Hidráulica, Hidrología y Drenaje aplicados a las Vías Terrestres
M. en I. Gabriel Atala Barrero
Zacatecas, Zac. 14,de15mayo de febrero de 2013 Villahermosa, Tab., 24 y 25 de 2012
M. en I. Gabriel Atala Barrero
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¿ CUAL ES EL PRINCIPAL ENEMIGO DE LAS CARRETERAS ?
EL AGUA
Y ENTONCES, ¿ PORQUE CON FRECUENCIA SE SUBESTIMA EL DISEÑO HIDRAULICO DEL SISTEMA DE DRENAJE DE LAS CARRETERAS ?
Las obras de drenaje dan salida rápida al agua que llega a las carreteras, o reducen su ingreso a ellas.
El diseño adecuado del sistema de drenaje de las carreteras proporcionará mayor seguridad a los usuarios y reducirá los gastos de conservación.
El drenaje deficiente puede provocar graves daños; por ejemplo: • Fallas de terraplenes, • Cortes de la carretera, • Destrucción de la superficie de rodamiento, • Pérdida de estabilidad de cortes, etc.
Las obras de drenaje superficial de las vías terrestres se clasifican en: Obras de drenaje transversal Alcantarillas (obras de drenaje menor) Puentes (obras de drenaje mayor) Vados Puentes – vado Sifones invertidos Obras de drenaje longitudinal (obras complementarias de drenaje) Cunetas Contracunetas Lavaderos Bajadas Guarniciones y bordillos Bombeo transversal de la corona Canales de encauzamiento
Las alcantarillas son obras de drenaje transversal que tienen claro menor de 6 m y por su forma pueden ser de tubo, de cajón, de bóveda, de losas sobre estribos, sifones, etc. Las estructuras con claro mayor de 6 m son tratadas como puentes.
En nuestro país se ha tenido la costumbre de denominar a las alcantarillas “obras menores”, porque individualmente drenan mucho menos caudal que los puentes y también porque individualmente cuestan mucho menos que los puentes.
Estadísticamente se ha determinado que el 97.5% de los arroyos que cruzan las carreteras drenan cuencas pequeñas, y en su mayoría los cruces se resuelven con obras de drenaje menor.
Las obras complementarias de drenaje captan y conducen el agua de lluvia que escurre sobre la corona del camino, o sobre las laderas adyacentes (en caso de secciones en balcón), hacia lugares más apropiados, a fin de eliminarla sin inundar o destruir el camino y sus zonas adyacentes.
Los efectos destructivos del agua de lluvia son evidentes en un camino que no cuente con obras complementarias de drenaje, o que en caso de tenerlas funcionen incorrectamente. En efecto, inmediatamente después de un intenso periodo de lluvias, el panorama es desolador.
Por tanto, las inversiones monetarias que se destinen para construir o mejorar los sistemas de drenaje de las vías terrestres siempre son rentables.
Las obras de drenaje menor y obras complementarias de drenaje representan una inversión del orden del 20% del costo total de una carretera.
Posiblemente por los calificativos “menor” y “complementarias” en México, este tipo de obras de drenaje se ha subestimado siendo en realidad muy importantes, ya que constituyen prácticamente la totalidad del sistema de drenaje de las vías terrestres.
Es necesario emplear otras palabras que definan mejor lo que conocemos hoy como obras de drenaje menor y obras complementarias de drenaje. Así, empezaría a dárseles la importancia que realmente tienen.
La nueva Normativa SCT las denomina: • Obras para drenaje transversal. • Obras para drenaje longitudinal.
Dos conceptos muy importantes a tomar en cuenta en todo diseño hidráulico de obras de drenaje son: • El agua siempre sigue el camino más fácil. • Los cursos naturales de las aguas deben alterarse lo menos posible.
Si no se respeta el drenaje natural de la zona, las carreteras pueden llegar a funcionar como presas, si se desarrollan perpendiculares a un arroyo, o bien como bordos de protección contra inundaciones, si se desarrollan paralelas a un arroyo.
Posibles zonas de inundación debidas a la presencia de un camino con escaso drenaje, construido perpendicular a un río.
Posibles zonas de inundación debidas a la presencia de un camino sin drenaje, construido paralelo a un río.
Por lo antes expuesto, el drenaje de las vías terrestres debe estudiarse desde la elección de ruta, procurando reducir al mínimo posible los problemas de escurrimiento de agua, y teniendo siempre presente que una mala elección de ruta invariablemente ocasionará mayores costos de conservación.
Para el diseño racional de las estructuras de drenaje, es necesario realizar estudios hidrológicos e hidráulicos, que comentaremos en esta plática.
CLASIFICACION Y DESCRIPCION DEL SISTEMA DE DRENAJE
CLASIFICACION DEL DRENAJE DE LAS VIAS TERRESTRES
LONGITUDINAL (OBRAS COMPLEMENTARIAS)
SUPERFICIAL
TRANSVERSAL
SUBTERRANEO
CUNETAS CONTRACUNETAS LAVADEROS BAJADAS GUARNICIONES BOMBEO TRANSVERSAL DE LA CORONA CANALES DE ENCAUZAMIENTO
ALCANTARILLAS PUENTES VADOS PUENTES - VADO SIFONES INVERTIDOS
SUBDRENAJES LONGITUDINALES EN ZANJAS CAPAS PERMEABLES SUBDRENES TRANSVERSALES TRINCHERAS ESTABILIZADORAS
CUNETAS: Son canales que reciben el agua pluvial de los cortes y zonas adyacentes y de la mitad del camino.
La ubicación de las cunetas, su longitud y su pendiente quedan condicionadas al proyecto geométrico de la carretera. Para su diseño hidráulico, se requiere conocer el gasto que drenará la cuneta y determinar la ubicación de sus descargas para darle salida al agua y se evite que inunde la superficie de rodamiento.
CONTRACUNETAS: Son canales que en ocasiones es necesario construir cerca de la parte más alta de los cortes, para evitar que los escurrimientos reconozcan hacia las paredes de éstos. Su descarga se debe efectuar hacia el cauce natural más cercano.
Ilustración de una zona que requiere la construcción de contracunetas.
LAVADEROS: Son obras que drenan el gasto de cunetas hacia zonas bajas. También son canales que se construyen sobre los taludes de terraplenes, para dar salida al agua sin que éstos sean erosionados. Pueden ser de concreto simple, de mampostería o de lámina.
Ejemplo de un lavadero en el talud de un terraplén.
GUARNICIONES Y BORDILLOS: Se colocan en los hombros de terraplenes, en tramos rectos y en el intradós de curvas, para evitar la erosión de los taludes.
BOMBEO TRANSVERSAL: Es la pendiente transversal que se da a la corona de terraplenes para desalojar el agua pluvial que cae sobre ella. Es muy importante, ya que evita encharcamientos sobre la superficie de rodamiento.
Las obras de drenaje transversal son las que permiten que los escurrimientos naturales crucen de un lado a otro la carretera, y las constituyen las alcantarillas y los puentes.
ALCANTARILLAS: Como ya se expresó antes, son obras con claro menor de 6 m, y por su forma pueden ser de tubo, de cajón, de bóveda, losas sobre estribos, etc.
PUENTES:
Son obras con claro mayor de 6 m.
VADOS: Son estructuras que se diseñan con el fin de dar paso a escurrimientos pequeños sobre la corona de la obra vial.
Se localizan generalmente en curvas verticales en columpio, es necesario dotarlos de un señalamiento adecuado, donde principalmente se pueda observar la altura del tirante de agua y poder transitar con seguridad cuando exista corriente de agua. Se diseñan a base de losas de concreto y dentellones o también de mampostería. El empleo de este tipo de estructuras se permite en caminos de bajas especificaciones, es decir, para caminos tipos “d” y “e”.
Se presentan a continuación algunos lineamientos generales para el proyecto y construcción de las obras de drenaje longitudinal y transversal de las vías terrestres:
Gran parte de esta información se presentó en el artículo: ATALA, B.G., “Procedimiento para diseño hidráulico de alcantarillas”, “XV Reunión Nacional de Vías Terrestres”, Pachuca, Hgo., México, Julio 2004. (ref 1)
Las obras complementarias de drenaje en zonas de cortes deben construirse en el siguiente orden: a) contracunetas a) cunetas
a) lavaderos
Antes de construir cunetas es necesario verificar que los cortes sean estables, para evitar que éstas se azolven o sean dañadas por el impacto de caídos.
En ocasiones las cunetas son obstruidas con rellenos para permitir el paso de vehículos. Esto impide que el agua reconozca hacia los lavaderos y puede ocasionar que desborde y escurra por la carpeta asfáltica y la dañe.
Es necesario evitar la construcción de canales adyacentes a la superficie de rodadura, ya que representan riesgos para los usuarios.
Sin excepción, las contracunetas a base de canales deben construirse revestidas de concreto, para que sean impermeables; el espesor del revestimiento deberá ser de por lo menos 4 cm.
Las contracunetas deben quedar ubicadas a una distancia no menor de 6 m de la corona de los cortes, salvo casos especiales en que por el tipo de material del corte convenga retirarlas más. El trazo que se realiza en campo deberá ser de tal forma que la contracuneta se vaya alejando del camino, a fin de que su descarga no lo afecte.
Las contracunetas requieren de un trazo y localización adecuados. En caso de que se cuente con planos de topografía de detalle, deben aprovecharse para localizar en forma preliminar la trayectoria de las contracunetas.
Las contracunetas se pueden construir a base de bordos de mampostería sensiblemente paralelos al coronamiento del corte. Esta opción es conveniente cuando existen en el suelo afloramientos de roca, ya que si se excavara se encarecería la obra. El material para construir los bordos se obtiene del lugar, fragmentando la roca que aflora.
Antes de construir lavaderos es indispensable garantizar la estabilidad de los taludes de los terraplenes. Si éstos han sufrido erosión por el agua, es necesario previamente restituir los materiales.
Los lavaderos deben descargar en terreno natural, es decir, siempre fuera de los taludes de los terraplenes.
Los lavaderos deben construirse normales a los ceros del terraplén y no sesgados, para evitar que los dañe el agua que escurre por el talud.
Ejemplo de lavadero normal y lavadero sesgado.
Es necesario garantizar el anclaje de los lavaderos y de sus umbrales. Los lavaderos que carecen de anclaje suficiente se desplazan, lo que ocasiona grietas o fracturas en la zona del umbral, y con ello, infiltraciones de agua al cuerpo del terraplén.
Las bermas de los cortes deben contar con drenaje adecuado que incluya la construcción de lavaderos en sus extremos laterales. Es muy importante mantener limpias las bermas, ya que de lo contrario el agua, en vez de escurrir hacia los lavaderos lo hará por la paredes de los cortes, las erosionará y en ocasionaes aportará un caudal excesivo de agua hacia las cunetas.
Las deficiencias en el bombeo de la superficie pavimentada provocan que el agua escurra sobre el pavimento a lo largo del camino, lo que representa riesgos para los usuarios.
Los bordillos son imprescindibles en los casos en que el material de los taludes de los terraplenes sea muy erosionable.
Es necesario analizar el funcionamiento de alcantarillas existentes en las cercanías del cruce sobre la misma corriente, recabando su antigüedad, niveles de agua alcanzados, reparaciones que ha tenido, daños que ha provocado, etc.
SE DEBE RESPETAR AL MAXIMO POSIBLE EL CURSO NATURAL DE LOS ARROYOS.
Debe considerarse siempre que las corrientes tienden a reconocer hacia sus cauces, que han sido labrados por el agua durante muchos años.
Desde el proyecto de la subrasante se debe asegurar que en los cruces con arroyos los terraplenes tendrán suficiente altura para permitir alojar las alcantarillas con su entrada y salida al nivel del cauce natural.
Al diseñar las alcantarillas se debe procurar que trabajen a superficie libre para el gasto de diseño.
El diámetro mínimo de alcantarillas de tubo debe ser de 1.2 m, para facilitar su mantenimiento.
La longitud de las alcantarillas deberá ser tal que su entrada y salida coincidan con los ceros del terraplén de la carretera, salvo casos especiales.
El nivel de la plantilla de las alcantarillas en sus secciones de entrada y salida debe coincidir con el nivel del cauce natural del arroyo, salvo casos especiales.
En el diseño hidráulico de alcantarillas debe garantizarse el correcto encauzamiento de las aguas; si es necesario, deben efectuarse canalizaciones en las zonas de entrada o de salida, verificando que las nuevas condiciones no alteren el régimen hidráulico de la corriente.
Es necesario ubicar las alcantarillas con el esviaje que requieran, para respetar al máximo posible los escurrimientos naturales, aunque las obras resulten largas y, por tanto, más costosas.
Todo aquello que mejore la entrada del flujo en las alcantarillas reduce pérdidas de energía y, por tanto, mejora la eficiencia hidráulica. Colocar aleros rectos o curvos, construir ensanchada la entrada y redondear bordes pueden favorecer en este sentido.
Para obras de drenaje bajo terraplenes muy altos, es conveniente construirlas con mayor área que la estrictamente necesaria, ya que en caso de resultar insuficientes, una falla del terraplén implica costos de reparación elevados.
Es necesario verificar que la sobreelevación del agua ocasionada por el estrechamiento que produce la obra de drenaje no afecte terrenos particulares ubicados aguas arriba del cruce.
Asimismo, evitar el diseño de obras de drenaje con caja de entrada, ya que generalmente se obstruyen.
Los cuerpos flotantes condicionan el tipo y dimensiones de las alcantarillas y en ocasiones obligan a multiplicar el área hidráulica necesaria para drenar el gasto de diseño.
Cuando la corrientes tienden a depositar sedimentos, los azolves obligan, en general, a construir obras de mayor altura que la necesaria desde el punto de vista hidráulico.
El tipo y dimensiones de las obras de drenaje deben permitir la continuidad del transporte de sedimentos, para evitar que se formen grandes depósitos de materiales en el lado de aguas arriba, y degradación del cauce (erosión sin recuperación) en el de aguas abajo .
Cuando se construyen obras de drenaje con pendientes muy pronunciadas es necesario cimentarlas con anclajes, lo cual eleva mucho su costo.
Una solución alterna para el caso de arroyos de gran pendiente es hacer coincidir la entrada de la obra con el arroyo, y su salida con una de las laderas aguas abajo. En este caso se reducirá notablemente la pendiente de los escurrimientos. Será muy importante construir un canal de salida adecuado y que la descarga del agua no erosione la ladera. En ocasiones es necesario construir obras de protección contra la erosión en el extremo final del canal de salida.
Por supuesto, se insiste en que ES NECESARIO RESPETAR AL MAXIMO POSIBLE EL CURSO NATURAL DE LOS ARROYOS.
Debe evitarse construir cercas de alambre en las zonas de entrada y de salida de las alcantarillas, ya que provocan el atoramiento de troncos y ramas, que obstruyen el libre paso del agua.
Las alcantarillas deben tener como única función drenar el agua de la cuenca y debe evitarse que a través de ellas pasen líneas de servicios públicos, tales como agua, energía eléctrica, teléfono, gas, etc. La vigilancia debe ser más estricta en los tramos carreteros que pasen por zonas pobladas o con tendencia a poblarse.
Es necesario vigilar que los lugareños no construyan en las zonas de entrada o de salida de las alcantarillas obras tales como bordos, diques, derivaciones, etc, ya que pueden provocar remansos, azolves, y hasta grandes volúmenes de agua que no podrían drenar las alcantarillas, lo que podría ocasionar el corte de un tramo de la carretera.
Es muy importante propiciar la vegetación propia del lugar en la zona que ocupa el derecho de vía de la carretera, principalmente en los taludes de los terraplenes, a fin de evitar que la acción del agua de lluvia los erosione.
Es necesario retirar de los taludes de terraplenes, las rocas que al rodar puedan obstruir alcantarillas.
En ocasiones aguas arriba de algunas alcantarillas existen caminos que se construyeron provisionalmente para dar acceso a maquinaria y equipo durante la construcción de la carretera. Dichas obras propician un aporte importante de azolves hacia las alcantarillas, por lo que es indispensable eliminarlos al concluir la construcción de la carretera.
Al desazolvar alcantarillas, los materiales extraidos deberán ser depositados en zonas mucho más bajas, aguas abajo de las obras.
Al efectuar la limpieza de la entrada y salida de las alcantarillas, es muy importante no dejar el producto del desyerbe y despalme en el lado de aguas arriba de las obras.
Las alcantarillas para alivio de cunetas debe procurarse construirlas esviajadas, como se indica en las siguientes figuras.
ESTUDIOS HIDROLOGICOS
FACTORES QUE AFECTAN EL ESCURRIMIENTO
CARACTERISTICAS DE LA TORMENTA
TIPO DE PRECIPITACION DURACION INTENSIDAD
CARACTERISTICAS FISIOGRAFICAS DE LA CUENCA
TAMAÑO FORMA PENDIENTE ELEVACION (msnm) TIPO Y USO DE SUELO HUMEDAD DEL SUELO TIPO DE RED DE DRENAJE DENSIDAD Y TIPO DE VEGETACION PERMEABILIDAD DEL SUELO TEMPERATURA AMBIENTE
La mayoría de las obras de drenaje menor está ligada a cuencas pequeñas, entendiendo como tales, aquellas cuya respuesta a la precipitación es rápida y son sensibles a tormentas de corta duración e intensidad alta. En las cuencas grandes el efecto de almacenaje es importante.
Para definir el tipo y dimensiones de una obra de drenaje es necesario determinar el gasto de diseño, el cual se determina a partir de la aplicación de métodos hidrológicos.
Los métodos hidrológicos para el cálculo de gastos máximos se clasifican en empíricos, semiempíricos y estadísticos.
Los métodos empíricos determinan el gasto en función de características fisiográficas de la cuenca.
El método que tradicionalmente ha sido empleado en la S.C.T. para obtener gastos de diseño de alcantarillas es el de Talbot, que es de tipo empírico. La ecuacion de Talbot es:
a 0.183 C
3/ 4
donde:
a
área hidráulica necesaria (m2)
C
coeficiente, función de las características topográficas de la cuenca (adim)
A
área de la cuenca (Ha)
Valores del coeficiente C de la fórmula de Talbot. Características topográficas de la cuenca
C
Montañosa y escarpada
1.00
Con mucho lomerío
0.80
Con lomerío
0.60
Muy ondulada
0.50
Poco ondulada
0.40
Casi plana
0.30
Plana
0.20
Esta fórmula fue desarrollada en 1887 con base en datos de escurrimiento de la región del Medio Oeste de E.U.A., sobre corrientes tributarias del Río Mississippi.
Como puede observarse, no es necesario determinar previamente el gasto de diseño de la alcantarilla para dimensionarla.
Comentarios al método de Talbot: • El área hidráulica necesaria de la alcantarilla no depende sólo del área y topografía de la cuenca, sino también de las demás características fisiográficas de la misma y del tipo e intensidad de la precipitación pluvial. • No considera el período de retorno de las avenidas. • Sus resultados sólo son válidos para la zona para la cual fue desarrollado.
• La fórmula fue obtenida con datos de cuencas de drenaje de hasta 200 km2
• No se tomaron en cuenta la intensidad de lluvia ni la velocidad media de la corriente. • La intensidad máxima de las lluvias que produjeron los escurrimientos fue del orden de 100 mm/hr y la velocidad de la corriente fue variable y menor de 3 m/s.
• Los resultados que se obtienen sólo son válidos para la zona en que fue desarrollado el método o para regiones de características similares. • En México existe una gran variedad de condiciones climatológicas y topográficas, en su mayoría muy distintas a las características del Medio Oeste de los EUA.
Por consiguiente, el método de Talbot no debe emplearse para obtener el área necesaria de las alcantarillas. Su aplicación indiscriminada conduce a diseños antieconómicos, ya sea por resultar sobrada el área necesaria o por los daños subsecuentes al ser insuficiente la alcantarilla diseñada.
Los métodos semiempíricos están basados en la relación lluvia escurrimiento y determinan el gasto en función de una intensidad de lluvia para cierta duración y características fisiográficas de la cuenca. Ejemplos son la Fórmula Racional y el método de Chow.
Para aplicar los métodos semiempíricos, la SCT se ha dado a la tarea de procesar datos de lluvia y ha creado el Sistema Automatizado de Isoyetas, SAISO, que elabora Planos de Isoyetas de Intensidad de lluvia – Duración – Período de retorno. El sistema lo actualiza cada 10 años.
Se cuenta también con información pluviométrica del banco de datos de la CNA denominado “Extractor Rápido de Información Climatológica”, ERIC, que permite elaborar planos de Isoyetas de altura de lluvia para duraciones de 24 horas.
Los métodos estadísticos son útiles cuando se cuenta con un registro de gastos ocurridos. Suponen que los gastos máximos aforados son una muestra aleatoria de una población de gastos máximos.
Ejemplos de métodos estadísticos son las distribuciones de probabilidad de Gumbel, Normal, Pearson III y sus variantes logarítmicas.
Para aplicar los métodos estadísticos a las corrientes naturales se cuenta con la información hidrométrica de la CNA denominada “Banco Nacional de Datos de Aguas Superficiales”, BANDAS.
Fórmula Racional. Es uno de los métodos semiempíricos más importantes para el cálculo de gastos máximos, ya que muchos otros métodos basados en relaciones lluvia - escurrimiento son sólo variantes de él.
Su expresión es
Qmáx = 0.278 CIA donde: Qmáx
gasto máximo, en m3/s
A
área de la cuenca, en km2
C
coeficiente de escurrimiento, Vescurrido / Vllovido, adimensional
I
intensidad de lluvia para una duración igual al tiempo de concentración, en mm/hr
0.278
valor que homogeniza las variables para obtener Qmáx en m3/s
Imaginemos que la lluvia se aplique a un “ritmo” constante y de una manera uniforme a una superficie impermeable. Llegará un momento en que el escurrimiento en la superficie llegará a tener un “ritmo” igual al de la lluvia. El tiempo necesario, d, para alcanzar ese equilibrio es el tiempo de concentración, tc, y para esta condición se obtiene el gasto máximo, Qmáx.
La fórmula Racional se basa en un modelo lluvia escurrimiento como el antes descrito.
Las hipótesis básicas del método Racional son: 1. La intensidad de lluvia es constante y la lluvia, uniforme en toda la cuenca. 2. La duración de la lluvia es igual al tiempo de concentración, d = tc, con lo cual se está suponiendo que toda el área de la cuenca contribuye al escurrimiento. 3. La capacidad de infiltración del terreno de la cuenca es constante en todo tiempo. 4. El efecto de almacenaje del agua de escurrimiento superficial en la cuenca es despreciable.
Los valores del coeficiente de escurrimiento, C, son función directa del tipo de suelo de la cuenca y se obtienen a partir de tablas ya elaboradas.
Desventajas del método Racional: • Proporciona sólo el valor de Qmáx, sin tomar en cuenta la forma del hidrograma. • El tiempo de concentración se calcula con fórmulas empíricas, ensayadas en regiones que en general no son semejantes a las cuencas en estudio.
• Resulta difícil precisar el valor del coeficiente de escurrimiento, C.
Método de Chow. Está basado en el concepto de hidrograma unitario.
Los datos necesarios para la aplicación del método de Chow son: Ac - área de la cuenca (km2) L - longitud del cauce principal (m) S - pendiente del cauce principal (adim) N - coeficiente de escurrimiento (adim) Tr - periodo de retorno (años) Isoyetas i - d - Tr o curvas i - d - Tr
El procedimiento de cálculo al emplear el método de Chow es: 1). Suponer una duración de lluvia, d, y calcular la intensidad de lluvia a partir de los mapas de isoyetas de la República Mexicana. 2). Pb = id (cm)
( Pb
3).
Peb Pb
508 5.08) 2 N 2032 20.32 N
Precipitación en exceso (cm) FIGURA
4). X 5). t p 6).
Peb d
cm ) factor de escurrimiento ( hr
L 0.64 0.00505 ( ) S
tiempo de retraso (hr)
d tp
7).
Z
d f ( ) tp
8).
Qm
2.78 AXZ
9).
Volver al paso 1
factor de reducción del pico (adim). FIGURA
El procedimiento es por tanteos hasta obtener el gasto máximo.
ESTUDIOS HIDRAULICOS
La Hidrología se enfoca a las características de la cuenca de drenaje. Se determina el gasto de diseño asociado a un período de retorno.
Considerando el gasto de diseño obtenido hidrológicamente y aplicando las leyes de la Hidráulica, se determinará la velocidad de la corriente, el nivel de aguas de diseño y las dimensiones de las obras de drenaje.
Se definirán conceptos fundamentales de Hidráulica, que son necesarios para comprender la mecánica del movimiento del flujo y sedimentos en los cauces naturales.
U
U t
0
permanente
U t
0
transitorio
0
U
0
uniforme
variado
uniforme y permanente, “uniforme”
permanente y variado, FGV y FRV
transitorio y uniforme
transitorio y variado
Un canal es un conducto en que el agua fluye a superficie libre. Los canales pueden ser: naturales - arroyos, - ríos artificiales (prismáticos) - canales de riego, - obras de alivio, - vertedores, etc.
En EUA utilizan las alcantarillas y los puentes como dispositivos para determinar el gasto que drenan.
Flujo uniforme
Para el cálculo de la velocidad del agua en canales naturales se considera que el flujo es permanente uniforme, es decir que la velocidad no varía ni con el tiempo ni de sección a sección.
El flujo uniforme se establece cuando se equilibran las fuerzas de resistencia, Ff, y las gravitatorias, w1.
Con esta condición, se cumple que A d V Q
constante constante constante constante
en cualquier sección transversal del canal, y Sf
Sw
So
S
Estrictamente, las características del flujo uniforme pueden cumplirse en canales prismáticos y no en cauces naturales. Sin embargo, se procura buscar tramos de ríos y arroyos donde se cumplan lo más posible.
El flujo uniforme no ocurre para velocidades altas, llamadas ultrarrápidas, ya que existe intrusión de aire y el flujo se vuelve muy inestable y no permanente.
El tirante para el flujo uniforme se denomina tirante normal, yn.
El método más utilizado en el mundo para el cálculo de flujo uniforme sigue siendo la ecuación de Manning: V = R2/3 S1/2 / n donde V R A P S
n
velocidad media del flujo (m/s) radio hidráulico de la sección transversal (m) área hidráulica (m2) perímetro mojado (m) pendiente de la línea de energía (adimensional) coeficiente de rugosidad de Manning (tabla 4)
Se acostumbra denominar al método de Manning, método de Sección y Pendiente, porque para aplicarlo se requiere el área hidráulica de la sección transversal y la pendiente del arroyo.
El coeficiente n trata de cuantificar la resistencia que ofrecen al flujo las fronteras de la sección del canal, es decir el fondo y márgenes del canal.
El valor de n depende de: -rugosidad de la superficie, -vegetación, -irregularidades del canal, -alineación del canal, -erosión y sedimentación en el cauce, -obstrucción al flujo, -tirante, etc.
Factor de sección para cálculo de flujo uniforme:
AR
2/3
Qn 1/ 2 S
Representa a la ecuación de Manning, separando parámetros de la geometría del canal y parámetros hidráulicos.
TABLA 5. GUIA PRELIMINAR PARA ELEGIR EL TIPO DE ALCANTARILLA MAS ADECUADO CONDICION
TIPO DE ALACANTARILLA MAS ADECUADO
Baja capacidad de carga del terreno
Cajones
Gastos pequeños y terraplenes de escasa altura
Tubos
Terraplenes altos y condiciones Bóvedas de cimentación favorables El proyecto no considera colchón sobre la estructura
Losas
Sección amplia del arroyo
Losa de claro amplio o batería
TABLA 6. PENDIENTES MAXIMAS RECOMENDABLES PARA ALCANTARILLAS TIPO DE ALCANTARILLA
Tubo*
TIPO DE ALACANTARILLA MAS PENDIENTES MAXIMAS (%) 45
losa cajón bóveda * Para S > 30% es necesario construir anclajes
15 15 18
FOTOGRAFIAS. PROBLEMAS DE DRENAJE
Es de vital importancia la calidad de los estudios, los proyectos y la construcción de las obras de drenaje de vías terrestres.
Las deficiencias que existan en esas tres etapas, invariablemente ocasionarán la inversión de mayores recursos financieros en las etapas de operación, conservación y mantenimiento.
Trabajemos siempre a favor de la calidad de los sistemas de drenaje de las vías terrestres.
A continuación se presentan imágenes que muestran problemas de vías terrestres en operación. Posteriormente se presentan figuras que ilustran problemas y soluciones planteadas.
Para mejorar el sistema de drenaje de la vías terrestres es necesario que los especialistas se interesen más por estudiar Hidráulica, Hidrología y Drenaje, además de los temas que más se estudian en el medio, que son terracerías, pavimentos, asfaltos, geotecnia y mecanica de suelos, entre otros. Si, como hemos visto, el agua produce tanto daño a las carreteras, bien merece dedicarle a tención suficiente para realizar estudios, proyectos y obras civiles que permitan el desalojo rápido y eficiente del líquido, para mantener en buen estado las vías terrestres, que generan comunicación y progreso para todos.
Procuremos aprovechar siempre la oportunidad de “comprender” al agua que llega a las carreteras, ya que es lo que más afecta y destruye
FIGURAS
Es conveniente describir los problemas de drenaje y sus soluciones empleando esquemas y fotografías
Se presentan a continuación ejemplos de esquemas
