DISEÑO DE ALCANTARILLAS Pastor Castilla Consuegra. Diana Carolina Huertas Viasus Julio César Rodríguez Uribe Luis Hernández Teheran.
Contenido • • • •
Introducción. Definición. Procedimiento. Ejemplo de diseño.
Introducción Numerosos factores intervienen en los estudios de drenaje de una carretera (topografía, hidrología y geología), haciendo variar tanto los métodos como coeficientes de un sitio a otro. La función de los drenajes superficiales, es la de proveer las facilidades necesarias para el paso de agua de un lado a otro lado de la vía, y para el drenaje de las aguas que caen directamente encima de la plataforma y de otras áreas que desagüen en ellas.
Definición Conducto relativamente corto, a través del cual se cruza el agua de la vía de un costado a otro, incluye por lo tanto conductos de cualquier sección geométrica. Es recomendable que la ubicación, alineamiento y pendiente que se elija en cada caso tenga en cuenta los aspecto hidrológicos, hidráulicos, estructurales y fenómenos de geodinámica externa de origen hídrico, para obtener finalmente la solución mas adecuada compatible con los costos de operatividad, servicialidad y seguridad en la carretera.
Definición El diseño de una alcantarilla consiste en determinar el diámetro mas económico que permita pasar el caudal de diseño sin exceder la máxima carga de entrada (Hw) atendiendo también los criterios de arrastre de sedimentos y de facilidad de mantenimiento. La alcantarilla consta de dos partes: - CAÑON: Forma de el canal de la alcantarilla y es la parte principal de la estructura. - MUROS DE CABEZA: Sirven para impedir la erosión alrededor del cañón , guiar la corriente y evitar que el terraplen invada el canal.
Secciones típicas de alcantarillas
Elementos típicos de la estructura terminal
Secciones de alcantarillas con fondo natural
Variables hidráulicas en alcantarilla
Variables hidráulicas en alcantarillas
Control al ingreso
Control al ingreso
Control a la salida
Control a la salida
Flujo sobre la alcantarilla
Flujo sobre la carreter a
Tipo de alcantarilla más comunes En general para carreteras en zonas lluviosas se recomiendan los siguientes tipos de alcantarillas y pontones: Tipo de Caudal y capacidad
Tipo
Función
TMC 600 mm
Solamente como pase de riego.
Qmax = 0.40 m3/s
Pluvial, de dimensiones mínimas
Qmax = 0.90 m3/s
máxima estimada
Ó tubos de concreto TMC 900 mm
por mantenimiento TMC 1200 mm
Para quebradas menores
Qmax =1.20 m3/s
TMC 1500 mm
Para quebradas medianas
Qmax= 2.00 m3/s
TMC 1800 mm
Para quebradas grandes
Qmax= 4.00 m3/s
Marcos de concreto
Quebradas
Caudal variable, poca cobertura de la carretera.
Otras obras de arte transversales
Las alcantarillas deben conservar la pendiente de la corriente o del terreno natural, o si es muy fuerte se podrá disminuir considerando las obras necesarias de salida para asegurar continuidad y la entrega adecuada de las aguas. En cortes de gran magnitud en la que la via esta localizada muy por debajo del terreno natural, es necesario emplear rapidas escalonadas para conectar la corriente existente en la parte superior con la alcantarilla que cruza debajo de la via; mientras si la diferencia de nivel no es tan alta se puede utilizar un canal.
• Alcantarillas para desagües de cunetas, filtros y zanjas de coronación: con caudales bajos, se diseñan como un canal, con pendiente tal que la velocidad se encuentre entre la mínima y la máxima permisible. • Alcantarillas para cruce de corrientes: se realiza con el análisis bajo control a la entrada y salida, tomando el mayor valor de Hw. • Alcantarilla a presión: solo es permitido en zonas muy planas e inundables, cenagosas o costeras, se analizan las alcantarillas, considerando la condición de control de salida.
Criterios de Diseño •
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Hidráulicos: carga a la entrada y velocidades en el conducto y descole del agua, deben ser diseñadas con un nivel de agua a la entrada inferior a 1,20 veces la altura de la alcantarilla. Arrastre de sedimentos: en zonas donde el arrastre de sedimentos por parte de la corriente es muy alto y las pendientes son muy altas e inestables, se debe proyectar una estructura de mayor tamaño a los requerimientos hidráulicos, construir aguas arriba de la estructura una obra de retención del material o reemplazar la alcantarilla por un ponton de galibo. También se pueden realizar estructuras múltiples, cuando el arrastre de sedimentos es bajo. Pendiente del conducto o tubería: se debe encontrar entre el 0,5% y el 5%, para pendientes mayores, la estructura se deberá proyectar como una estructura disipadora. Recubrimiento y longitud del conducto: altura de descole o terraplen 2m. Socavación en alcantarillas: se recomienda tanto en la entrada como en la salida de las placas de solera proyecta dentellones en los extremos
Ejemplo de Diseño Se requiere diseñar una alcantarilla en cajón para permitir el paso del flujo de un cauce natural indicado en la figura. Se sabe que la pendiente natural del cauce es de 0,3% y aguas debajo de la futura alcantarilla no existen mayores obstrucciones que modifiquen el régimen hidráulico de escurrimiento. Diseñar las condiciones de escurrimiento sumergido, donde yn= 0,80 m es la altura normal de escurrimiento inmediatamente aguas abajo del terraplén.
Paso 1. Información del Diseño • Del estudio hidrológico se obtiene un caudal de diseño de 1,08 m3, correspondiente a un periodo de retorno T = 25 años. • Se asume la elección de alcantarilla en cajón de hormigón armado, con una longitud L = 12m y n =0,012. Además se mantiene la pendiente natural del cauce = 0,3%. • El lecho es de material arcilloso - limoso
Paso 2. Prediseño •
Se determina como una aproximación preliminar la sección dl cajón col el cual se comienzan los cálculos.
• Una seccion inicial puede calcularse en funcion del caudal y una velocidad supuesta de escurrimiento (1,5 – 1,8 m\s). • Se supone una sección de 0,60x0,80 m. • D = 0,60 m • B = 0,80 m
Paso 3. Suponer el control a la entrada •
Con el nomograma, las cargas hidráulicas aguas arriba del terraplén:
TIPO DE ENTRADA
He/D
He
1
1,75
1,05
2
1,90
1,14
3
2,05
1,23
4
1,49
1,02
La condición 4 ofrece el mejor peralte aguas arriba. Sin embargo no cumple las condiciones de carga hidráulica admisible, He adm = 0,60+0,30 m = 0,90 m > He. Empleando la condición 4 y aumentando la altura del cajón a 0,70m, se obtiene: He = 0,94 > He adm = 0,70+0,30
Paso 3. Suponer el control a la entrada
Formula analítica para control de entrada •
El Federal Highway Administration generó una fórmula mediante modelos de regresión, cuyos resultados son equivalentes a los encontrados en los nomogramas. Hece=D[a+bzF+c(Zf)2+d(zF)3+e(zF)4+f(zF)5-0.5i]
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Hece:carga hidráulica a la entrada. D: altura cajón o diámetro tubo (m). F=Q/BD3/2 para cajones. z: factor de conversión a unidades métricas. a, b, c, d, e y f: coeficientes de regresión.
CARGA HIDRÁULICA DE DISEÑO (He, m) Tipo de cauces
Tubos
Cajones
Losas (L≤6m)
Canales
D (diamétr o)
H (altura total)
H-0,10 m
Diseño de cauces naturales
D+0,3m
H+0,3m
H-0,10 m
D+0,60m
H+0,60 m
H
Verificación de cauces naturales
Paso 3. Suponer control de salida Se supone altura normal del cauce, inmediatamente aguas abajo de la alcantarilla, mediante formula de manning.
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Salida Sumergida: H1: Cota piezometrica a la salida medida en el umbral de la alcantarilla. H: Perdida de Carga. L: Longitud de la alcantarilla. i: Pendiente. Ke: Coeficiente de perdida en la entrada. n: Coeficiente de Mning. L: Longitud de la alcantarilla. R: radio hidraulico V: Velocidad media en la alcantarilla.
Paso 3. Suponer control de salida • = 0,32m 12(0,003)
Finalmente, se obtiene la carga hidarulica a la entrada de la alcantarilla con control de salida:
Compara y Verificar Cargas calculadas •
El mayor valor obtenido para la carga hidráulica a la entrada define el control sobre la alcantarilla:
Por tanto, la capacidad de la alcantarilla es por control a la salida. Sin embargo , por tanto se debe aumentar la seccion de la alcantarilla. Aumentando la altura a 0,80m, se obtiene
Control de Salida • SALIDA SUMERGIDA: – TIPO A: Escurrimiento aguas abajo es igual o más alto que altura de alcantarilla. • SALIDA NO SUMERGIDA: – TIPO B: Se produce cuando el caudal produce una altura crítica igual o mayor a la altura de la alcantarilla. – TIPO C: Se produce cuando la altura de escurrimiento aguas arriba es mayor o igual a D+(1+Ke)V2/19.6. – TIPO D: Se produce en caso que la altura de escurrimiento aguas arriba sea menor al valor obtenido mediante la expresión anterior. – He=H1+H-Li
Control de salida • SALIDA SUMERGIDA: TIPO A: H1=altura escurrimiento aguas abajo de la alcantarilla.
• SALIDA NO SUMERGIDA: TIPO B: H1=cota piezométrica igual a altura de alcantarilla.
TIPO C: H1=máximo valor entre (hc+D)/2 y altura de escurrimiento aguas abajo.
Control de salida
TIPO D: H1= aprox. máximo valor entre (hc+D)/2 y altura de escurrimiento aguas abajo.
GRACIA S….
