarga empírico). Sin embargo, la perdida por expansión es calculada con una ecuación idealizada que requiere un coeficiente C como una derivación empírica. La ecuación de Yarnell es una formula empírica. Yarnell desarrollo esta ecuación de 2600 experimentos en laboratorio con una variedad de forma de pilas, anchos, longitudes, ángulos y caudales. Estos experimentos fueron realizados con canales de forma rectangular y trapezoidal, pero no sobre áreas de banquetas. Adicionalmente, el método de Yarnell solo puede ser aplicado a canales con secciones uniforme a través de la alcantarilla (no en áreas de las banquetas tanto aguas arriba como aguas abajo) y donde las pilas son una obstrucción primaria en el flujo. En los siguientes ejemplos son casos típicos donde varios flujos bajos pueden ser usados: 1. Cada vez que el flujo pase a través de la profundidad critica dentro de la vecindad de la alcantarilla, ambos métodos de energía y de Momentum son capaces de modelar este tipo de flujo de transición. Los métodos de Yarnell y WSPRO son para flujo subcrítico solamente. 2. Para flujo supercrítico, ambos métodos de energía y de Momentum pueden ser usado. El método de Momentum puede ser mejor en las localizaciones que tiene una cantidad importante de pilas de impacto y pérdidas de erosión. El método de Yarnell y WSPRO son únicamente aplicable para situaciones de flujo subcrítico. B. Método de flujos altos Para flujos altos (flujos que comienza estar en contacto con la elevación máxima de la cuerda inferior del tablero de la alcantarilla), HEC RAS tiene dos métodos disponibles para el cálculo de: método de DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


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flujo a presión y sobre vertedero y método basado en energía. Los siguientes ejemplos son casos típicos donde varios métodos de flujos altos pueden ser usados: 1. Cuando el tablero de la alcantarilla es una pequeña obstrucción en el flujo, y la apertura de la alcantarilla no está actuando como un orificio a presión, el método de energía puede ser usado. 2. Cuando el tablero de la alcantarilla es una obstrucción larga en el flujo, y el remanso es creado debido por la contracción en el flujo, el método de flujo a presión y sobre vertedero pueden ser usado 3. Cuando la alcantarilla es sobrepasada por la superficie del agua, y el agua pasa sobre la elevación más alta de la alcantarilla y no está completamente sumergido por la elevación del agua a la salida de la alcantarilla, los métodos de flujo a presión y sobre vertedero pueden ser usado. Los métodos de los flujos a presión y sobre vertedero automáticamente interrumpen el método de energía si la alcantarilla tiene un 95 por ciento de sumersión. 4. Cuando la alcantarilla es completamente sumergida, y el flujo sobre la carretera no actúa como flujo vertedero, el método de energía puede ser usado. 8.4.5 RESULTADOS DE LA SIMULACION HIDRAULICA

Una vez ejecutada la simulación correspondiente, para observar los resultados: A.

Secciones transversales

En este caso muestra gráficamente para cada sección transversal del cauce, según datos geométricos, los niveles de las profundidades normales, critica correspondiente a los periodos de retorno especificados e igual en las secciones transversales relativas de la alcantarilla.



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ANALISIS HIDRAULICO DE ALCANTARILLA - NELAME Commented [N4]:Poner una alcantarilla

FIGURA 35.- secciones transversales del cauce y la ubicación de la alcantarilla

B. Perfiles longitudinales de flujo Muestra los perfiles de flujo correspondiente a los periodos de retorno especificados donde se incluye la forma hidráulica como la alcantarilla trabaja.



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FIGURA 36.- Alcantarilla trabajando como un canal

FIGURA 37.- Alcantarilla trabajando como un orificio



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FIGURA 38.- Alcantarilla trabajando como un vertedero

C. Perfil de flujo en perspectiva 3d HEC RAS hace una simulación en 3D, para observar las áreas de inundación del cauce producido por la obstrucción de la alcantarilla.

FIGURA 39.- Alcantarilla trabajando como un canal



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FIGURA 40.- Alcantarilla trabajando como un vertedero

D. tabla de resultado del perfil de flujo Una manera de determinar las características hidráulicas que ocurren en la alcantarilla es viendo la tabla de resultado del perfil de la simulación hidráulica correspondiente a los periodos de retorno analizado, o sea la alcantarilla trabajando como un canal (T=10 años), el valor de la columna E.G. US. es menor que de la columna Min. El. Prs. (método de flujo bajo), la alcantarilla trabajando como un orificio (T= 50 años), el valor de la columna E.G. US. es mayor que de la columna Min. El. Prs. pero menor del valor de la columna Min. El Weir flow y la alcantarilla trabajando como un vertedero (T=100 años), el

 

valor de la columna E.G. US. es mayor que de la columna Min. El Weir Flow (método de flujo alto). Se observa en la tabla en la columna Q Weir, el caudal que se vierte sobre la alcantarilla (

=

18.27 m3/s), el resto del flujo total (caudal hidrológico) pasa a través de la apertura de la alcantarilla como flujo a presión. Se especifico que los cálculos de flujo a presión empiecen cuando la elevación de la línea de energía de la sección aguas arriba (columna E.G. US) sea ligeramente mayor que la elevación más alta de la cuerda inferior aguas abajo del tablero de la alcantarilla (columna Min. El. Prs. = 26m), o sea que para los periodos de retorno de 50 y 100 años la alcantarilla trabajara con un flujo a presión.



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En esta siguiente tabla de resultado se observa los métodos energéticos seleccionados para ver la forma de trabajo de la alcantarilla, así como la energía de trabajo como un orificio y como un vertedero. Las tres filas muestran los resultados para cada uno de los perfiles de flujo, en orden ascendente. La columna W.S. U.S muestra la elevación de la superficie del agua inmediatamente aguas arriba de la alcantarilla. Las columnas de Energy EG, Momento. EG y Yarnell EG muestran los resultados de los métodos de los flujos bajos que fueron escogidos para ser calculados, donde se usa el valor con la mayor pérdida de energía, o sea que HEC RAS empleo el método de la cantidad de Momentum para determinar el perfil de flujo de la alcantarilla trabajando como un canal.

En las siguientes tablas de resultados se muestran los datos hidráulicos de trabajo de la alcantarilla como un canal, como un orificio y como un vertedero respectivamente.



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Tabla de resultado de la alcantarilla trabajando como un canal

Tabla de resultado la alcantarilla trabajando como un orificio DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


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Tabla de resultado la alcantarilla trabajando como un canal



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SOCAVACIÓN EN ALCANTARILLAS

El flujo a través de la alcantarilla puede causar erosión indeseable (socavación) en la salida desprotegida, debido al cambio de un fondo fijo (alcantarilla) a un fondo móvil (cauce natural), debilitando la estructura de la alcantarilla. La erosión en algunos casos puede ser de una magnitud lo suficiente grande, que pone en peligro, tanto la la propia alcantarilla como la base y sub base de la carretera. Varios investigadores han realizado ensayos en modelos sobre la socavación aguas abajo de las estructuras de las alcantarillas y los resultados combinados sugieren las siguientes pautas de diseño. En el diseño se debe terminar la magnitud de la socavación a esperar y si es necesario hacerle una protección mediante disipadores que básicamente son de enrocados, de impactos o de resalto.

FOTO 2.- Socavación en la salida de la alcantarilla

6.1

ESTIMACION DE LA EROSION

La mejor estimación de la erosión es la que se realiza en un sitio por comparación con otras alcantarillas existentes en la misma carretera o en otra adyacente. En caso de no tener esa información, la geometría de la profundidad, longitud y ancho de la socavación se estima con los siguientes criterios, según la

 < 0.5

secretaria de estado de obras públicas y comunicación de la republica de Dominicana: 

Si



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Page 102


Si



 ≥ 0.5

ℎ  

Donde:

ℎ = 1=.022.53..ℎ... ℎ. ℎ ==0.905.94.72ℎℎ.....  = 4.32 ℎ....  = 0.67 ℎ. . ℎ

– profundidad de socavación en m,

socavación en m,

– caudal de diseño en m 3/s,

– longitud de la socavación en m,



- ancho de la

– profundidad de agua a la salida de la alcantarilla,

en m, – tiempo pico del hidrograma de diseño en minutos.

Si existe una información de la socavación de alcantarillas adyacente en la misma carretera u otra similar, las ecuaciones anteriores sus coeficientes se pueden calibrar o ajustar. Según Breusers y Raudkivi (1991), la profundidad de socavación por debajo del nivel de la solera se puede determinar como:

ℎ =0.65 () . ℎ = 3.18. (). −. ,  = ().  ==175.5  0.27 <  < 2.7  0.2  <  < 7.3 Donde:



- velocidad del flujo en la salida,

- velocidad de corte critica de Shields

La ecuación anterior puede modificarse en el caso de material este bien graduado

Donde:

– diámetro de la alcantarilla en m,

- número de Froude

.



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.


ℎ  ℎ>0.5=0.215

Para proteger el lecho del canal contra la socavación, se recomienda un tamaño mínimo de piedra (m) para niveles bajos de cauce aguas abajo,

Para niveles altos del cauce aguas abajo en

el tamaño de la piedra recomendada se reduce

 = 5

Fletcher y Grace (1974) recomendaron un revestimiento de la sección trapezoidal aguas debajo de la salida de la alcantarilla extendiéndose hasta una longitud igual 1 a 10 seguido por un muro de cortina hasta una longitud igual laterales del revestimiento trapezoidal se recomiendan 1 a 2.

con una pendiente del lecho de

con una pendiente de 1 a 2; los taludes



Blaisdell y Anderson (1988) hicieron un estudio amplio de socavación en salida de tuberías en voladizo y sugieren la profundidad máxima de socavación extrema



para



para

Donde:

por debajo del nivel del cauce aguas

/ ≤ 1 = 0.75[1 −.−] / > 1   = 10=.5[1∆−..−]  

abajo (elevación cero) como:

- altura de la salida de la tubería por encima del nivel del cauce aguas abajo en m,

velocidad del chorro en el cauce aguas abajo en m/s.



- es la

Debe colocarse estructuras de disipación de energía comunes (delantal inclinado, cisterna, tanque de amortiguación, piscina de inmersión, etc.) si las velocidades de descarga de la alcantarilla son muy altas. 6.2

ESTRUCTURAS DE DISIPACION DE ENERGIA EN LA SALIDA DE LA ALCANTARILLA

ℎ

ℎ

En primer lugar, se debe determinar si se requiere disipador de energía, para lo cual se estiman previamente, las profundidades de agua en el cauce natural



, y en la salida de la alcantarilla

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, la




velocidad de salida , así como la velocidad permisible del fondo, la cual se da en la siguiente tabla.



, de acuerdo a la granulometría del material

VELOCIDAD PERMISIBLE A LA SOCAVACION SEGÚN GRANULOMETRIA DEL LECHO DEL CAUCE Material de fondo Diámetro medio

 ⁄

(mm)

Limo 0.0050.05 0.20

Arena

Arena

Arena

Grava

Grava

Grava

Piedra

Piedra

Piedra

Piedra

fina

media

gruesa

fina

media

gruesa

fina

media

gruesa

grande

0.25

1.0

2.5

5

10

15

25

40

75

200

0.30

0.53

0.70

0.75

1.05

1.20

1.45

1.80

2.40

4.25

TABLA 9.- Velocidad permisible de socavación según la granulometría del lecho del cauce

 >    > 1.3

En caso de existir vegetación en el cauce, los valores de la velocidad permisible pueden ser aumentados en un 75%. Si

, se debe colocar un disipador de energía con el fin de evitar

socavación que ponga en peligro la estructura. De acuerdo a la manera de disminuir energía, los disipadores pueden ser de: impacto, resalto hidráulico, caídas escalonadas y fricción (enrocados). 6.2.1 DISIPADOR DE IMPACTO 6.2.2 DISIPADOR DE RESALTO HIDRAULICO 6.2.3 DISIPADORES POR CAIDA ESCALONADA

Una estructura de caída es una estructura de regulación que disminuye el nivel del agua a lo largo del curso. En general, la pendiente de un canal es mas moderada que la del terreno, como resultado de lo cual, en canal construido en corte en su cabecera, pronto superara la superficie del terreno. Para evitar rellenos excesivos, el nivel del lecho del canal aguas abajo se disminuye y los tramos se conectan mediante estructura de caída apropiada, ver figura 21.

FIGURA 41.- Localización de caídas del canal



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En algunos casos la pendiente de fondo del canal se puede fijar menor que la del terreno natural y de tanto en tanto colocar un escalón que compense la diferencia de ambas pendientes. Estos escalones llamados saltos, tienen normalmente alturas que oscilan entre 0.60 y 2.0 m y se construyen de hormigón simple. Eventualmente se utilizarán alturas mayores recurriéndose en tales casos al hormigón reforzado, la caída se localiza de tal manera, que los rellenos y los cortes del canal se equilibren en lo posible. La estructura de caída común, en donde la napa aireada cae libremente (flujo modular) golpeando el piso del tanque aguas abajo y cuya circulación turbulenta en la piscina por debajo de la napa contribuye a la disipación de energía, se muestra en la figura 22.

FIGURA 42 - Estructura de caída común (Bos, 1976)

Según el texto de estructuras hidráulicas de Novak, Moffat y Nalluri, presenta las siguientes ecuaciones



que establecen la geometría de la estructura de una manera apropiada para pendientes empinada:

 =   = 4.3.    = .



Numero de caída,



Longitud del tanque



Profundidad de la piscina bajo la napa



Profundidades secuentes



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 = 0.54. ,  = 1.6 . 



Donde: – caudal por metro de ancho, y

– altura de la cresta de la caída por encima del piso del tanque

– la longitud del salto hidráulico.



Es conveniente colocar un pequeño escalón hacia aguas debajo de altura extremo del piso del tanque, para fijar la formación del resalto hidráulico.

ℎ, 0.5 < ℎ < 4 (

), en el

Según Rand (1955), en libro de hidráulica de canales abiertos de Richard H. french, demostró que, al analizar los resultados experimentales en una estructura de caída de pequeños drenajes para disipar

 = 0.54. ,  = 4.30 . ,  = 6.9  ℎ = 6

energía, obtuvo las siguientes expresiones:

El escalón final de la caída se estima como hidráulico.

al final de la estructura sirve para ubicar el salto

6.2.4 DISIPADORES DE FRICCION O E NROCADOS 7

ASPECTOS ESTRUCTURALES EN ALCANTARILLAS

Las cargas de proyecto considerada para el calculo de las estructuras son: cargas muertas, cargas vivas, impacto. Las cargas vivas, de acuerdo con las especificaciones de la American Association State Highway and Transportation Officials (AASHTO) las cargas se conocen con las designaciones H y HS. Un camión de dos ejes es una carga H, a continuación de la letra se coloca un numero que indica el peso bruto en tonelada del sistema inglés (2000 lb) del camión especificado como carga. Las cargas HS corresponde a un camión -tractor de dos ejes con un semi remolque de un solo eje. El 80% del peso bruto del camión o camión remolque recae en sus respectivos ejes posteriores. Al eje del semi remolque se le supone siempre una carga igual a la del eje posterior del camión tractor.



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

FIGURA 43. - Esquema de carga viva de un camión

De cuerdo AASHTO, si tenemos un camión



es un camión de 40000 lb, de las cuales el 80% (32000

lb) corresponde al eje trasero y el 20% (8000 lb) corresponde al eje delantero. De igual manera una carga de

que representa un camión de 40000 lb con un semi remolque de 32000 lb. En este caso

la distribución por eje seria 32000 lb para el trasero del tractor, 32000 lb para el eje del semi remolque y 8000 lb para el eje delantero del tractor. Las cargas anteriores son llamadas cargas tipo y corresponde a una separación de 14 pies (4.2672 m) de distancia entre ejes del camión. La distancia entre el eje posterior del camión tractor y el eje del semi remolque varían entre 14 pies y 30 pies. A continuación, se detalla la metodología de cálculo estructural (o estático) de tuberías flexibles recomendada por la American Water Works Association (AWWA), en sus manuales (especialmente su manual AWWA M23, para tuberías de PVC), de gran aplicación a nivel mundial y, sobre todo, en el continente americano. 7.1

TEORIA BASE

Toda tubería flexible que sea instalada enterrada en zanja podrá estar solicitada a lo largo de su vida

 

útil por algunas o todas las cargas siguientes (Figura 24): Peso del suelo de relleno de la zanja por encima del tubo a la tubería

, Carga dinámica generada por el tránsito vehicular (en caso de existir) que llega

, Presión externa

conducciones a presión). Sobrepresiones internas también en el caso de conducciones a presión.


  

generada por el agua de la napa freática (en caso de que el

  

nivel de la misma esté por encima de la tubería), Presión interna


de trabajo (en el caso de

por fenómenos transitorios (Golpe de Ariete),

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De estas cargas, las dos primeras (peso del relleno y cargas de tránsito) tenderán a generar una ovalización vertical del tubo, la tercera (presión externa de agua de napa) tenderá a ejercer una compresión sobre todo el perímetro del tubo que podría ocasionar abolladuras por efectos de “pandeo” y, por último, la cuarta y

quinta solicitaciones (presión interna de trabajo y sobrepresiones por transitorios) cuando son presiones positivas tenderán a “inflar”

la sección de la tubería (generando tensiones de tracción pura en las paredes), mientras que, si son negativas, ejercerán un efecto de “succión” que podrá derivar también en fenómenos de “pandeo”.

El estudio de todos estos efectos combinados y su efecto sobre la tubería es lo que se conoce como “cálculo estructural” o “cálculo estático” de la misma . FIGURA 44.- Solicitaciones de una tubería enterrada

Los manuales AWWA primero establecen la metodología para, a partir de las cargas mencionadas, calcular las solicitaciones que éstas generarán sobre la tubería instalada en zanja. Una vez calculadas estas solicitaciones, entonces, se establece una serie de verificaciones a realizar sobre el desempeño de la tubería frente a las mismas (y en función de las condiciones de instalación consideradas). 7.2

CÁLCULO DE SOLICITACIONES SOBRE LA TUBERÍA

Para el caso de tuberías sin presión interna, como el que nos ocupa, estas verificaciones son las siguientes: Deflexión Anular u Ovalización de la sección transversal del tubo, Pandeo de la sección transversal del tubo, Tensiones de Compresión en la pared del tubo. 7.2.1 CARGA DEL RELLENO DE LA ZANJA

La metodología tradicional utiliza las fórmulas de Marston para el cálculo del peso del relleno de la zanja sobre la tubería. Para el propósito de esta determinación, los conductos enterrados fueron divididos en dos aspectos conocidos como: conductos en zanjas y conductos en proyección, y estos divido en proyección positiva y proyección negativa. DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


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Los conductos en zanja son definidos como aquel que es instalado en una zanja relativamente angosta que se excava y que luego es rellenada, como se muestra en la figura a). Cuando la zanja tenga un ancho mayor a dos veces el diámetro del tubo, se considera como una proyección positiva, como se muestra en la figura b). El conducto en proyección positiva estanque que queda instalado en cama poco profunda con su parte superior sobre la superficie natural del terreno y luego es cubierto con el terraplén, ver figura b). Un conducto en proyección negativa es aquel que es instalado en angosta y relativamente poco profunda zanja con su parte superior a una elevación H, debajo de la superficie del terreno natural, que luego es rellenada con un terraplén como se muestra en la figura c).

Si un conducto se coloca sencillamente apoyado en el terreno natural se proyectará en 100%, si se entierra hasta la mitad de su diámetro se proyectará en 50%, si se entierra un 20% de su diámetro se proyectará en un 80%. De acuerdo a esta teoría, dada la forma de operar de las tuberías flexibles (produciendo una ovalización primaria para entrar en contacto con las paredes del relleno), se genera un efecto de arco en el suelo por encima de las mismas, que “aliviana” el peso que este suelo en definitiva descargará sobre ellas.

Sin embargo, la magnitud de este efecto de arco veces resulta muy difícil de estimar, por lo que muchas normas y manuales, entre los que se encuentran los correspondientes a AWWA, simplifican el tema, quedando del lado de la seguridad, calculando el peso del relleno por encima del tubo al 100%, es decir sin ningún efecto de arco. En este sentido, entonces, el peso que ejercerá el suelo de relleno de la zanja DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


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colocado sobre la tubería se asume directamente como el peso del prisma de suelo por encima de la misma, hasta el nivel del terreno. Por lo tanto, la carga del relleno, por unidad de ancho, para cada sección transversal de la zanja, será:

Donde:



   =  

– Carga del relleno, por unidad de ancho, en

por encima de la tubería, en

,

,

– Peso específico del suelo del relleno

– altura de relleno o Tapada, en m.

7.2.2 CARGAS DE TRÁNSITO

En función de la teoría de Boussinesq, las cargas en superficie serán transmitidas a través del terreno, disminuyendo su magnitud a medida que aumenta la profundidad. En este sentido, las cargas de tránsito que fehacientemente llegan a la tubería estarán disminuidas en función de la altura de relleno o Tapada (T). Adicionalmente, en la disminución de cargas de tránsito también influirá la presencia o no de un pavimento rígido, ya que su acción es justamente la de disminuir la transmisión de las cargas vehiculares al suelo. Para simplificar los cálculos, los manuales AWWA brindan directamente, en base a experiencias realizadas para vehículos standard, tablas con las cargas que deberá soportar la tubería en función de la profundidad de instalación. A continuación, se dan los ejemplos más comunes. F. Camión AASHTO H-20 / Pavimento Rígido



Para el caso de considerar la circulación de un camión standard AASHTO H-20 sobre una carretera con pavimento rígido, se establecen las cargas

dadas en la Tabla 2 (A). Los valores expresados en esta

tabla fueron desarrollados por el American Iron and Steel Institute (AISI) y son los dados por la norma ASTM A796. Se asume una carga por rueda de unas 7.2 toneladas (con un área de contacto de 25x50 cm) aplicada a través de un pavimento rígido de 30 cm de espesor. Tabla 2 (A) Camión AASHTO H20 y pavimento rígido Profundidad de relleno o Tapada (m) 0.45



 64.99

11:27:23 AM

Page 111


0.60

37.52

0.90

28.14

1.20

18.76

1.50

11.39

1.80

9.38

2.10

8.04

2.40

4.69

TABLA 10. - Carga viva Camión AASHTO H20 y pavimento rígido

G. Camión AASHTO H-20 / Pavimento Flexible o Sin Pavimento

Profundidad de relleno o Tapada (m) 0.45

 

0.60

63.65

0.75

46.90

0.90

36.18

1.05

28.81

1.20

24.12

1.80

13.40

2.40

8.71

3.00

5.63

Para el caso de considerar la circulación de un camión standard AASHTO H-20 sobre una carretera con pavimento flexible, o bien sin pavimento, se establecen las cargas Tabla 2 (B)

de la Tabla 2 (B).

Camión AASHTO H20 y pavimento flexible o sin pavimento

93.13

TABLA 11. - Carga viva Camión AASHTO H20 y pavimento flexible o sin pavimento



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H. Ferrocarril Cooper E-80 Para el caso de que la tubería se instale por debajo de una vía férrea, por la cual circularán ferrocarriles del tipo COOPER E-80, se establecen las cargas

de la Tabla 2 (C).

 

Tabla 2 (C) FFCC COOPER E-80 Profundidad de relleno o Tapada (m) 0.75

129.31

0.90

123.38

1.20

112.56

1.50

101.17

1.80

89.78

2.10

79.73

2.40

71.02

2.70

63.65

3.00

56.28

6.00

22.11

TABLA 12. - Carga viva Ferrocarril FFCC COOPER E-80

7.2.3 DEFLEXIÓN ANULAR

  ∆ % = 80.061∗ .10  /    “

Para calcular la deflexión vertical porcentual de la tubería, ocasionada por la acción de las cargas del relleno

y tránsito

y eventuales cargas estáticas, se recomienda el uso de la ecuación de

Spangler-Iowa Modificada, según la cual:

Donde:

- Deflexión vertical porcentual, en %,

diámetro vertical del tubo), en mm,

del tubo y el eje neutro de sus paredes), en mm, coeficiente tiene que ver con el ángulo de apoyo la zanja, de acuerdo a la Tabla 3., DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA

- Deflexión vertical absoluta (reducción del

- Diámetro medio de la tubería (distancia entre el eje central - Coeficiente de Apoyo, adimensional. Este

” que formará la tubería con la cama de asiento en

- Factor de deflexión retrasada, adimensional. Considera el


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 =∗1.5   



aumento de la carga del relleno de la zanja debido a su asentamiento con el tiempo. Para propósitos de diseño se considera que un factor

es conservador para tuberías flexibles,

Anular Nominal de la tubería, en kN/m²,

- Rigidez

- Módulo resistente del suelo de relleno, en kPa. Este

representa el soporte del relleno alrededor del tubo, en reacción a la deflexión lateral del mismo bajo carga.

Tabla 3. Coeficiente de Apoyo

Angulo de apoyo en grados 0

Coeficiente de Apoyo 0.11

30

0.108

45

0.105

60

0.102

90

0.096

120

0.09

180

0.083



∗∗ ∗∗ 

TABLA 13.– Coeficiente de apoyo

Con respecto al Módulo Resistente combinación del Módulo Resistente

, para estimarlo se supone que el mismo deberá ser una

∗ 

del relleno alrededor del tubo con el Módulo Resistente

del

suelo natural a los costados de la zanja. Esta combinación se realiza a través de un coeficiente , que dependerá de las relaciones y (ancho de zanja/diámetro exterior del tubo). El valor del módulo

∗

para el suelo natural a los costados de la zanja puede extractarse de la Tabla 4 en función

del tipo de suelo y la resistencia medida en los sondeos de la zona (ensayo SPT, o Resistencia a la Compresión Sin Confinamiento). Tabla 4. Módulo de reacción Suelo Granular Tipo de suelo

No Golpes

A B

∗

para el suelo natural

Descripción

Descripción

0-1

Muy, muy suelto

Muy, muy blando

1-2

Muy suelto

Muy blando

SPT



  ∗ 

Suelo cohesivo

11:27:23 AM

0-13

340

13-25

1400

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Tabla 4. Módulo de reacción C

2.4

D

4-8

Suelto

E

8-15

F

15-30

G

30-50

H



∗

para el suelo natural

Blando

25-50

4800

Mediano

50-100

10300

Ligeramente compacto

Rígido

100-200

20700

Compacto

Muy rígido

200-400

34500

Denso

Duro

400-600

Muy denso

Muy duro

50

∗ ∗



600

69000 138000

TABLA 14.– Modulo de reacción para suelo natural

Para el cálculo del Módulo de Reacción

del relleno, se brindan 2 posibilidades y se recomienda

adoptar en cada caso la más desfavorable. La primera posibilidad son los módulos adoptados por el Bureau of Reclamation luego de una serie de ensayos conducidos por A. Howard y pueden verse en la Tabla 5. Tabla 5. Módulo de reacción Tipo de suelo

Descripción

1 2

para el suelo de relleno según Bureau of Reclamation Densidad Compactación Proctor Normal Moderado

Arrojado

Leve <85%

Roca partida

6890

6890

20670

20670

Suelo de grano grueso con menos de 12% de finos, (GW, GP, SW, SP)

1378

4823

13780

20670

1033.5

2756

6890

17225

344.5

1378

2756

10335

85-95%

Alta >95%

A – Suelos de grano fino (LL<50) con plasticidad media a nula (CL, ML, ML-CL) con mas de un 25% de 3

partículas de grano grueso. B – suelos de grano grueso con mas de un 12% de finos (GM. GC, SM, SC)

4

Suelos de grano fino (LL<50) con plasticidad media a nula (CL. ML,



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Tabla 5. Módulo de reacción

∗

para el suelo de relleno según Bureau of Reclamation

ML-CL) con menos de un 25% de partículas de grano grueso. Suelos de grano fino (LL>50) con 5

Uso no recomendado. Sin información disponible.

plasticidad media a alta (CH, MH, CH-MH)

∗ = 0

Consultar a un especialista o bien considera

∗

TABLA 15.– Modulo de reacción para suelo de relleno según Bureau of Reclamation

Bajo el punto de vista estructural, se puede distinguir tres tipos de conductos: 1) conductos rígidos, son aquellos que sus dimensiones no pueden ser modificadas en más de 0.1% del diámetro nominal, 2) conductos semi rígidos, son aquellos que admiten una deformación mayor del 0.1% del diámetro sin fallar y 3) conductos flexibles, son aquellos que pueden detener deformaciones de las del 3% del diámetro sin fallar. Algunas experiencias, indican que tuberías de metal corrugado son totalmente seguras bien sea bajo relleno con cargas rodantes con o sin impacto, e incluso para alturas del relleno al menos iguales al diámetro de la tubería, la deflexión varía entre el 2% y el 3% del diámetro nominal. Las tuberías de concreto son rígidas, mientras que las de acero con recubrimiento se consideran semi rígidas debido a que no pueden reflectar más del 2%. Las tuberías que no tienen recubrimiento, se consideran flexibles. La diferencia entre el comportamiento bajo carga es diferente entre la rígida y la flexible, siendo más importante lo siguiente: la carga desarrollada sobre una tubería rígida es mayor que una flexible, dado que en una tubería rígida, la carga se concentra en el tope y el fondo, creando esfuerzo que deben ser soportado por las fibras externas, mientras que en la tubería flexible, las cargas son menores debido a: 1) los esfuerzos se distribuyen a lo largo de la circunferencia, 2) el esfuerzo de compresión sobre la fibra exterior de toda la circunferencia, es resistido por el efecto del arco, que por su resistencia al momento. Se puede concluir que bajo una misma carga de relleno, la tubería de concreto recibe más carga, siguiéndole, la de hierro fundido, la de acero y la metal corrugado.



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Buscar grafica en internet sobre el comportamiento a la compresión de diferentes tipos de tubería bajo relleno. Aunque la capacidad de soportar carga de una tubería flexible, depende del modulo de sección, al deformarse hacen uso de toda su capacidad de resistir carga de tierra que lo rodea y, por lo tanto, la tubería puede cambiar de forma sin fallar, transfiriendo las cargas verticales a empuje radial, que es resistido por la presión pasiva de la tierra. Por lo tanto, para alturas de relleno muy altas, se recomienda colocar tuberías flexibles corrugas. En una tubería rígidas, como de concreto, debe de soportar la carga por si sola y es por esta razón que no se debe utilizar el análisis de momentos de flexión en tuberías flexibles. Buscar la selección de los espesores o calibres de tubería de material corrugado. Para tuberías de concreto, permiten determinar, según el tipo de apoyo (o asiento) y clase de tubería, las alturas de relleno mínimo y máximo. Las clases se refiere a la denominación estructural según el tipo de hormigón: 1) hormigón simple: clase 1,2 y 3 (AASHTO M-86, ASTM-14), 2) hormigón armado: clase 4,5, 6 y 7 (AASHTO-17, ASTM-76 Y AASHTO M-242, ASTM-655. Buscar estas especificaciones. 8

METODOLOGÍA PARA LA INSPECCIÓN DEL ALCANTARILLA Y SU ENTORNO

La primera tarea que se debe realizar para estudiar la vulnerabilidad de la alcantarilla frente al cauce que salva es desarrollar una minuciosa inspección de éste en el entorno más inmediato de la alcantarilla. Basándose en experiencia, es razonablemente válido un alcance, de cuatro veces la longitud de la alcantarilla, aproximadamente, hacia aguas arriba y hacia aguas abajo. La evaluación del riesgo potencial frente a una avenida se desarrolla en base a dos parámetros: vulnerabilidad del alcantarilla y geomorfología del cauce. Estos dos descriptores engloban gran cantidad de registros que, bajo un algoritmo de cálculo, permite establecer la condición de riesgo, en forma numérica. 8.4.6 EVALUACIÓN DEL ÍNDICE DE RIESGO

Como en el caso de la Inspección Principal de la alcantarilla, el fin de la inspección del conjunto alcantarilla-cauce es obtener un índice que represente y que, en la medida de lo posible, cuantifique el riesgo potencial de la alcantarilla frente a fenómenos de socavación aguas abajo. Este índice permite DR, NESTOR JAVIER LANZA MEJIA


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realizar una priorización de las actuaciones a acometer, en este caso, orientadas a tareas de protección para reducir la capacidad erosiva del cauce. Esta evaluación, comienza por la agrupación de los datos recogidos en la inspección, reuniéndolos en los siguientes epígrafes: 1. Datos observados desde la plataforma de la alcantarilla: Régimen del flujo, Alcantarilla en llanura de inundación, Ángulos de aproximación y de desvío, Cobertura de la superficie (bosque, matorral, cultivos...) 2. Datos observados desde debajo de la alcantarilla: Material del lecho (hormigón, roca, bolos/guijarros, gravas, arenas...), Existencia de barras puntuales o intermedias (vegetadas o no), Existencia de obstrucciones (invasiones de cauce, afección de otras estructuras, Vertidos, edificaciones...), Acumulaciones de material de arrastre (matorrales, árboles, basuras, escombros...), Evidencia de sobrepaso de la estructura, Evidencia de flujo en carga 3. Datos observados en el cauce aguas arriba y aguas abajo: Anchura del cauce , Tipo de cauce (rectilíneo, trenzado, anastomosado, torrencial...) , Cobertura vegetal de las márgenes , Material de las márgenes y del lecho (hormigón, roca, bolos/guijarros, grava, arena...) , Erosión de las márgenes (suave, severa, deslizamiento...) , Existencia de afluentes o confluencias (naturales o artificiales) , Impacto meándrico , Existencia de barras puntuales o intermedias (vegetadas o no) , Existencia de obstrucciones, Protecciones de cauce y de márgenes (escolleras, gaviones, diques, espigones, revestimientos...) y condiciones de conservación , Erosión por contracción aguas arriba y por expansión aguas abajo. Todos estos datos son introducidos en una base de datos donde se tratan mediante un algoritmo específico con vistas a cuantificar los cuatro parámetros que caracterizan la vulnerabilidad de la alcantarilla, a saber: 1. El descriptor de vulnerabilidad de la alcantarilla que es función de: El tipo de cimentación , El material de la cimentación , El ángulo de ataque de la subestructura. 2. El descriptor del cauce que depende de: La existencia de barras o de obstrucciones, La existencia de acumulaciones de depósitos, El tipo de cauce - La evidencia de impacto meándrico, Las



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erosiones de las márgenes, El material del lecho y de las márgenes, La influencia de los afluentes, La tipología de las protecciones del cauce y su estado, La afección de mareas oceánicas. 3. El descriptor de la interacción cauce –estructura que se determina en base a: El material del lecho del cauce, La evidencia de flujo en presión, El ángulo de desvío en régimen de aguas altas , La existencia de protección en la zona del alcantarilla , El estado de dicha protección , La evidencia de erosión aguas abajo en la descarga. 4. El descriptor de la socavación en la sección de descarga en la alcantarilla: Cuantificación de la existencia de socavaciones, descalces o giros que ya se hayan producido en la estructura inspeccionada. Integrando estos descriptores y considerando también la importancia de la alcantarilla se obtiene el ÍNDICE DE RIESGO que caracteriza el conjunto alcantarilla-cauce en función de su vulnerabilidad frente a la posible socavación que pudiera producir una eventual avenida. Así, se pueden agrupar las alcantarillas en cinco categorías, en función del valor del Índice de Riesgo obtenido: -

Estructuras con índice de riesgo menor o igual a 20.

Se trata de alcantarillas sobre cauces cuyo índice de vulnerabilidad es prácticamente nulo. Se deben volver a inspeccionar en un tiempo prudencial, marcado por los plazos que se definan como intervalo tipo hasta la próxima Inspección Principal. No es probable que se vean afectados en avenidas extraordinarias, aunque dada la dinámica de los ríos puede resultar aventurado corroborar este hecho. -

Estructuras con índice de riesgo mayor de 20 y menor de 50

A este grupo pertenecen las obras cuyo índice de vulnerabilidad es aceptable, a corto plazo, en las que se ha detectado: Algún indicio de socavación moderada, y/o Algún parámetro negativo de cierta importancia, como puede ser el ángulo de ataque de la estructura, existencia de erosión por expansión (contracción del cauce), impacto meándrico, o erosión en las márgenes. En estos casos se debe proceder, en general, al seguimiento de los parámetros de socavación que han generado el índice de riesgo del alcantarilla. -




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En general, a este grupo pertenecen las obras cuyo índice de vulnerabilidad es de moderado, a corto plazo, en las que se han detectado la conjunción de diversos parámetros negativos o algún elemento de la subestructura con socavación apreciable. En estos casos se debe proceder, en general, al seguimiento periódico de los parámetros de socavación que han generado el índice de riesgo de la alcantarilla o en su caso a realizar las protecciones pertinentes. El valor 70 puede considerarse como umbral de aceptación. -


A este grupo pertenecen las obras cuyo índice de vulnerabilidad es severo o muy severo, a corto plazo, en las que se han detectado la conjunción de diversos parámetros negativos y, además algún elemento de la subestructura con socavación avanzada o fuerte. En estos casos se debe proceder, en general, a proteger convenientemente la subestructura y, si procede, el cauce. -

Estructuras con índice de riesgo mayor o igual a 100

Son siempre alcantarillas en que se ha detectado asentamiento o giro en algún elemento de la estructura. Su condición de vulnerabilidad es elevada y el potencial de riesgo es inaceptable. En las alcantarillas en que se da esta casuística es obligado realizar un estudio de detalle de la estructura, con vistas a proceder a un recalce o, en algunos casos, hay que proceder a acometer algunas reparaciones de forma inmediata, o incluso con carácter de urgencia.



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BIBLIOGRAFIA

1. CHOW, Ven Te. Hidráulica de canales Abiertos. Editorial McGraw-Hill.1990 2. CALCULO HIDRAULICO Y MECANICO DE TUBERIAS A PRESION. Folleto 3. CRESPO VILLALAZ, Carlos. Vias de comunicación caminos, ferrocarriles, aeropuertos,

alcantarillas y puertos. Limusa. 1992. 4. FRENCH, Richard H. Hidráulica de canales Abiertos. Editorial McGraw-Hill. 1988 5. NOVAH, MOFFAT, NALLURI. Estructuras hidráulicas. Segunda edición. McGRAW-HILL. 2001 6. SECRETARIA DE ESTADO DE OBRAS PUBLICAS COMUNICACIÓN, Republica Dominicana. Folleto 7.



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Page 121

ANALISIS HIDRAULICO DE ALCANTARILLA - NELAME 10 ANEXO



PARAMETROS HIDRAULICOS DE CANALES ABIERTOS



11:27:23 AM

Page 122




DRENAJE DE CAMINO SECCION TIPICA



SECCIONES TIPO CUNETAS REVESTIDAS



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Page 123




SUMIDERO TIPO VENTANA



DETALLE CONSTRUCTIVO DE ALCANTARILLA



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Page 124




VISTAS ONGITUDINAL Y TRASNVERSAL DE ALCANTARILLA



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Page 125




11:27:23 AM

Page 126




MONGRAMAS DE CULVERT



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Page 127




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Page 128




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Analisis Hidraulico Alcantarilla TEXTO 10022018

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