Obras de Arte Drenaje

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II CONGRESO NACIONAL OBRAS DE INFRAESTRUCTURA VIAL

OBRAS DE ARTE Y DRENAJE EN OBRAS VIALES Ph.D. Julio Kuroiwa Cevallos

Doctor en Ingeniería Civil de la Colorado State University – EEUU. Master en Ciencias de Ingeniería Civil de la Colorado State University – EEUU. Ingeniero civil egresado de la Universidad Universidad Nacional de Ingeniería. Ingeniería. Profesor de Postgrado y Antegrado UNI. Actualmente es consultor en el campo de recursos hidráulicos y socio fundador de la Empresa Consultora Mansen + Kuroiwa Ingenieros Asociados S.A.C.

ICG – Instituto de la Construcción y Gerencia

Ph. D. Julio Kuroiwa Zevallos

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OBRAS DE ARTE Y DRENAJE EN OBRAS VIALES Julio Kuroiwa Zevallos, Ph.D. Profesor Auxiliar. Facultad de Ingeniería Civil. Universidad Nacional de Ingeniería.

1. Introducción Las carreteras constituyen la principal vía de transporte de personas y mercadería a través de las tres regiones naturales del Perú. Por este motivo es necesario mantenerlas en buen estado para garantizar la seguridad de los usuarios y permitir el abastecimiento de los productos que se consumen en cada región. El sistema de drenaje de una carretera permite el paso ordenado del agua de origen pluvial o subterráneo a través de las vías. Se considera que este sistema está compuesto por los siguientes tipos de elementos: a) b) c) d)

Drenaje transversal. Drenaje longitudinal. Subdrenaje. Elementos auxiliares.

Se debe entender que no existen soluciones parciales al manejo de aguas que afectan una vía. En esta ponencia se denominan obras complementarias a las obras que deben construirse como consecuencia de la construcción de los sistemas de drenaje. De no construirse este tipo de obras se estaría perjudicando a las personas que viven en las inmediaciones. Lamentablemente, no se le da la importancia debida a los sistemas de drenaje que existen en un camino. Cuando se intenta ahorrar en la construcción de una carretera, las primeras partidas en sufrir recortes son precisamente las obras de drenaje y subdrenaje. Esto disminuye de manera dramática la vida útil de la carretera porque ante la presencia de agua, los esfuerzos generados en el pavimento por el paso de los vehículos crecen marcadamente, produciéndose agrietamientos y deformaciones severas como se ve en la Figuras1. Por este motivo, es necesario contar con un sistema que conduzca el agua de manera ordenada hacia un punto de entrega de manera tal que no el flujo no afecte el pavimento usado para el tránsito de los vehículos. Esta ponencia resume los criterios para la selección de los sistemas usados y se presentan algunos casos que permitirán ilustrar el uso de los mismos en diferentes regiones del Perú. 2. Criterios Generales para la selección del diseño de un sistema de drenaje Para seleccionar un sistema adecuado se debe tener en cuenta la relación que existe entre la carretera, los usuarios, los vehículos, los afectados, el medio ambiente en general, las actividades humanas aguas arriba (en la cuenca de aporte), los ejecutores de obra y los dueños de la misma. Se le está llamando "afectados" a aquellas personas o poblaciones que viven prácticamente al borde del camino. En el medio ambiente se incluyen tanto las características naturales del área (topografía, geología, hidrografía, vegetación, recursos disponibles. etc) sobre la que se desarrolla como el patrimonio histórico existente. Es importante conocer las actividades que se desarrollan en la cuenca de aporte y medir la calidad del agua en el punto de intersección con la vía. Obras de Arte y Drenaje en Obras Viales


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Por ejemplo, aguas arriba de un punto de control pueden existir minas antiguas o clandestinas que aumenten de manera descontrolada la acidez del agua (disminuyendo el PH). Esto podría ocasionar el rápido desgaste de alcantarillas metálicas y un desgaste más pronunciado en alcantarillas de concreto.

Figura 1. Deterioro del pavimento en un tramo en el que el drenaje es deficiente. Los ejecutores de obra son básicamente los contratistas que construirán la carretera y los dueños de la obra son los que finalmente realizarán o encargarán el mantenimiento de la vía. Es importante tener en cuenta el tipo de mano de obra disponible para poder construir la vía, particularmente si ésta se construye por administración directa con fondos escasos. Otro punto que se debe considerar es el tipo de inspección y mantenimiento que se le va a dar a la obra terminada. 3. Sistema de drenaje transversal Los sistemas de drenaje transversal son aquellos elementos que transportan agua cruzando el eje de la carretera. Por lo general, el cruce se realiza de manera perpendicular al eje y transportan el aporte de la cuenca que se encuentra aguas arriba de la vía en dirección aguas abajo. El caudal se calcula usando un método como el racional si la cuenca es pequeña, algún método que se base en el hidrograma unitario de la misma. Las alternativas de drenaje transversal son fundamentalmente tres: a) Alcantarillas b) Badenes c) Puentes o Pontones 3.a. Alcantarillas La verificación hidráulica en una alcantarilla se realiza de la siguiente manera: d) Control de entrada. Se verifica la capacidad de pase a través del orificio de entrada. Sólo depende del tamaño y la forma del conducto. e) Control de salida. Se verifica el nivel producido aguas arriba de la alcantarilla por el remanso de las condiciones aguas abajo de la salida de la alcantarilla. Existen varios criterios de diseño, siendo el más común el usado por el Departamento de Transporte de California. Para una vía principal, se verifica que la avenida cuyo periodo de retorno es 10 años Obras de Arte y Drenaje en Obras Viales


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pase libre (es decir sin producir un remanso que eleve el nivel por encima del tope de la alcantarilla en la entrada) y que la avenida de 100 años no llegue el nivel permisible en el terraplén. El nivel permisible es aquél que no pone en peligro la vida humana, permite la destrucción del terraplén, produce inundaciones inaceptables aguas arriba de la alcantarilla, etc. Existen varios programas que permiten la simulación de flujo a través de una alcantarillas tales como CulverMaster® de Haestad Methods y CULVERT del Departamento de Transporte de Texas (Estados Unidos ). El HEC-RAS también permite simular el flujo a través de una alcantarilla. Se pueden emplear materiales diversos para la construcción de alcantarillas tales como acero corrugado, concreto, PVC, etc. La elección del material debe hacerse en base a criterios técnicos y económicos. Dentro de los criterios técnicos la calidad del agua juega un rol importante. Una alcantarilla de acero corrugado por ejemplo no resiste el paso de aguas ácidas. Además se debe tener en cuenta la altura del material relleno que soportará la alcantarilla, la eficiencia hidráulica y por supuesto el costo y la disponibilidad local. El tipo de material de arrastre debe considerarse en el dimensionamiento de la alcantarilla. En lugares donde se espera que el curso de agua transporte árboles y arbustos es recomendable dimensionar las alcantarillas de manera tal que permitan el paso del material de arrastre. La Figura 2 muestra el colapso de una alcantarilla de dos ojos. En este caso era preferible usar una sola alcantarilla de mayor tamaño que impida la retención de la vegetación flotante y posterior bloqueo de la obras de arte. La alcantarilla más económica es la que tiene el costo total más bajo durante la vida útil del proyecto. No se debe basar la selección solamente en el costo inicial. Los costos de reemplazo y demoras en el tráfico son los factores principales al seleccionar un material que tenga una larga permanencia en el tiempo. Si dos materiales son igualmente competentes, se puede permitir en la licitación que el contratista realice su oferta para poder seleccionar la alternativa más económica.

Figura 2. Bloqueo de alcantarilla por material de arrastre proveniente d e la cuenca de aporte.

Aguas abajo de la alcantarilla debe construirse una protección para impedir la erosión del cauce o la superficie del terreno. La Figura 3 muestra un ejemplo en el que la protección inicial en la salida no ha sido suficiente y se ha producido erosión regresiva. Una alternativa es el diseño de una poza de disipación con enrocado tales como la poza Saint Anthony Falls (SAF). Debajo de la poza se coloca un filtro para evitar el efecto de "bombeo" (paso de finos del material natural a través del enrocado. La poza puede construirse con gaviones, si fuera económico hacerlo. Por lo general, simplemente se protege la salida con concreto o rocas embebidas en concreto ("roca acomodada y Obras de Arte y Drenaje en Obras Viales


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emboquillada"). Es necesario asegurarse que la protección cubre una extensión suficiente para evitar la erosión regresiva

Figura 3. Erosión del cauce aguas abajo de la alcantarilla. En este caso la protección no se extendió de manera suficiente, ocasionado erosión regresiva.

Existen situaciones en las que el uso de una alcantarilla tradicional es impráctico. Por ejemplo, si existe una quebrada que arrastra material de gran tamaño que puede bloquear la entrada de la alcantarilla, se prefiere el uso de un badén. 3.b. Badenes. Los badenes son depresiones en el perfil de una carretera que permiten el paso de vehículos y además del flujo de la quebrada que atraviesa la vía. La superficie de rodadura actúa tanto como una porción del canal como el tramo corto de una carretera. Una desventaja del badén es que por lo general implica una reducción en la velocidad de los vehículos que pasan por dicha estructura. La mayor ventaja es que permite el paso de material de arrastre que trae el curso de agua, particularmente si este es de gran tamaño. El badén debe tener una longitud aproximadamente igual al ancho del cauce, de manera que la topografía natural se altere mínimamente. Asimismo el perfil de la vía debe mantener una transición suave y se debe instalar señales que prevengan al conductor de la existencia de un badén para evitar el tránsito durante lluvias muy intensas y cuando la vía se encuentre seca, los vehículos no "salten" debido al cambio brusco de pendiente en los extremos del badén. Es importante proteger el cauce aguas abajo de los mismos debido a que se puede producir erosión regresiva que termina destruyendo el camino. 3.c. Puentes. Los puentes son estructuras autoportantes de gran tamaño que permiten el paso de vehículos a través de cursos de agua de gran tamaño. Por lo general se denominan pontones cuando la longitud es menor a 10m. Debido a que otro ponente va a abordar las consideraciones hidráulica en el diseño de puentes no se va a repetir el tema en esta exposición.

4. Sistema de drenaje longitudinal El sistema de drenaje longitudinal está constituido por aquellos elementos que se desarrollan en forma aproximadamente paralela al eje de la carretera. El más notorio es la cuneta, canal que atrapa el caudal que discurre por la vía y lo canaliza. Por lo general la entrega se realiza aguas arriba o aguas abajo de una alcantarilla en una zona preparada para resistir el paso del agua como se ve en la Figura 4.

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Figura 4. Entrega de cunetas al buzón de una alcantarilla. El caudal evacuado fluye hacia la izquierda La cuneta externa (si se hubiera considerado en el diseño) recoge la escorrentía que discurre por la mitad de la superficie de la carretera y por lo general la cuneta interna recoge la mitad de la escorrentía que discurre por la vía y parte del flujo que proviene del talud de corte. La carretera tiene una inclinación (llamada bombeo) que permite el escurrimiento del eje hacia las cunetas. Por lo general las cunetas tienen una forma triangular. La inclinación del lado próximo a la vía es menor para facilitar la salida de vehículos que puedan haberse quedados atrapados en la cuneta. El cálculo del tirante se efectúa usando la ecuación de Manning, considerando que el caudal en un punto dado corresponde a la acumulación de los aportes de lluvia. Los bordillos sirven para impedir la erosión del talud externo de la vía. Consisten en muretes de 10 a 15 cm de alto que impiden la erosión en el talud externo de la vía como se ha esquematizado en la Figura 5. Los bordillos conducen el flujo hacia la salida de la alcantarilla que por lo general, se encuentra protegida contra la erosión.

Figura 5. El bordillo es un muro que impide el flujo descontrolado de la lluvia sobre el talud exterior de la carretera. Zanjas de drenaje. Las zanjas de drenaje tienen como función minimizar o impedir el flujo de agua por el talud interno de la carretera, lo que podría ocasionar una erosión descontrolada que puede poner en peligro a los usuarios de la vía o bloquear el tráfico. Cuando se considera el trazo de una zanja de drenaje se debe tener cuidado en no ocasionar una falla en el talud del lado interno de la vía, particularmente si el suelo tiende a reaccionar desfavorablemente con el agua (tales como los Obras de Arte y Drenaje en Obras Viales


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suelos dispersivos). Se recomienda verificar si existen suelos cohesivos, dispersivos o kársticos. La forma de las zanjas de drenaje por lo general es trapezoidal, llegando a ser prácticamente rectangular si el terreno es muy cohesivo. En todo caso, se recomienda que la inclinación de los taludes sea menor al ángulo de reposo, si el material es friccionante. La Figura 6 muestra el funcionamiento típico de una zanja de drenaje (o cuneta de coronación). La Figura 7 muestra zanjas de drenaje en una vía de los Andes Peruanos.

5. Subdrenaje. Los subdrenes son elementos que permiten captar los flujos que discurren por el subsuelo para evitar la acumulación de agua en la base y sub-base de una carretera. Un tipo de subdren consiste en una tubería perforada (ver Figura 8) que capta el flujo subsuperficial y que está rodeada de un material grueso, por lo general grava o cantos pequeños para facilitar el flujo hacia la tubería. El subdren atrapa flujos pequeños y los elimina de la sub-base de la vía. La importancia radica en que impide la acumulación de grandes volúmenes de agua que mantengan saturada la base y la subbase del pavimento. Por lo general se considera la intensidad de precipitación de 1 hora cuyo periodo de retorno es 1 año. Se asume que si pista se encuentra en mal estado, puede filtrarse hasta 2/3 de la intensidad de lluvia. Los subdrenes deben funcionar como canales abiertos, es decir el tirante debe ser menor al diámetro de la tubería en todo momento. Se debe utilizar una protección a la salida, si existe material que pueda erosionarse fácilmente.

Figura 6. Esquema del funcionamiento de una zanja de drenaje.

Figura 7. Zanjas de drenaje en el lado interno de la vía Obras de Arte y Drenaje en Obras Viales


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Figura 8. Tuberías que serán usadas como subdrenes

6. Obras complementarias. La construcción de elementos de drenaje modifica tanto la vía como las obras preexistentes. Esto puede perjudicar a las personas que viven al pie de la vía. Por ejemplo, la construcción de una cuneta puede impedir el acceso a una propiedad, sobre todo si se necesita el ingreso de vehículos. En ese caso es necesario construir un pase vehicular. Esta partida a veces es obviada y por este motivo los afectados rellenan las cunetas con tierra, alterando de esta manera el diseño original. Esto ocasiona el desborde del agua durante la temporada de lluvias, afectando el tránsito y puede ocasionar la degradación del terraplén de la carretera.

Figura 9. Cuneta que ha sido tapada para permitir el acceso a una propiedad.



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Figura 10. Paso vial.

7. Comentarios Finales. En este documento se han resumido las obras que permiten el paso seguro del agua a través de una carretera. Se ha puesto énfasis especial en los problemas recurrentes en las vías, sobre todo los relacionados a la erosión que puede poner en riesgo la integridad física de las obras de drenaje. Cuando se construyen obras de drenaje es muy importante considerar las condiciones locales, el presupuesto, la mano de obra disponible y el programa de mantenimiento. Es necesario además complementar las obras de drenaje con elementos auxiliares, debido a que las dichas obras pueden interrumpir el acceso a las propiedades y viviendas de la zona. En Mansen y Kuroiwa (2002) se puede encontrar un resumen de fallas recurrentes de sistemas de drenaje, lo que puede ayudar a complementar lo expuesto en esta ponencia.

8. Referencias a) Brockenbrough, R.L; Boedecker, K.J (1996). Highway Engineering Handbook. Mc Graw Hill. Nueva York, Estados Unidos. b) Mansen, A.; Kuroiwa, J. (2002) Fallas de Origen Pluvial en Obras Viales. XVI Simposio "Alternativas para la Prevención y Mitigación de Desastres". Organizado por el CISMID Centro Peruano Japonés de Investigaciones Sísmicas y Mitigación de Desastres Naturales. 29 al 31 de Mayo. UNI, Lima - Perú. c) Texas Department of Transportation. (2002) Hydraulic Design Manual. Ed. Texas DOT. Texas, Estados Unidos.

9. Notas sobre derechos de autor El autor de esta nota se reserva el derecho de usar las fotografías o parte del texto en futuras publicaciones. Algunas ya han sido publicadas por otras instituciones educativas y profesionales.



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