Tema 11: Drenaje OBJETIVOS
Conocer el contenido del Anejo de Drenaje Estudiar los tres tipos de drenaje: Superficial longitudinal, superficial transversal y profundo Comprender el funcionamiento y tipologías de los elementos de drenaje Posibles mejoras o propuesta de alternativas
CONTENIDOS
1 INTRODUCCION 2 ESTUDIO HIDROLOGICO 2.1 CONTENIDO DEL ESTUDIO HIDROLOGICO 2.2 COMPROBACIONES A REALIZAR SOBRE EL ESTUDIO HIDROLOGICO 2.2.1 ANALISIS DE LOS PLANOS DE CUENCA DEL PROYECTO 2.2.2 ANALISIS DEL CALCULO DE PRECIPITACION MAXIMA DIARIA 2.2.3 ANALISIS DEL CALCULO DE CAUDALES 3 CONTENIDO DEL ESTUDIO DE DRENAJE 3.1 DRENAJE LONGITUDINAL 3.1.1 REVISION DEL DISEÑO 3.1.2 CALCULOS HIDRAULICOS 3.2 DRENAJE TRANSVERSAL 3.2.1 CONDICIONANTES DEL CALCULO HIDRAULICO 3.2.2 CONDICIONANTES MEDIOAMBIENTALES 3.2.3 CONDICIONANTES DE TRAZADO 3.2.4 OTROS CONDICIONANTES 3.2.5 CONDICIONANTES POR CALCULO DE TUBOS MECANICOS EN TUBOS DE HORMIGON 3.3 DRENAJE DE FIRME 3.3.1 RECORRIDO DE LAS AGUAS INFILTRADAS Y CASOS DE ESTUDIO 3.3.2 ELEMENTOS DEL SISTEMA DE DRENAJE DEL FIRME 3.3.3 CAUDALES DE INFILTRACIÓN 3.3.4 DRENAJE SUBTERRANEO 4 PLANTEAMIENTO DE SOLUCIONES ALTERNATIVAS 4.1 RELATIVAS AL DRENAJE LONGITUDINAL
4.2 RELATIVAS AL DRENAJE TRANSVERSAL 4.3 RELATIVAS AL DRENAJE DE FIRME 4.4 RELATIVAS AL DRENAJE PROFUNDO 4.5 ASPECTOS IMPORTANTES RELACIONADOS CON EL TRAZADO
4.2 RELATIVAS AL DRENAJE TRANSVERSAL 4.3 RELATIVAS AL DRENAJE DE FIRME 4.4 RELATIVAS AL DRENAJE PROFUNDO 4.5 ASPECTOS IMPORTANTES RELACIONADOS CON EL TRAZADO
1 INTRODUCCION
El objeto del anejo de drenaje de un proyecto de infraestructuras es definir, justificar y dimensionar los elementos necesarios para conducir y evacuar los caudales de las cuencas naturales que dicha infraestructura intercepta o aquellos que se acumulan en ella durante un aguacero. Por lo general, el anejo de drenaje constituye un documento completo que, con tan solo la aportación de los planos, puede ser consultado de forma independiente al resto del proyecto por cualquier estamento público o privado, al que pueda afectar el curso natural de las aguas que será modificado por la construcción de la infraestructura. Especialmente, en las grandes infraestructuras, cuya concepción ha sido previamente sometida a una evaluación de impacto ambiental, el anejo de drenaje debe concebirse de esta forma, ya que los condicionantes hidrológicos generalmente forman parte de los condicionados de la Declaración de Impacto Ambiental correspondiente, y consecuentemente, la justificación de las decisiones adoptadas por el drenaje, debe ser aprobada en los órganos medioambientales competentes, responsabilidad esta que en la mayor parte del territorio nacional, corresponde a las Confederaciones Hidrográficas. En este capítulo se detallan todos los condicionantes a tener en cuenta a la hora de chequear un anejo de drenaje y efectuar posibles propuestas alternativas a éste. En todo caso se debe recurrir siempre a la Instrucción de Carreteras 5.2-IC Drenaje Superficial para poder respaldar los argumentos o criterios planteados. NORMATIVA Y PUBLICACIONES ESTATALES • Instrucción de Carreteras 5.2-IC Drenaje Superficia • OC 17/2003 "Recomendaciones para el proyecto y construcción del drenaje subterr áneo en obras de
carretera"
• Máximas lluvias diarias en la España peninsular ( Dirección General de Carreteras 1999 )
Es necesario comprobar que el estudio tiene la aprobación de la Confederación Hidrográfica competente. La Dirección de Obra solicitará el permiso preceptivo para el comienzo de las obras.
2 ESTUDIO HIDROLOGICO
Como primer dato para el diseño del drenaje de una nueva infraestructura, es necesario identificar los cauces naturales que serán interceptados y sus cuencas, y calcular la magnitud de los caudales que será necesario evacuar. Para ello se realiza un estudio hidrológico, cuyo desarrollo se esquematiza en el gráfico de la página siguiente, en el que también se muestra la casuística que puede surgir en función de la categoría de cuenca interceptada. Además del estudio hidrológico de los cauces naturales, para los elementos del diseño de drenaje superficial ( cunetas en obras lineales, ODT´s,... ) será necesario estudiar los caudales que se concentrarán en dichos elementos. Este estudio suele realizarse a la vez que el propio diseño del drenaje superficial, estableciéndose los caudales en cada punto en función de los tiempos de concentración de cada elemento de drenaje concreto y de las intensidades de la precipitación, calculadas a partir del mismo estudio pluviométrico realizado para las cuencas naturales.
Figura 11.0: Diagrama de flujo del contenido de un estudio hidrológico de cuencas naturales
2.1 CONTENIDO DEL ESTUDIO HIDROLOGICO
El análisis de anejo de hidrología debe basarse en la comprobación de los datos y parámetros utilizados para obtener el caudal de dimensionamiento de las distintas obras de drenaje, meta última y fundamental de este tipo de estudios. En este p roceso se analizarán los siguientes aspectos: • Planos de cuenca del proyecto • Precipitación máxima diaria • Metodología de cálculo del caudal
2.1.1 ANALISIS DE LOS PLANOS DE CUENCA DEL PROYECTO En primer lugar será chequear las cuencas vertientes a escala adecuada, verificando que la escala de partida para su determinación es suficiente, comparando las divisorias y confirmando que las obras de drenaje transversal están situadas donde les corresponde, es decir, en los puntos más bajos del terreno, de acuerdo al taquimétrico de la obra. Se comprobará además que no ha habido modificaciones en la morfología de la zona de estudio, como ocurre al realizar una urbanización, al nivelar terrenos para regadío o por otras c ausas, que hayan modificado la configuración de las cunencas vertientes en la proximidad de la traza. Una vez realizado este análisis se comprobarán las características de las cuencas que han permitido el cálculo de caudales máximos instantáneos ( longitud, pendiente, tipo de terreno, superficie, tipo de suelo y vegetación ); así como las variables representativas del clima d e la zona. 2.1.2 ANALISIS DEL CALCULO DE PRECIPITACION MAXIMA DIARIA En el proceso realizado por el proyectista para obtener la precipitación máxima diaria para un periodo de retorno determinado, a partir de precipitaciones diarias será necesario analizar los siguientes aspectos: • Las estaciones pluviométricas del Instituto Nacional de Meteorología elegidas son las adecuadas, es
decir, cubren con generosidad toda la superficie de cuencas representada y dispones de una serie de datos de más de 15 años • Se analizarán la bondad de los ajustes estadísticos de precipitaciones de las estaciones metereológicas seleccionadas, a la vista de su representación gráfica. • Verificación mediante otros datos: se pueden utilizar pa ra la comprobación de los cálculos los datos
obtenidos en proyectos de obras cercanas, estudios de los ríos situados en la zona y sus aforos, y a clasificación de las presas cercanas en función de su riesgo potencial, donde se establecen los caudales de avenida en los cauces afectados por embalses. • Se ha aplicado el método de ajuste de máximos, mediante una función de distribución. La más empleada es Gumbel, aunque cada vez más se tiende al uso de la distribución SQRT-Etmax, ya que para periodos de retorno altos en más fiable. Se habrá hecho esto en cada estación pluviométrica, con el periodo de retorno que fija la Instrucción de Carreteras 5.2 IC, para cada tipo de obra:
Figura 11.1: Periodo de retorno mínimo para elementos de drenaje A este respecto cabe destacar que es necesario seguir los criterios de las Confederaciones Hidrográficas, que tienden a establecer unos periodos de de retorno de cálculo más conservadores, y en relación a las Obras de Drenaje Transversal suelen fijar un periodo de retorno de 500 años. • Para obtener la precipitación e cálculo en las cuencas consideradas, una vez obtenida la Precipitación
Máxima Diaria en cada estación, se aplica el método de los polígonos de Thiessen o el método de las isoyetas ( éste suele emplearse en cuencas grandes y con suficientes estaciones pluviométricas ). Nuca se debe hacer una media aritmética, ni una media ponderada con las superficies de cada cuenca.
• A partir del mapa de Máximas Lluvias Diarias en la España peninsular, puede obtenerse la precipitación
Máxima Diaria para los periodos de retorno de cálculo. Esta precipitación suele ser un buen valor de comparación con el valor de cálculo finalmente aplicado en el proyecto. 2.1.3 ANALISIS DEL CALCULO DE CAUDALES
Para la obtención de los caudales de cálculo de cuencas pequeñas ( tiempo de concentración inferior a 6 h ), el método de aplicación es el Método Racional cuya formulación se expresa a continuación.
La Norma 5.2-IC incluye una modificación en este método que consiste en mayoral el caudal en un 20% para tener en cuenta las puntas de precipitación, resultado:
En la actualidad este método ha sido mejorado por J.R. Témez para la Dirección General de Carreteras, introduciendo unos factores de corrección.
Este método racional modificado fue publicado en el nº82 de la Revista "Ingeniería Civil " ( 1991 ) con motivo del XXIV Congreso Internacional de la IAHR, y está contenido en la publicación " Recomendaciones para el cálculo metereológico de Avenidas " ( F.J. Ferrer Polo ) editado por el CEDEX en 1993 y es actualmente aplicado en la mayor parte de los proyectos. La formulación de este Método Racional Modificado es la siguiente:
Siendo: Q ( m3/s ): Caudal punta A ( km2 ): Superficie de la cuenca I ( mm/h ): Máxima intensidad media en el intervalo de duración Tc C: Coeficiente de escorrentía de la cuenca K: Coeficiente de uniformidad La aplicación de esta formulación obtiene valores menores de caudal que el método de la Norma 5.2 IC. La única diferencia con éste, es la introducción de dos coeficientes: • Factor reductor de área: que considera que la distribución de la precipitación no es uniforme
geográficamente, no es simultánea en toda la cuenca y que corrige la precipitación:
• Coeficiente de uniformidad que tiene en cuenta el error introducido en la hipótesis de uniformidad
temporal de la precipitación a medida que crece el tamaño de la cuenca. Su valor medio en una cuenca concreta depende fundamentalmente del valor de su tiempo de concentración, y a esfectos prácticos puede despreciarse la influencia de las restantes variables tales como la torrencialidad del clima,...
El resto de parámetros que intervienen en ambas formulaciones del Método Racional son los siguientes: Coeficiente de escorrentía: El coeficiente de escorrentía de las cuencas se calcula de la siguiente forma:
siendo:
Pd (mm ): Precipitación máxima diaria ( corregido por el factor de reducción de área, en el caso del Método Racional Modificado ). P0: Umbral de escorrentía en función del tipo de terreno, corregido por un coeficiente que refleja la variación regional de la humedad del suelo al comienzo de los aguaceros significativos. Incluye una mayoración del orden del 100% para evitar sobrevaloraciones del caudal de referencia a causa de ciertas simplificaciones del tratamiento estadístico del método hidrometereológico. El valor de este coeficiente reductor se obtiene de la figura 2.5 de la Norma 5.2 IC:
Figura 11.2: Coeficiente reductor de escorrentía de la Norma 5.2 -IC. Debe comprobarse que se ha aplicado a cada área su coeficiente de escorrentía, nunca hacer un coeficiente medio. Además, en la misma cuenca, a cada precipitación le puede corresponder un coeficiente de escorrentía distinto, ya que un terreno empapado de agua no tiene el mismo coeficiente que dicho terreno seco. Intensidad de cálculo: Para el cálculo de la intesidad ( I ) asociada a un determinado periodo de retorno, la Norma %.2 IC parte de los siguientes valores: • El tiempo de concentración T ( h ) relacionado con la intensidad media de la precipitación, que se podría
deducir de la fórmula:
Siendo: L ( km ): Longitud del cauce principal J ( m/m ): Pendiente media Hay que destacar que una pequeña variación de este valor supone un gran cambio en la intensidad media de precipitación. • Con el tiempo de concentración y la precipitación asociada al periodo de retorno se calcula la intensidad
asociada al aguacero de diseño con la fórmula:
Id ( mm/h ): Es la intensidad media diaria para la precipitación de diseño, es decir, la precipitación máxima divida entre 24 h I1/Id: Es la relación entre intensidad horaria y la media diaria para la zona objeto de proyecto, este valor se obtiene de la figura 2.2 de la 5.2 IC:
Figura 11.3: Relación entre I1/Id.
3 CONTENIDO DEL ESTUDIO DE DRENAJE
El proyecto de drenaje comprende, por una parte, el desarrollo de las soluciones para desagüe de los cauces naturales afectados, y por otra, las soluciones pa ra conducir y evacuar hacia aquellos las aguas que, durante un aguacero, se concentren en la infraestructura o en sus márgenes. El anejo de drenaje difiere en su contenido cuando se trata de una obra lineal o cuando se trata de una infraestructura de otro tipo. Igualmente son distintos los métodos de cálculo aplicables a cada caso. En una obra lineal el proyecto de drenaje se suele estructurar en los siguientes apartados: • Drenaje longitudinal • Drenaje transversal • Drenaje subterraneo
3 . 1 D R E NA J E L O N G I TU D I NA L
Se denomina " red de drenaje longitudinal " a los elementos que se proyectan para desaguar las aguas que se concentran en la plataforma o en sus márgenes. La red de drenaje longitudinal suele estructurarse en: • Elementos de drenaje de las áreas adyacentes: cunetas de guarda de desmontes, bajantes,... • Elementos de drenaje de plataforma: Cunetas de pie de desmonte, cunetas de firmes, caces,
colectores,...
• Elementos de desagüe: Colectores, desagües de mediana
Figura 11.4: Solución de drenaje en desmonte De cada uno de estos elementos de l a red se establece: • Definición de tipologías: Salvo justificación en contrario, se utilizarán uno de los tipos de cuneta
indicados en la figura 3.10 de la Norma 5.2 IC.
Tal y como establece la instrucción, siempre que consideraciones económicas o de espacio no lo impidan, deberá atenderse preferentemente a las condiciones de blanqueamiento seguro del perfil transversal de la cunetas por vehículos que se salgan de la plataforma. A estos efectos, se podrá considerar que se dan tales condiciones donde la inclinación de los taludes de la cuneta sea inferior a 1V/6H y sus aristas estén redondeadas con un radio mínimo de 10 m, en caso contrario, podrán aplicarse los criterios expuestos en
la tabla 3.11 para cunetas trapeciales y triangulares. Las cunetas reducidas sólo podrán emplearse en terreno accidentado y deberán siempre cubrirse o protegerse con barreras de seguridad.
Figura 11.5: Tipos de cunetas según Norma 5 .2-IC
Figura 11.6: Inclinación del talud de cuentas de seguridad En general, para el caso de autovías, tanto la cuneta de desmonte como la cuneta de mediana se proyectan con un perfil que no requiera barrera de seguridad. Para el caso de drenaje longitudinal en terraplenes, la Norma 5.2 IC establece distintas tipologías de caz y bordillo que desaguarán en bajantes prefabricadas, cuya separación estará comprendida entre 30 m en zonas de clima mediterráneo y 50 m en zonas de clima continental y en todo caso deberán colocarse en los puntos bajos del caz.
Figura 11.8: Plano de detalle del perfil longitudinal de bajante
Figura 11.9: Plano de planta de bajante 3.1.1 REVISION DEL DISEÑO
Las cunetas de plataforma tendrán la misma pendiente longitudinal que la rasante de la carretera, salvo que se estime necesario ceñirse más al terreno o modificar dicha pendiente para mejorar la capacidad de desagüe. Todos los elementos de drenaje longitudinal tienen que tener continuidad y verter a puntos adecuados, mediante prolongación de los mismos ( cunetas o colectores ) o mediante bajantes, dependiendo del terreno en el desagüe, o bien a través de obras de drenaje longitudinal como por ejemplo en el caso de los desagües de mediana. Debe comprobarse que en las zonas de terraplén no se ha dispuesto drenaje longitudinal. Aunque parezca extraño, esto se ha visto en algunos proyectos sin justificación alguna. Se debe estudiar la posibilidad de disponer de cunetas de pie de terraplén para conducir el agua descargada por las bajantes o de obras transversales del drenaje longitudinal. En la página siguiente se recoge un plano c on las diferentes tipologías de diseño:
Figura 11.10: Plano de planta con diversos elementos de d renaje 1.- Cuneta coronación desmonte 2.- Cuneta de coronación terraplén 3.- Bajante 4.- Cuneta de firme ( de de seguridad ) + dren profundo 5.- Cuneta de firme ( de seguridad ) + dren profundo + colector 6.- Obra de paso transversal del drenaje longitudinal 7.- Obra de desagüe de punto bajo 8.- Cuneta de mediana
3.1.2 CALCULOS HIDRAULICOS
Por lo general, dentro de los cálculos hidráulicos se recoge también la determinación de los caudales que se concentran en cada elemento a partir de lo s caudales unitarios preestablecidos, ya que la determinación de las áreas de aportación, es inherente a la propia definición de los elementos. Se comprobará que el proceso de cálculo seguido se ajusta a lo prescrito en la Instrucción 5.2 IC, y en particular, se realizará la comprobación de los cálculos hidráulicos realizados en proyecto de los elementos de drenaje y de sus secciones hidráulicas, que pueden estar sobredimensionados. Se comprobará igualmente la capacidad hidráulica de las cunetas, y si estas se agotan se estudiará una tipología alternativa o aumentos de alturas de revestimiento que permitan evitar la instalación de colectores bajo cuneta que presentan mayores problemas de conservación y tienen un control de su funcionamiento más complicado. En el caso de ser necesario un colector, su diámetro mínimo será 300 mm, aunque se recomienda 400 mm y requerirá arquetas de registro cada 50 m. Los colectores deben funcionar en lámina libre sin entrar en carga. Si se agota la cuneta de mediana, o bien existe un punto bajo en esta, será nec esario disponer un desagüe mediante la ejecución de una obra transversal del drenaje longitudinal, que se recomienda coincida con algún paso de mediana que permita evitar el tubo pasante bajo este ( ver figura siguiente )
Figura 11.11: Supresión de drenaje bajo paso de mediana Del mismo modo, debe comprobarse la capacidad del resto de los elementos de drenaje, como por ejemplo, las bajantes, que si interceptan cuencas naturales deben t ratarse como drenaje transversal y dimensionarse para el periodo de retorno correspondiente. En este caso será necesario dimensionar unas bajantes con tipologías especiales que pueden ser escalonadas o con resaltos y que permitan canalizar de forma adecuada el caudal a los elementos del drenaje longitudinal. Para comprobación hidráulica de los elementos del drenaje longitudinal, como cunetas, colectores, bordillos,... se realiza el cálculo del funcionamiento en régimen uniforme; siendo lo más habitual utilizar la fórmula de Manning.
Siendo:
I (m/m ): Pendiente del desagüe n: Coeficiente de rugosidad de Manning v ( m/s ): Q/S velocidad en régimen uniforme Q( m3/s ): Caudal de diseño S ( m2 ): Superficie mojada para el calado uniforme d ( m ): Calado en régimen uniforme Rh ( m ): S/P Radio hidráulico P ( m ) : Perímetro mojado En cuanto a los coeficientes de rugosidad de Manning, suelen adoptarse los siguientes: Material
Coeficiente Manning n
Hormigones viejos
0,018
Hormigones nuevos
0,013
Terreno natural
0,045
Terreno excavado
0,035
Escolleras
0,045
Generalmente suele resultar muy útil calcular la capacidad de desagüe de una sección de cuneta en función de la pendiente; obteniendo una curva de desagüe. Por ejemplo:
Figura 11.12: Cuneta de pie de terraplén
Figura 11.13: Capacidad de desagüe de cuneta pie terraplén En las siguientes figuras se recogen las secciones tipo de cunetas de una obra de Autovía:
Figura 11.14: Cuneta lateral en desmonte con arqueta de registro de drenaje profundo
Figura 11.15: Cuneta de pie de terraplén
Figura 11.16: Cuneta de guarda en desmonte
Figura 11.17: Cuneta lateral en reposición de carretera
Figura 11.18: Caz de recogida en agua en terraplén
Figura 11.19: Cuneta en caminos agrícolas 3.2 DRENAJE TRANSVERSAL
Se denomina drenaje transversal a las obras que se proyectan para restituir la red de drenaje natural del terreno. A su vez, el drenaje transversal de una obra l ineal se divide en dos grandes apartados: • Estudio de los cauces principales, cuyo desagüe debe realizarse mediante puentes o viaductos • Estudio de las obras de drenaje transversal ( ODT´s ), cuyo desagüe se realiza mediante tubos o
marcos.
Figura 11.20: Diagrama de estudio del drenaje transversal A continuación se presenta el diagrama que determina la concepción y definición de pequeñas obras de drenaje transversal en un proyecto de drenaje, que sirve como dato de partida para los aspectos a evaluar o comprobar con el fin de realizar una optimización y mejora del drenaje transversal proyectado.
Figura 11.21: Diagrama de estudio del drenaje transversal Para realizar el análisis del drenaje transversal de un proyecto, se deben de realizar una serie de estudios previos. Por un lado, se debe recopilar y analizar la cartografía disponible, contrastándolo con un taquimétrico que permita ubicar la ODT en el punto bajo real así como realizar un encaje adecuado. Además, se debe verificar el inventario de obras de drenaje ya existentes, detallando sus características hidráulicas, estado de conservación, forma del cauce, estado del cauce y cota de entrada y salida del agua. De esta forma se pueden contrastar las dimensiones de l as obras proyectadas con las obras de drenaje existentes próximas, tanto aguas arriba, como aguas abajo, y analizar la influencia que pueda tener en el dimensionamiento. Con el taquimétrico realizado en la obra debe reestudiarse el encaje de la obra de drenaje, tanto en planta como en alzado, intentando ubicar la obra de forma que s e produzca la menor alteración del cauce posible, ya que esto exigiría realizar acondicionamientos de entrada o salida. La disposición respecto a la traza, debe ser lo más ortogonal posible a la carretera y con planta recta.
Figura 11.22: Sección longitudinal de una ODT Cuidado con los cambios de pendiente en la entrada o salida de la ODT, ya que se pueden producir aterramientos o erosiones, dependiendo de si las velocidades son insuficientes o excesivas a la entrada o a la salida. En la entrada y salida de las ODT conviene colocar aletas y boquillas, para recoger y encauzar el agua, evitando dañar el terraplén.
Figura 11.23: Ejemplo de boquillas para ODT´s El siguiente punto a estudiar será la comprobación de la tipología de obra de drenaje con el encaje realizado en planta y alzado, que puede afectar la pendiente y longitud de la obra, así como introducir las condiciones de contorno de las obras de drenaje existentes que pueden afectar hidráulicamente. Para esto será necesario analizar la funcionalidad de la obra. Es decir si su uso es compartido con paso de caminos, pasos de fauna,... en cuyo c aso requerirá una tipología determinada, o bien si su función es meramente hidráulica. 3.2.1 CONDICIONANTES DEL CALCULO HIDRAULICO
Para cada una de estas obras, con su c uenca vertiente, periodo de retorno, velocidad, caudal,... se comprobará que se han tenido en cuenta todas las aportaciones, incluidas las de las cunetas del drenaje longitudinal y chequear que no se han dispuesto un excesivo número de ODT´s. También se puede comprobar la obra para control de entrada, con los gráficos de la Instrucción 5.2 IC, que sólo serán aplicables cuando se cumplen todas las condiciones establecidas: Cuando no se cumplan las condiciones de contorno de entrada, se deberá comprobar también el control de salida. Esto no es solo función del tubo o marco en sí, sino que depende de las condiciones del cauce aguas arriba y aguas abajo del conducto. Dependiendo de la pendiente de la obra de drenaje (S0 ) y de las condiciones del calado aguas arriba ( Hw ) y aguas abajo ( Tw ) para el caudal de diseño, que a su vez dependerán de la sección y pendiente del cauce natural, se pueden dar las situaciones de la figura adjunta, resultando control de entrada o de salida según sean l as condiciones de entrada o de salida las que fijen la capacidad real del conducto. Además debe comprobarse el funcionamiento en régimen uniforme y crítico, de forma que la velocidad máxima en la obra de drenaje sea igual o inferior a la indicada en la 5.2 IC en función del material de la ODT.
Figura 11.24: Velocidad máxima en ODT Con la velocidad resultante se verificará que no se producen erosiones ni aterramientos aguas abajo. Si se ha previsto que se puede producir sedimentación, se debe estudiar la necesidad de emplear areneros o balas de decantación, previos a la entrada de la ODT.
Una vez determinado el funcionamiento de la ODT y la altura de agua aguas arriba de ésta, donde los daños producidos por la inundación de esta lámina de agua en la entrada no se consideren catastróficos, se considera admisible dicho nivel, si se cumple al menos una de las condiciones siguientes: • Que la sobreelevación del nivel de la corriente pr ovocada por la presencia de la carretera no exceda de
50 cm.
• Que la superficie afectada negativamente por la diferencia de inundación debida a la citada
sobreelevación no exceda de la dada por la fórmula: S=K • L
Siendo: S( Ha ): Superficie afectada por la inundación, sin incluir aquella en los que los daños puedan considerarse irrelevantes L ( m ): Luz total de la obra de drenaje transversal K: Coeficiente, que normalmente podrá tomarse un valor de 0,1 3.2.2 CONDICIONANTES MEDIOAMBIENTALES
Antes de establecer modificación en alguna de las ODT proyectadas, será necesario revisar los aspectos referentes al drenaje en la Declaración de Impacto Ambiental, que puede fijar dimensiones mínimas de obras para paso de fauna, distancia entre ellas o adecuación de la tipología de la obra. Puede limitar también la dimensión mínima de la ODT para minimizar afecciones al cauce, prohibir el empleo de obras multicelulares e incluso la sustitución de obras de drenaje por viaductos en algunos cauces. Por lo tanto, la alteración del cauce natural debe ser mínima, manteniendo el ancho del mismo en lo posible.
Figura 11.25: Integración de ODT en cauce 3.2.3 CONDICIONANTES DE TRAZADO
Es necesario analizar si se cumplen los resguardos necesarios sobre la calzada. Cuando se analicen zonas de riesgo de inundación, se tendrá que haber realizado un estudio pormenorizado de la cota de lámina de agua. De esta forma, se podrá asegurar que, tanto la dimensión de la ODT prevista, como la rasante proyectada, garantizan la ausencia de sobreelevaciones que causen daños a terceros, así como el suficiente resguardo de la plataforma, no sólo en el PK donde está ubicada la ODT sino en toda la zona de influencia de la lámina de inundación.
Figura 11.26: Resguardo mínimo ( m ) entre el máximo nivel d e la lámina de agua y la superficie de la plataforma 3.2.4 OTROS CONDICIONANTES
Entre algunos de los condicionantes la Norma 5.2 IC , establece unas dimensiones mínimas por longitud de la obra de drenaje para garantizar su mantenimiento.
Figura 11.27: Diámetro mínimo de la ODT en función de su longitud Otros condicionantes pueden ser la unificación de tipologías por criterios económicos, o bien la instalación de tipologías con mejor funcionamiento desde el punto de vista estructural, como por ejemplo la ejecución de bóvedas triarticuladas bajo terraplenes de gran altura. 3.2.5 CONDICIONANTES POR CALCULO DE TUBOS MECANICOS EN TUBOS DE HORMIGON
Además es necesario comprobar el cálculo mecánico de la tubería, que consiste en la determinación de las características mecánicas del tubo que son necesarias utilizar en función de las cargas actuantes y de las condiciones de ejecución. Las características de los tubos se tipifican en las normas como clases resistentes ( UNE, ASTM, BSI, NF,... ) en función de la carga de rotura en el ensayo de tres aristas. La clasificación es la siguiente: CARGA ROTURA kN/m2
CLASE UNE 127 010
CARGA FISURACION kN/m2
CLASE ASTM
CARGA ROTURA kN/m2
60
CLASE 60
40
CLASE I
60
50
CLASE II
75
CLASE III
100
CLASE IV
135
CLASE V
175
90
CLASE 90
60 65
135
CLASE 135
90 100
180
CLASE 180
120 140
Las cargas que pueden actuar sobre una tubería enterrada son: • Peso propio • Carga del relleno • Carga del fluido • Cargas móviles • Cargas de tráfico: vehículos, ferroviario, aeroportuario,... • Carga debida a compactadores durante la ejecución • Cargas puntuales • Cargas laterales • Acciones producidas por la hinca
Para las tuberías de drenaje habitualmente no se considera la carga del fluido, y los empujes laterales solamente se tienen en cuenta en instalaciones tipo terraplén.
La carga del relleno depende del tipo de instalación, profundidad y ancho de zanja, tipo de terreno y las condiciones de ejecución se tipifican, caracterizan y cuantifican con los diferentes factores de apoyo. Será necesario analizar la colocación de tubos que en general puede ser: • Instalación en zanja • Instalación en zanja terraplenada • Instalación en terraplén
Figura 11.28: Tipos de instalación de tubos En cuanto a las camas de apoyo del tubo pueden ser de material granular o de hormigón, según el tipo de tubo, sus dimensiones, las clases de uniones, la naturaleza del terreno,... etc En tubos de DN>1500 mm siempre es recomendable colocar la conducción sobre cama de hormigón. Para tipificar las condiciones de ejecución se utilizan los factores de apoyo que son el coeficiente por el que habrá que multiplicar la carga obtenida en el ensayo de tres aristas para obtener la que le correspondería a la tubería, en unas condiciones de instalación dadas. La Norma UNE 127 010 recomienda, a efectos de cálculo, utilizar valores del factor de apoyo Fa indicados a continuación
Figura 11.29: Valor del Factor de Apoyo Fa según Norme UNE 127 -010
En función de todos estos parámetros existen programas de cálculo que permiten determinar la clase resistente necesaria para un tubo en función de unas condiciones de instalación determinadas.
Figura 11.30: Programa de cálculo de tubos
Figura 11.31: Salida de datos Se adjunta el programa de cálculo de tuberías de hormigón armado: Cálculo tubos 3.3 DRENAJE DE FIRME
El drenaje de firme es fundamental para asegurar la durabilidad del mismo. Se debe evacuar el agua de forma superficial siempre que sea posible, pues la extracción del agua infiltrada a través del firme es más compleja. El agua tiene importantes efectos negativos sobre el firme, como disminuir la adhesividad árido - ligante en materiales bituminosos, reducción de la capacidad de soporte de las capas granulares, reducción del módulo de resiliencia ( módulo de deformación recuperable frente a las cargas cíclicas ), entre otros.
Además, estos efectos se incrementan de forma considerable con las cargas de tráfico, y especialmente las de vehículos pesados. Estos daños son mayores en los pavimentos de hormigón, ya que mediante el mecanismo de bombeo de finos puede dar lugar al escalonamiento de las losas. En firmes flexibles, la presencia de agua saturando las juntas puede actuar como una prensa hidráulica, desplazando finos y separando capas cuya adherencia sea defectuosa. La eliminación del agua superficial de la plataforma se consigue mediante una geometría adecuada, asegurando siempre una pendiente mínima del 0,5 % en la composición de las pendientes transversal y longitudinal de la plataforma, muy a tener en cuenta en las transiciones de peralte de los tramos de transición en planta. En ese sentido, la nueva OC 17/2003 " Recomendaciones para el proyecto y construcción del drenaje subterráneo en obras de carreteras ", parte de los siguientes principios básicos que habrá que comprobar y analizar. Evitar la penetración de agua superficial por infiltración a través de la calzada, arcenes, bermas, medianas y elementos singulares en su caso, para impedir que aumente la humedad de las capas del firme, especialmente de las no tratadas o estabilizadas con conglomerantes, y de la explanada. Teniendo en cuenta las actuales tipologías de firmes y pavimentos, así como las secciones transversales más habituales, es preceptivo el tratamiento correcto de medianas, bermas y eventuales arcenes sin pavimentar, al objeto de impedir, o al menos minimizar la infiltración de agua a través de ellos. Debe facilitarse la evacuación del agua que, por cualquier circunstancia se hubiera podido infiltrar. 3.3.1 RECORRIDO DE LAS AGUAS INFILTRADAS Y CASOS DE ESTUDIO
Las aguas infiltradas presentarán una circulación vertical hasta que lleguen a una capa de baja permeabilidad sobra las que se pueda suponer un flujo subhorizontal. Con este planteamiento la OC 17/2003 establece los posibles recorridos teóricos de las aguas infiltradas tanto vertical como horizontalmente en función de las distintas permeabilidades de los materiales, distinguiendo tres casos de aplicación: F: Explanada de baja permeabilidad: El agua infiltrada circula subhorizontalmente, según la línea de máxima pendiente tanto por el firme ( F ), a través de las interfaces entre sus capas, como fundamentalmente por la superficie de contacto entre este y la explanada. E: Explanada permeable y suelo de la explanación ( desmontes ) o de la obra de tierra subyacente ( terraplén ) de baja permeabilidad: el agua infiltrada circula subhorizontalmente según la línea de máxima pendiente, por la explanada E, fundamentalmente por la superficie de contacto con la explanación. En este caso se presenta una variante ( Caso E con capa inferior de baja permeabilidad ) cuando la explanada está constituida por dos capas de materiales diferentes, y la inferior es de baja permeabilidad. En dichas circunstancias, el agua infiltrada circ ula subhorizontalmente según las líneas de máxima pendiente por la superficie de contacto entre ambas capas de la explanada. S: Explanada permeable y suelo ( S ) de la explanación ( desmontes ) o de la obra de tierra subyacente ( terraplén ) permable: El agua infiltrada circula verticalmente, atravesando la explanada y suelos subyacentes hasta que encuentre algún material más impermeable.
Figura 11.32: Posibles recorridos teóricos según la OC 17/2003 Para la determinación del caso de aplicación se establece un diagrama de flujo en función de las características de los materiales constituyentes de cada una de las capas:
Figura 11.33: Diagrama de flujo para selección del caso F, E o S Partiendo de estos casos se definen las siguientes secciones tipo posibles:
Figura 11.34: Posibles secciones tipo del drenaje profundo Para cada una de las situaciones recogidas en la tabla la OC 17/2003 especifica una sección tipo similar a la siguiente: 3.3.2 ELEMENTOS DEL SISTEMA DE DRENAJE DEL FIRME
En general la composición de un sistema de drenaje de firmes es una zanja rellena de material filtrante, aislada de las aguas superficiales y que en su fondo lleva una tubería drenante ( ranurada ). Si el terreno natural no cumpliese con las condiciones de filtro, se dispondrá de un elemento de filtro, que puede ser geotextil.
Figura 11.36: Detalle de zanja drenante A este respecto, existen geocompuestos drenantes sustitutivos de la zanja dren que tienen como ventaja fundamental de no necesitar material granular y simplificar bastante la ejecución.
Figura 11.37: Geocompuesto drenante 3.3.3 CAUDALES DE INFILTRACIÓN
Se definen unos caudales de infiltración por superficie, en función del estado de impermeabilidad, es decir del porcentaje de superficies revestidas:
Figura 11.38: Caudales unitarios de infiltración para cálculo de tuberías d renantes El caudal de cálculo de la tubería drenante Ql, se obtendrá como: Ql= q•B•L
Siendo:
q: Caudal unitario B: Anchura del tramo de longitud L L: Longitud del tramo de anchura B 3.3.4 DRENAJE SUBTERRANEO
Se ha debido proyectar, en el caso de que existan corrientes subálveas en zonas de desmonte o en las zonas de la plataforma en las que se prevea que la escorrentía subterránea pueda afectarla. Este estudio se ha tenido que realizar de forma paralela con los datos del anejo Geológico - Geotécnico. Para estos casos se debe estudiar en detalle la zona de afluencia del agua subterránea; lugar en el que se puede ejecutar una zanja drenante. Si el problema es de carácter superficial se puede recurrir al empleo de mantos drenantes con drenes en forma de espina de pez, similares a los de la figura siguiente:
Figura 11.39: Posibles soluciones de drenaje profundo
4 PLANTEAMIENTO DE SOLUCIONES ALTERNATIVAS
Dependiendo de las características del proyecto de construcción y de las anomalías detectadas durante la supervisión del mismo, es posible plantear a la dirección de obra diversas modificaciones que resuelvan problemas concretos que no están resueltos en proyecto o no lo están de manera adecuada. Entre éstas destacamos las siguientes: 4.1 RELATIVAS AL DRENAJE LONGITUDINAL
• La obtención de la sección hidráulica equivalente de las cunetas planteadas en proyecto, nos puede
servir para plantear un cambio en las tipologías de las mismas cuando ésta es muy diversa. Unificar tipologías puede aumentar el rendimiento de producción.
• Puede darse el caso que el espacio para la ubicación de cunetas sea limitado o interese por motivos
geotécnicos excavar lo mínimo posible en los desmontes. Un cambio a cuneta más estrecha pero de igual sección hidráulica lo puede favorecer. En ese caso, hay que tener cuidado, pues si no cumplen las condiciones fijadas en la 5.2 IC para ser catalogadas como cunetas de seguridad, requerirá el empleo de barrera de protección con el encarecimiento correspondiente. • El hecho de detectar en el proyecto velocidad excesiva en cunetas puede dar l ugar a plantear
modificaciones del material a emplear. En materiales con mayor coeficiente de rugosidad se producen velocidades inferiores. Así mismo, en algunos casos, un buen ajuste del cálculo hidráulico pude demostrar que no es necesario el revestimiento de ciertos tramos de carretera. 4.2 RELATIVAS AL DRENAJE TRANSVERSAL
• Se puede estudiar l a posibilidad de unificar cuencas ( siempre que l os caudales no sean importantes y lo
permita la D.I.A. ) y dimensionar una única ODT
• Se pueden plantear diferentes tipologías de drenaje transversal de forma que ampliado el ancho de la
obra pueda disminuirse el gálibo de ésta, permitiendo un ajuste de rasante, del mismo modo pueden plantearse baterías de tubos o marcos. Unificar tipología puede aumentar el rendimiento de la producción. • Se puede estudiar el encaje de la obra, bien para acortar su longitud con disposiciones más ortogonales
a la traza, siempre y cuando se trate de cauces poco definidos que no produzcan acondicionamientos importantes. 4.3 RELATIVAS AL DRENAJE DE FIRME
• Hay que estudiar las distintas alternativas de la sección tipo en relación con el drenaje longitudinal y la
posición de la cuneta
• Posibilidad de sustitución de zanjas drenantes por geocompuestos si los caudales no son elevados
4.4 RELATIVAS AL DRENAJE PROFUNDO
• En zonas con presencia de nivel freático hay que estudiar la posibilidad de elevar la rasante, si estos
pueden afectar a la explanada.
4.5 ASPECTOS IMPORTANTES RELACIONADOS CON EL TRAZADO
• Hay que tener en cuenta que cualquier modificación del trazado de l a carretera, en particular de su pe rfil
longitudinal, incide directamente sobre el drenaje y requiere una revisión del sistema, tanto longitudinal como transversal. Un cambio de rasante exige revisar todos los cálculos del drenaje longitudinal tanto las cunetas de plataforma como cunetas de guarda en desmonte y de pie de terraplén. Los cambios de
