DRENAJE CAPITULO VII:
DRENAJE SUBTERRANEO Docente:: GORKI F. ASCUE SALAS Docente Ing. Civil – Magister en Ciencias de la Geoinformación y Observación de la Tierra mención Evaluación de Recursos Hídricos
1. INTRODUCCION
1.1 Drenaje Subterráneo: Tiene como principal misión controlar y limitar la humedad de la explanada (en caso de carreteras, ferrocarriles, superficies de estadios, etc) mediante un sistema de drenaje.
1. INTRODUCCION
1.2 Funciones del drenaje subterráneo: En carreteras y ferrocarriles, el drenaje subterráneo deberá cumplir las siguientes funciones:
Interceptar y desviar las corrientes subterráneas s ubterráneas antes de que lleguen al lecho de la carretera o ferrocarril. En caso de que el nivel freático sea alto, se debe mantener a una distancia considerable del firme de la carretera (macadan) o del balasto del ferrocarril. Sanear las capas del firme de la carretera o del balasto del ferrocarril, evacuando el agua que pudiera infiltrarse en ellas.
2. ALCANCES DEL DRENAJE SUBTERRANEO
2.1 Estudio de drenaje: Es una actividad que demanda mucha experiencia y certeza en los estudios; dado que las condiciones freáticas son dinámicas, es decir; tanto el nivel freático como los flujos subsuperficiales varían según; la estación del año, comportamiento hidrológico de de la zona, tipo tipo de suelo, pendiente del terreno, alteración del medio poroso, etc.
La necesidad de obras de drenaje en un proyecto, no es el resultado de un cálculo matemático de carácter determinístico, sino está sujeto al comportamiento de múltiples variables aleatorias. Por lo tanto, es estimado y se obtiene a partir de observaciones directas directas y de muestreo del terreno.
2. ALCANCES DEL DRENAJE SUBTERRANEO
2.2 Consideraciones en etapa de campo: Se debe evaluar la necesidad de obras de drenaje para las condiciones proyectadas de una carretera o ferrocarril, y adoptar las precauciones cuando la vía, se encuentre cerca o este influenciado por: Existencia de lagunas, puquiales, canales sin revestir en la parte alta de la vía. Deformaciones, hundimientos y/o asentamientos de la plataforma, atribuibles a la presencia del agua en el subsuelo. Existencia de cultivos con grandes demanda de agua, como el arroz. Presencia de terrenos de cultivos con riegos por gravedad permanentes o riegos en secano. Filtraciones en taludes, presencia de vegetación propia de suelos saturados como el junco, totora, etc. Presencia de niveles freáticos en excavaciones a cielo abierto. Excavaciones de la plataforma, en taludes saturados, etc.
3. OBRAS DE DRENAJE SUBTERRANEO
3.1 Drenaje convencional: El drenaje está constituido por zanjas excavadas a mano o con retroexcavadora, rellenas de material filtrante y elementos de captación y transporte de agua (tubo perforado).
3. OBRAS DE DRENAJE SUBTERRANEO
3.1 Drenaje convencional: Generalmente los drenes se usan en los siguientes casos: Colocado longitudinalmente al pie de los taludes de corte para interceptar filtraciones y flujos subsuperficiales que llegan a la carretera. Longitudinalmente en un terraplén, ubicado en la zona donde discurre el agua subterránea. Formando parte de un sistema de drenes transversales y longitudinales o dispuestos como una “espina de pescado”, a fin de evacuar el flujo subsuperficial presente en la zona de emplazamiento de la carretera.
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3.2 Drenaje sintético: Debido a la dificultad que existe en algunos casos de obtener materiales naturales para los drenes y con el desarrollo de nuevas tecnologías como las mallas sintéticas, se viene usando los drenes sintéticos. Estos drenes consisten de tres elementos básicos: a. Red de Malla Sintética (Geodren): Está construida de tal manera que se forman unos canales que facilitan el flujo de agua.
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3.2 Drenaje sintético: b. Geotextil (no tejido): Actúa como filtro impidiendo el paso de partículas de suelo hacia la red de malla sintética y permitiendo a su vez el flujo de agua.
c. Tubo colector perforado: En el extremo inferior de la red de malla sintética y envuelto por el geotextil se coloca una manguera perforada PVC especial para este tipo de drenes, la cual recoge y conduce el agua colectada por la red de malla sintética.
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3.3 Cajas de registro y buzones: En los drenes longitudinales, se recomienda usar cajas de registro o buzones a intervalos regulares, que permitan controlar el buen funcionamiento del drenaje y sirvan para evacuar el agua recogida por la tubería del dren, ya sea a un colector principal o a una cuneta. Asimismo, deberán colocarse cajas de registro o buzones en todos los cambios de alineación de la tubería de drenaje.
La distancia entre dos cajas o buzones consecutivos oscilará en entre 80 a 100m y dependerá de la pendiente longitudinal del tubo y de su capacidad de desagüe, de la disposición general del drenaje y de los elementos naturales existentes.
En el caso de salida libre de la tubería de desagüe de la caja de registro o buzón a una cuneta. Se tendrá en cuenta que el nivel de la salida quede lo suficientemente alto y con las protecciones necesarias
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3.4 Drenes de penetración: Es un dren horizontal que consiste en una tubería perforada colocada a través de una masa de suelo, mediante una perforación profunda subhorizontal (ligeramente inclinada), con la cual se busca abatir el nivel freático hasta un nivel que incremente la estabilidad del talud.
La principal ventaja de los drenes horizontales es que son rápidos y simples de instalar logrando incrementar el factor de seguridad del
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3.4 Drenes de penetración: El diámetro de las perforaciones es de aproximadamente 3 a 4” dentro de las cuales se colocan tuberías perforadas. Los tubos utilizados son metálicos, de polietileno o PVC, generalmente en diámetros 2 ó 3”, aunque en ocasiones se emplea otro tipo de diámetro. La tubería se puede perforar con agujeros circulares en sentido transversal. Los orificios de la tubería se hacen generalmente, en diámetros de 5 a 1.5 milímetros con una densidad de 15 a 30 agujeros por metro de tubería.
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3.5 Drenaje del pavimento: Salvo en el caso de carreteras en terrenos permeables, el drenaje de la capa permeable constituida por la sub-base y/o base, puede proyectarse tanto mediante drenes enterrados como prolongando la capa permeable hasta los taludes de los terraplenes con descarga hacia cunetas o zanjas. Además, deben darse pendientes transversales mínimas a la subrasante. En los sectores de la carretera en los que el pavimento se asienta sobre una subrasante impermeable, debe evitarse que el agua de lluvia que se presenta por capilaridad o se filtra a través del pavimento, se acumule bajo éste y forme una bolsa de agua que origine su ruptura por el paso del tránsito. Este problema es mayor cuando la cuneta se coloca a la altura del pavimento y naturalmente tiene que ser revestida.
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3.5 Drenaje del pavimento: Las soluciones mas recomendadas para evitar la acumulación del agua son: a) Colocación en el sector, bajo el pavimento, una capa drenante que siga la pendiente lateral de la carretera, que se prolonga hasta un lugar con drenaje natural. b) Colocación de un dren, bajo la berma adyacente a la cuneta, con una tubería perforada de plástico pesada a una profundidad adecuada y que esté de acuerdo al diseño, que recoja el agua que filtra y la lleve al lugar de drenaje natural.
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3.6 Protección del suelo de la explanación contra el agua libre en terreno de elevado nivel freático, llano y sin desagüe: Cuando haya que construir una carretera en terreno llano y con elevado nivel freático, se estudiará el abatimiento de la napa freática, pudiéndose utilizar alternativamente métodos como zanjas laterales, drenes enterrados, etc. Si no existiera posibilidad de evacuar el sistema de drenaje, se elevará el nivel de la rasante.
Para la elección del material del terraplén, se tendrá en cuenta que su humedad de equilibrio debe disminuir rápidamente con la distancia al nivel freático y que el terraplén se construirá sobre un terreno saturado de agua, sin capacidad para resistir esfuerzos de compactación elevados.
3. OBRAS DE DRENAJE SUBTERRANEO
3.6 Protección del suelo de la explanación contra el agua libre en terreno de elevado nivel freático, llano y sin desagüe: La necesidad de proteger el terraplén mediante la colocación de membranas bituminosas u hojas de plástico, tratando su superficie con sustancias hidrófobas o utilizando geotextiles, geomembranas, lo cual dependerá de la naturaleza y estado del terreno y del material disponible para la construcción del terraplén.
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3.6 Protección del suelo de explanación situado bajo la calzada contra los movimientos capilares del agua: Las diferencias de humedad en el suelo bajo la calzada y bajo las bermas facilitan los movimientos capilares y, al aumentar el contenido de humedad del suelo de la subrasante bajo la calzada, disminuyen su capacidad resistente. Para evitar esta disminución, se pueden utilizarse alguna de las siguientes técnicas: Colocación de capas drenantes sobre la subrasante para romper el ascenso capilar. Impermeabilizar las calzadas y las bermas. Establecer una membrana impermeable que impida el movimiento del agua capilar, situándola en un plano más o menos vertical bajo los bordes de la calzada. Construir zanjas anticapilares bajo los bordes de la calzada.
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3.7 Capa drenante: Cuando se eleva el terraplén de la carretera sobre un terreno saturado con agua para evitar que por capilaridad el agua pueda subir a través del terraplén hasta la superficie de rodadura, debe colocarse una capa de material drenante, constituida por gravas y/o arenas. La capa deberá estar sobre el nivel de referencia más alto de la napa freática del terreno y servirá de anticontaminante a los efectos de romper la capilaridad y drenar la plataforma lateralmente. Se recomienda un espesor mínimo de 0.30 m.
4. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS TIPOS DE DRENES
4.1 Drenes abiertos: Son canales abiertos y profundos con alta capacidad que se pueden utilizar para conducir aguas subterráneas o de escorrentía. Requieren una pendiente entre 0.015% y 0.4% Ventajas: Mayor eficiencia del drenaje. Bajo costo de implantación. Desventajas: Alto costo de mantenimiento. Pérdida de área útil para el cultivo. Desmoronamientos laterales.
4. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS TIPOS DE DRENES
4.2 Drenes galería o drenes topo: Son conductos subterráneos no revestidos que se construyen sin necesidad de excavaciones, y ayudan a la evacuación del exceso de agua de los estratos superiores del suelo. Este tipo de drenaje es apropiado en áreas con suelos arcillosos, de alta densidad aparente, poco permeables y con una pendiente general mayor de 0.4%. Ventajas: Bajo costo de implantación. Especial para suelos arcillosos compactados con espaciamiento de drenes normales muy bajo. Se usa toda el área. Desventajas: Baja durabilidad. Erosión interna.
4. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS TIPOS DE DRENES
4.3 Drenes tubulares: Drenes instalados a determinada profundidad del suelo, respetándose el espaciamiento, diámetro, pendiente y disposición de los mismos para la mejor eficiencia. Materiales: Fajas de caña, cañas sin tabiques. Piedras. Telas. Maderas. Tubos de barro perforado. Tubos de concreto. Tubos flexibles o corrugados de PVC o polietileno, etc. La mayor o menor eficiencia y durabilidad dependerá del material y los cuidados de instalación.
4. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS TIPOS DE DRENES
4.3 Drenes tubulares: Filtros: Arena, grava Fibra de palmera Textiles Pendiente Debe permitir una velocidad mínima de 0.4 m/s, para que provoque auto -lavado
5. FORMULAS DE DRENAJE
5.1 Clasificación: A. Formulas de régimen permanente: Se deducen basándose en la suposición de que la intensidad de la recarga es igual al caudal de descarga de los drenes y que consecuentemente, la capa de agua freática permanece en la misma posición. Las ecuaciones de drenaje para régimen variable, consideran las fluctuaciones de la capa de agua con el tiempo, bajo la influencia de una recarga variable. Entre ellas se tiene a las siguientes:
Formula de Donnan. Formula de Hooghoudt. Formula de Ernest. Formula de Dagan.
5. FORMULAS DE DRENAJE
5.1 Clasificación: B. Formulas de régimen variable o no permanente: Consideran el movimiento de la capa freática, tanto para carga del acuífero como durante la descarga, en consecuencia existe una variación en el nivel de esta. Entre ellas se tiene a las siguientes:
Formula de Glover-Dumn. Formula de Jenab.
5. FORMULAS DE DRENAJE
5.2 Ecuaciones: A. Formula de Donnan: Es la ecuación más sencilla que existe. Sus hipótesis son: El flujo es horizontal. El suelo es homogéneo, hasta la capa impermeable. El flujo hacia los drenes es permanente. La recarga es uniformemente distribuida.
Su ecuación es:
5. FORMULAS DE DRENAJE
5.2 Ecuaciones: B. Formula de Hooghoudt: Esta ecuación se usa para un perfil con dos estratos, donde el dren se ubica en la interfaz de los estratos. Considera que: El flujo es permanente El flujo es horizontal y radial El suelo está constituido por dos estratos, encontrándose los drenes en la interface de los estratos La recarga es homogéneamente distribuida
5. FORMULAS DE DRENAJE
5.2 Ecuaciones: B. Formula de Hooghoudt: Su ecuación es la siguiente:
5. FORMULAS DE DRENAJE
5.2 Ecuaciones: Estrato equivalente de Hooghoudt: Con el parámetro d, espesor del estrato equivalente, Hooghoudt introdujo en su fórmula el factor de la resistencia radial que ocurre en la zona cercana al dren. En la región (ro - 0.7D), el flujo es considerado radial y la pérdida de altura de carga en esta región (hr), se debe calcular con una fórmula para flujo radial. En la región (0.7 D - 1/2 L), el flujo es considerado horizontal y la pérdida de altura de carga en esta región (hh), se debe calcular con una fórmula para flujo horizontal.
5. FORMULAS DE DRENAJE
5.2 Ecuaciones: Estrato equivalente de Hooghoudt: La idea básica, es por lo tanto, considerar dos regiones de flujo específicamente delimitadas y resolverlas separadamente para después sumar las pérdidas de cargas parciales . Así se podría obtener la diferencia de potencial h de la fórmula de Hooghoudt. h= hh + hr Hooghoudt, sin embargo, usó un artificio para simplificar estos cálculos considerablemente. En la fórmula para el flujo horizontal reemplazó la profundidad de la carga impermeable, D, por un factor d, que es función de D, L, r. Para el cálculo del estrato equivalente d de Hooghoudt, se pueden usar tablas, nomogramas o la siguiente ecuación aproximada:
5. FORMULAS DE DRENAJE
5.2 Ecuaciones: Estrato equivalente de Hooghoudt:
5. FORMULAS DE DRENAJE
5.2 Ecuaciones: E. Formula de Ernest: Se utiliza en suelos con dos estratos. Ofrece una mejora sobre las fórmulas de Hooghoudt y Dagan, ya que el límite entre los estratos, puede estar por debajo o por encima del nivel de drenes. Es especialmente útil, en el caso en que el estrato superior, tenga una conductividad hidráulica considerablemente inferior a la del estrato inferior. El principio de la deducción de la fórmula de Ernst, es el de considerar que el flujo total hacia el dren, tiene tres componentes: flujo vertical, horizontal y radial.
5. FORMULAS DE DRENAJE
5.2 Ecuaciones: E. Formula de Ernest: Utilizando las leyes de Darcy y Ohm, que implica que la pérdida de carga hidráulica tiene también tres componentes, los cuales pueden ser calculados separadamente, siendo su suma la carga total disponible (h) la siguiente:
5. FORMULAS DE DRENAJE
5.2 Ecuaciones: E. Formula de Dagan: Dagan al igual que Hooghoudt, considera que el flujo se compone de: Un flujo radial en la zona comprendida entre el dren y una distancia 0.7D. Un flujo horizontal, en la zona entre el plano 0.7D y el plano situado a media distancia entre los drenes.
5. FORMULAS DE DRENAJE
5.2 Ecuaciones: E. Formula de Dagan: Suelo homogéneo La fórmula presentada por Dagan, para un suelo homogéneo es:
5. FORMULAS DE DRENAJE
5.2 Ecuaciones: E. Formula de Dagan: Suelo con dos estratos Para un suelo con dos estratos, con los drenes en la interface de los estratos, se puede usar con buenos resultados, la fórmula:
5. FORMULAS DE DRENAJE
5.2 Ecuaciones: F. Formula de Glover-Dumn: Glover en forma conjunta con Dumm, plantean una ecuación para el régimen no permanente o variado, con las siguientes consideraciones: El suelo es homogéneo. El flujo es horizontal y radial, para lo cual hacen uso del estrato equivalente de Hooghoudt. La fórmula se basa en la solución de la llamada ecuación del flujo de calor. Se considera que una recarga instantánea genera una superficie freática, de forma de una parábola de cuarto grado. La solución de la ecuación describe el descenso, de la capa freática, en función del tiempo, del espaciamiento entre drenes y de las propiedades del suelo.
5. FORMULAS DE DRENAJE
5.2 Ecuaciones: F. Formula de Glover-Dumn: Se expresa de la siguiente forma:
5. FORMULAS DE DRENAJE
5.2 Ecuaciones: G. Formula de Jenab: Jenab, plantean una ecuación para el régimen no permanente o variado, con las siguientes consideraciones:
El suelo es homogéneo. El flujo es horizontal y radial, para lo cual hace uso del estrato equivalente de Hooghoudt. La fórmula se basa en la solución de la llamada ecuación del flujo de calor. La solución de la ecuación describe el descenso, de la capa freática, en función del tiempo, del espaciamiento entre drenes y de las propiedades del suelo.
5. FORMULAS DE DRENAJE
5.2 Ecuaciones: G. Formula de Jenab: La ecuación de Jenab, se puede expresar de la siguiente forma:
5. FORMULAS DE DRENAJE
5.2 Ecuaciones: G. Formula de Jenab: Cálculo del factor C o Z de Jenab Se utiliza el nomograma: El proceso es como sigue: 1. Calcular la relación ho/ht. 2. Ubicar en el eje y, el valor de ho/ht, y trazar por ese punto una recta horizontal, hasta intersectar a la curva. 3. Ubicar el punto de intersección, y desde ese punto trazar una línea vertical. 4. Leer en el eje x, el valor correspondiente al factor C o Z.
