Sistema de Drenaje en Carreteras

TECNOLOGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE COACALCO . CARRETERAS 9311 Hernández Hernández Melody Alinne C!"#o Neri $o%& Rodri'o Rn'el L()ez L*i% +ernndo C%,-ed Alrrán $o%& L*i%

3.3 Sistemas de drenajes en carreteras.

Antecedentes

Se define sistemas de drenajes de una vía a las construcciones específicamente diseñadas para la recepción, canalización y evacuación de las aguas que puedan afectar directamente a las características funcionales de cualquier elemento integrante de la carretera. El drenaje apropiado es una consideración muy importante en el diseño de una carretera. Las instalaciones inadecuadas para drenaje pueden conducir al deterioro prematuro de la carretera y al desarrollo de condiciones adversas de seguridad, como el hidroplaneo. or lo tanto, es com!n que se destine una parte aprecia"le del presupuesto de construcción de la carretera a las instalaciones de drenaje. Las propiedades de los suelos, en especial las de aqu#llos con altos contenidos de finos, son e$tremadamente sensi"les al grado de saturación. %l variar la humedad los suelos sufren cam"ios de volumen, cam"ia la cohesión y e$perimentan alteraciones en la esta"ilidad mec&nica, de manera que, en la medida que se logre mantener la humedad dentro de un rango m&s o menos estrecho, el camino mantendr& una capacidad de soporte m&s uniforme y estar& menos e$puesto a los daños que pueden originarse en condiciones am"ientales e$tremas. Los sistemas de drenaje "ien diseñados permiten controlar la cantidad de agua presente en los suelos y, en consecuencia, disminuir las pro"a"ilidades de fallas imprevistas. El agua penetra de muchas formas en los suelos que integran la o"ra "&sica 'su" rasante( y capas estructurales del camino, siendo las principales las siguientes) • •

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*aches y grietas en el pavimento asf<ico. +untas y grietas no selladas o con el sello en mal estado, en pavimentos de concreto. +unta a"ierta entre el pavimento y las "ermas. Sistemas de drenaje de la plataforma insuficientes o en mal estado. *ermas y carpetas de rodado sin revestir o con revestimientos en mal estado.

TECNOLOGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE COACALCO . CARRETERAS 9311 Hernández Hernández Melody Alinne C!"#o Neri $o%& Rodri'o Rn'el L()ez L*i% +ernndo C%,-ed Alrrán $o%& L*i% •

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Escurrimientos de aguas desde zonas laterales, cuando se carece de elementos interceptores 'fosos, contrafosos, cunetas, etc.(, o ellos se encuentran o"struidos. %lcantarillas o"struidas o que filtran. %scenso de agua por capilaridad. apas su"terr&neas.

Frecuencia de tormentas y escurrimiento

La frecuencia de tormentas se refiere a la posi"ilidad de que una intensidad dada de precipitación pluvial ocurra dentro de un intervalo específico de años. Se determina a partir de datos históricos que indican que se puede esperar una intensidad particular de precipitación pluvial una vez en  años. Se pretende que un sistema de drenaje diseñado para una intensidad de ese tipo sea capaz de soportar una tormenta, escurrimiento o inundación de  años. or ejemplo, una tormenta de - años representa una pro"a"ilidad de / en - de que el sistema de drenaje tendr& que manejar una intensidad de esa magnitud. Esto no significa que cada - años se tendr& una cierta tormenta de esta magnitud. Es posi"le que no se tenga en lo a"soluto una tormenta de ese tipo durante cualquier periodo de - años. Sin em"argo, tam"i#n es posi"le que tengan lugar dos o m&s de esas tormentas en un solo año. %unque las posi"ilidades de que esto suceda son relativamente pequeñas.

Drenaje superficial

La lluvia que cae so"re la superficie de la tierra, una parte escurre inmediatamente reuni#ndose en corrientes de agua0 otra se evapora y el resto se infiltra en el terreno. 1uando el agua de escurrimiento o de infiltración alcanza la carretera, si no se dispone de los elementos necesarios para conducirla o desviarla, puede ocasionar la inundación de la calzada, el de"ilitamiento de la estructura de la carretera y la erosión o el derrum"e de los taludes, con graves perjuicios para el usuario de la vía y para la economía de la nación.


La remoción de las aguas superficiales, ya sea que #stas caigan directamente so"re la plataforma de la vía o so"re las cuencas tri"utarias de las corrientes que de"e cruzar la carretera, se logra a trav#s de las o"ras de drenaje superficial0 la remoción de las aguas su"terr&neas, mediante los su"drenajes. umerosos factores de"en hacerse intervenir en el estudio de los drenajes de una carretera) la 2opografía, la 3idrología y la 4eología de la zona0 variadas ramas de la ingeniería participan en la solución del pro"lema) la estadística, la hidr&ulica, el diseño estructural, etc. 5e"ido a las diferencias en las características topogr&ficas, hidrológicas y geológicas, los m#todos de diseño de los drenajes y los coeficientes que se utilizan en las fórmulas pueden variar mucho de un sitio a otro. La función de os drenajes superficiales de una carretera es la de proveer las facilidades necesarias para el paso de aguas de un lado a otro de la vía, y para el drenaje de las aguas que caen directamente encima de la plataforma y de otras &reas que desag6en en ella. En el orden enunciado, esta función es cumplida por las alcantarillas, los puentes, por las zanjas, cunetas y desag6es pluviales. 7na alcantarilla es un conducto que lleva agua a trav#s de un terrapl#n. Es un paso a nivel para el agua y el tr&fico que pasa so"re ella. % diferencia con la plataforma de los puentes, la parte superior de las alcantarillas, generalmente no forma parte del pavimento de la carretera. Los estudios previos al diseño de las alcantarillas se pueden dividir en los siguientes grupos) /. Estudios 3idrológicos. -. Estudios 2opogr&ficos. 8. Estudios 3idr&ulicos. Características del flujo en las alcantarillas.

El proyectista de las alcantarillas de una carretera precisa conocer la mec&nica "&sica del flujo en el conducto, pues ella permite esta"lecer las ecuaciones que relacionan la altura de agua a la entrada con el gasto y las dimensiones de la alcantarilla.


El escurrimiento a trav#s de una alcantarilla generalmente queda regulado por los siguientes factores) pendiente del lecho de la corriente aguas arri"a y aguas a"ajo del lugar, pendiente del fondo de la alcantarilla, altura de em"alse permitida a la entrada, tipo de entrada, rugosidad de las paredes de la alcantarilla, y altura del remanso a la salida. 2odos estos factores se com"inan para determinar las características del flujo a trav#s de la alcantarilla. Bocas de alcantarillas

3ay partes de un sistema de drenaje que reci"en el escurrimiento en la rasante y permiten que el agua fluya hacia a"ajo, hacia drenes su"terr&neos para las tormentas. Las "ocas de alcantarillas de"en de poder dejar pasar las inundaciones de diseño, sin atascarse con escom"ros. La entrada a las "ocas de"e de protegerse con una rejilla fijada al ras con la superficie de los canales o franjas centrales, de modo que no representen un riesgo para los vehículos. E$isten varios tipos de "ocas. 7na "oca de caída es una estructura del tipo de caja que se coloca en segmentos del tu"o de un sistema de captación de agua de lluvia y en las cuales esa agua entra desde la parte superior. La mayor parte de las oficinas municipales mantienen normas de diseño y construcción para una amplia variedad de "ocas, pozos de acceso y otras estructuras similares, pero algunas estructuras grandes pueden requerir diseño específico para el sitio. 7na "oca de guarnición consta de una a"ertura vertical en una guarnición, a trav#s de la cual pasa el flujo del canal. 7na "oca de canal es una a"ertura horizontal en el canal que se protege por medio de una o varias rejillas ya trav#s de la cual pasa el flujo de ese canal. 7na "oca com"inada consta de "ocas de canal y de guarnición, con la de canal colocada adelante de la "oca de guarnición. El espaciamiento de las "ocas depende de la cantidad de agua que va a interceptar, la forma de la cuneta o del canal que lleva el agua y de la capacidad hidr&ulica de la propia "oca.


Colectores de agua de lluvia

9stos son tu"os su"terr&neos que reci"en el escurrimiento de una "oca de alcantarilla en la orilla para conducirlo y descargarlo en una masa de agua alejada del camino. % menudo, a los colectores de agua de lluvia se les da las dimensiones para el escurrimiento anticipado y para la capacidad del tu"o determinada a partir de las fórmulas de :anning. En general, los cam"ios en la dirección del colector se hacen en las "ocas, en las cuencas de captación o en los pozos de acceso. Los pozos de acceso de"en de dar acceso para mantenimiento de los colectores, m&s o menos cada ;; ft. 7n sistema de colectores de agua de lluvia para una carretera nueva de"e de conectarse a un sistema e$istente de drenaje, como una corriente o un sistema e$istente de colectores de agua de lluvia. Si un colector de agua de lluvia se va a conectar a una corriente, de"en de investigarse las condiciones corriente a"ajo para adquirir la seguridad de que la vía de agua es adecuada y que el nuevo sistema no tendr& un impacto adverso so"re el am"iente. Si el impacto am"iental no es acepta"le, ser& necesario estudiar mejoras posi"les a las salidas corriente a"ajo para a"sor"er el flujo adicional o para hacer que el esquema de drenaje sea acepta"le, de alguna otra manera, para los funcionarios locales. Canales abiertos

Se pueden usar cunetas laterales para captar el escurrimiento de una carretera u"icada en un corte. Las cunetas pueden ser trapezoidales o con forma de <. La cuneta trapezoidal tiene mayor capacidad para una profundidad dada. Sin em"argo, en la mayor parte de las secciones transversales de carreteras se incluye alguna forma de canal en <, como parte de la configuración geom#trica de esa sección. En la mayor parte de los casos, no resulta económico variar el tamaño de estos canales. 1omo resultado, este tipo de canal en general tiene capacidad para economizar, ya que de"e mantenerse una profundidad normal para drenar las capas de la su""ase del pavimento. 1uando se tienen declives pronunciados, la posi"ilidad de erosión de la cuneta se vuelve una consideración importante. uede limitarse la erosión si se reviste el canal con c#sped, piedra, pavimento "ituminoso o de


concreto, o "ien, colocando pequeñas represas de retención, a intervalos que dependen de la velocidad, del tipo de suelo y de la profundidad de los flujos. Los canales a"iertos se de"en diseñar para evitar el flujo supercrítico. La razón para esto es que el agua que se mueve por un canal a altas velocidades puede generar olas y hacer que esa agua so"resalga de los lados del canal y formar cauces en la salida corriente a"ajo. ara limitar los efectos de la formación de cauces en la salida, se pueden incorporar disipadores de energía en el canal. 7n disipador de energía puede ser un salto que altere la pendiente del canal de pronunciada a suave. 5e modo alternativo, pueden colocarse elementos &speros, como "loques y largueros, en el canal para incrementar la resistencia al flujo y disminuir la pro"a"ilidad de que ocurra el salto hidr&ulico.

Alcantarillas

7na alcantarilla es un conducto cerrado para el paso del escurrimiento de un canal a"ierto hacia otro. 7n ejemplo es un tu"o de metal corrugado de"ajo de una carretera. ara las alcantarillas pequeñas, se pueden usar tamaños comerciales de tu"o de metal corrugado. Sin em"argo, para los flujos m&s grandes, es posi"le que se necesiten un tu"o de caja de concreto o varios tu"os. Si la cimentación de la alcantarilla no es suscepti"le a la erosión, se puede construir un puente so"re la vía de agua 'alcantarilla en puente(. La sección de una alcantarilla que pasa de"ajo de una carretera de"e tener la capacidad para soportar las cargas inducidas por el tr&fico que pasa so"re esa alcantarilla. uesto que los tu"os de metal corrugado son fle$i"les, reci"en ayuda del suelo que las circunda para


sostener las cargas de gravedad. Sin em"argo, las alcantarillas de concreto reforzado tienen que soportar cargas de gravedad sin esa ayuda. 1on frecuencia, se usan m#todos empíricos para seleccionar y especificar las alcantarillas. 1on la utilización de datos tornados de la e$periencia previa, los diseñadores en general seleccionan alcantarillas de tamaño pequeño a partir de normas "asadas en las características del proyecto que se va a construir. o o"stante, las estructuras m&s grandes de arco de concreto y del tipo de caja se diseñan para las cargas específicas de servicio. Las alcantarillas suelen instalarse en un lecho e$istente de canal, ya que esto dar& por resultado una menor cantidad de tra"ajo en la modificación de las condiciones e$istentes de drenaje. Empero, para evitar tramos e$cesivamente largos de alcantarilla, es posi"le que sea necesario volver a u"icar un canal e$istente.


Drenaje subsuperficial o profundo.

El agua que se encuentra en los estratos su"yacentes del suelo de una carretera puede moverse hacia arri"a por acción capilar y puede pasar hacia a"ajo, hacia esos estratos su"yacentes, a trav#s de grietas y de las juntas del pavimento. En cualquiera de los dos casos, el agua puede causar el deterioro del piso del camino y del pavimento. ara prevenir esto, se usa drenaje su"superficial para e$traer el agua de la su"rasante de la carretera y para interceptar el agua su"terr&nea, antes de que fluya hacia esa su"rasante. %un cuando el diseño de los sistemas su"superficiales de drenaje depende de la configuración geom#trica específica, de la topografía y de las condiciones su" superficiales del sitio que se de"e drenar, las instalaciones su"superficiales de drenaje de"en de considerarse como un


componente integral de todo el sistema de drenaje de la carretera, en lugar de tratarse como un componente separado. La falta de implementación de instalaciones su"superficiales que satisfagan las necesidades de drenaje puede conducir a la falla de segmentos importantes de la carretera y a inesta"ilidad de los taludes. Drenes Subterráneos.

Est&n formados por una zanja de profundidad varia"le, en el fondo de la cual se u"icara un tu"o con orificios perforados, juntas a"iertas o material poroso para permitir el paso del agua a trav#s de #l0 dicho tu"o se rodea con de un material permea"le con propiedad filtrantes, compactado adecuadamente. El dren se aísla de las aguas superficiales cu"ri#ndolo en su parte superior con una capa de material impermea"le.

Drenes de intercepcin.

Su o"jetivo es impedir que las corrientes su"terr&neas alcancen las inmediaciones de la carretera, desviando su trayectoria. E$isten dos tipos de drenes de intercepción) %. Longitudinales) =nterceptan la corriente de forma o"licua y la conducen de forma paralela a la vía. Se emplean en zonas de escasa pendiente longitudinal, específicamente en los valles en trinchera o secciones a media ladera. El caudal a desaguar puede determinarse aforando la corriente su"terr&nea.


*. 2ransversales) Este tipo de drenes cruza transversalmente la vía, proporcionando una vía definida de escape a la corriente su"terr&nea. Se emplean en carreteras con pendientes elevadas, donde los anteriores no son capaces de interceptar toda el agua de infiltración. La distancia de separación entre drenes oscila entre -; y - m., siendo muy utilizada la variedad espina de pez, donde los drenes forman un &ngulo de >;? con la calzada. Este tipo de drenes se recomienda en zonas de paso de desmonta a terrapl#n, con independencia de la pendiente longitudinal. orma @12A@1%A@/@;8@;;BC;;

Drenes de control de nivel freático.

Este tipo de drenes longitudinales no tienen otro cometido m&s que mantener a suficiente profundidad el nivel fre&tico del terreno, de manera que no afecte a las características de la e$planada y las capas que conforman el firme. El nivel fre&tico de"e mantenerse entre / y /.; m. por de"ajo del nivel de la carretera, seg!n la naturaleza del suelo. ara ello, el fondo de las zanjas drenantes de"er& situarse a una profundidad comprendida entre los /.-; y /.D; m. "ajo el nivel de la carretera. Los drenes se dispondr&n como mínimo a una distancia de ;.; m. del "orde e$terior y en secciones en desmonte lo har&n entre dicho límite ya la cuneta de pie de desmonte.

!eodrenes.

Los 4eodrenes son geocompuestos para su"drenaje prefa"ricados, consistentes en un panel o n!cleo termoformado de poliestireno de alto impacto en forma de conos o c!spides, forrado por un geote$til de polipropileno no tejido, punzonado, como medio filtrante. El panel o n!cleo tiene una so"resaliente resistencia a la compresión, permitiendo un gran flujo de agua a trav#s del &rea hidr&ulica que se crea por su forma de


conos o c!spides. El geote$til permite al agua del terreno permear hacia el interior del geodren, mientras que previene la tu"ificación, evitando que los sólidos del suelo adyacente pasen al interior del geodren. unciones •

Separación

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Aefuerzo

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iltración

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5renaje

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1ontención

&cil de instalar.

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rovee de una e$celente capacidad drenante.

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5isminuye el ancho de las zanjas requeridas, reduciendo la cantidad de material a e$cavar y el tiempo de e$cavación.

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Elimina el costo de usar agregados p#treos "ien graduados.

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El costo es menos de la mitad del tu"o y el agregado p#treo.

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Larga vida !til sin ning!n mantenimiento.

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=ncrementa la vida !til de los caminos, &reas de estacionamiento y pistas aereas.


/ilio'r0 /-(n /láz2*ez  L. 4 /e5iá Gr"  $. +. 67888. Manual de Carreteras. Or,iz e Hi:o% Con,r,i%, de Or% S.A. Cr"ien,e $. Gr" /r5o G. 4 Serrno P&re% ;. 619<1. Drenaje de Carreteras. =enez*el> Edi"ione% =e' %.r.l. S. Merri,, +. ?en, Lo0,in M. 4 T. Ri"@e,,%  $. 61997. Manual del Ingeniero Civil 6, Edi"i(n ed. =ol. 7. M"GrB Hill.

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