Tipos de Flujo en Alcantarillas

Contenido 1.

INTRODUCCION..................................................................................................................... 2

2.

OBJETIVOS .............................................................................................................................. 2

3.

ASPECTOS GENERALES ...................................................................................................... 2

4.

3.1.

Ubicación en planta ........................................................................................................... 2

3.2.

Tipo y sección de Alcantarillas ......................................................................................... 3

3.3.

Borde libre ......................................................................................................................... 4

3.4.

Pendiente. ........................................................................................................................... 5

3.6.

Protección al ingreso y salida de las alcantarillas con empedrado (rip-rap). .............. 6

TIPOS DE FLUJO EN ALCANTARILLAS .......................................................................... 7 4.1.

CLASIFICACIÓN DE LOS TIPOS DE FLUJO EN ALCANTARILLAS ................. 9

4.2.

ALCANTARILLA TIPO 1. ............................................................................................ 10

4.3.


4.4.


4.5.


4.6.


4.7.


4.8.

CARACTERÍSTICAS DEL FLUJO EN ALCANTARILLAS ................................... 13

4.9.

Diagrama de flujo para determinar el tipo de flujo de la alcantarilla ....................... 14

1. INTRODUCCION Una alcantarilla es un conducto relativamente corto a través del cual se cruza el agua bajo la vía de un costado a otro. Incluye, por lo tanto, conductos con cualquier sección geométrica: circulares y alcantarillas de cajón principalmente. El diseño de la alcantarilla consiste en determinar el diámetro más económico que permita pasar el caudal de diseño sin exceder la carga máxima a la entrada, atendiendo también criterios de arrastre de sedimentos y de facilidad de mantenimiento. 2. OBJETIVOS  

Determinar el tipo de flujo en un alcantarilla Usar adecuadamente el diagrama de flujo de Tipos de Alcantarillas.

3. ASPECTOS GENERALES Se define como alcantarilla a la estructura cuya luz sea menor a 6.0 m y su función es evacuar el flujo superficial proveniente de cursos naturales o artificiales que interceptan la carretera. La densidad de alcantarillas en un proyecto vial influye directamente en los costos de construcción y de mantenimiento, por ello, es muy importante tener en cuenta la adecuada elección de su ubicación, alineamiento y pendiente, a fin de garantizar el paso libre del flujo que intercepta la carretera, sin que afecte su estabilidad. La ubicación óptima de las alcantarillas depende de su alineamiento y pendiente, la cual se logra proyectando dicha estructura siguiendo la alineación y pendiente del cauce natural. Sin embargo, se debe tomar en cuenta que el incremento y disminución de la pendiente influye en la variación de la velocidad de flujo, que a su vez incide en la capacidad de transporte de materiales en suspensión y arrastre de fondo. 3.1. Ubicación en planta La ubicación en planta ideal es la que sigue la dirección de la corriente, sin embargo, según requerimiento del Proyecto la ubicación natural puede desplazarse, lo cual implica el acondicionamiento del cauce, a la entrada y salida con la construcción de obras de encauzamiento u otras obras complementarias.

3.2. Tipo y sección de Alcantarillas Los tipos de alcantarillas comúnmente utilizadas en proyectos de carreteras en nuestro país son; marco de concreto, tuberías metálicas corrugadas, tuberías de concreto y tuberías de polietileno de alta densidad. En carreteras de alto volumen de tránsito y por necesidad de limpieza y mantenimiento de las alcantarillas, se adoptará una sección mínima circular de 0.90 m (36”) de diámetro o su equivalente de otra sección, salvo en cruces de canales de riego donde se adoptarán secciones de acuerdo a cada diseño particular. Se deberá verificar que la velocidad mínima del flujo dentro del conducto no produzca sedimentación que pueda incidir en una reducción de su capacidad hidráulica, recomendándose que la velocidad mínima sea igual a 0.25 m/s. Existen tres tipos de alcantarilla: TIPO I : Con una caja de entrada y un cabezal de salida con las respectivas entradas de cuneta en la caja de forma triangular; se construirá este tipo de alcantarilla para la evacuación de agua de cunetas y para pasar el flujo de un lado a otro de la vía. TIPO II: Con cabezales de entrada y salida; se construirá este tipo de alcantarilla para la evacuación de agua de quebradas o manantiales. TIPO III : Con una caja de entrada y dos cabezales uno de entrada y otro de salida; se construirá este tipo de alcantarilla para la evacuación de agua de cunetas, para pasar el flujo de un lado a otro de la vía (cambio de lado de cuneta), y para evacuar el agua de quebradas que atraviesan la vía. El término alcantarilla también se referirá al término aliviadero con la finalidad de generalizar los conceptos de hidráulica de alcantarillas. Se deben notar las siguientes características: La sección del canal de llegada suele definirse a un ancho de la alcantarilla aguas arriba de la entrada de ésta; la pérdida de energía en la vecindad de la entrada de la alcantarilla está relacionada con la contracción brusca del flujo que entra a la alcantarilla y la subsecuente expansión brusca del flujo dentro del barril de la alcantarilla. La geometría de la entrada de la alcantarilla puede tener gran influencia en la pérdida de entrada. El gasto de la alcantarilla se determina aplicando las ecuaciones de continuidad y de energía entre las secciones de llegada y una sección aguas abajo que normalmente se encuentra dentro de la alcantarilla, aunque la sección de aguas abajo depende del tipo de flujo dentro de la alcantarilla.

3.3. Borde libre El borde libre en alcantarillas es un parámetro muy importante a tomar en cuenta durante su diseño hidráulico, por ello, las alcantarillas no deben ser diseñadas para trabajar a sección llena, ya que esto incrementa su riesgo de obstrucción, afectando su capacidad hidráulica. Se recomienda que el diseño hidráulico considere como mínimo el 25 % de la altura, diámetro o flecha de la estructura.

Para propósitos prácticos, el flujo a través de una alcantarilla puede clasificarse en seis tipos, como se muestra a continuación:  Salida Sumergida…………………………………………………………Tipo 4  Salida No Sumergida  Profundidad a la entrada mayor que el valor critico a) Alcantarilla hidráulicamente larga……….Tipo 6 b) Alcantarilla hidráulicamente corta……….Tipo 5  Profundidad a la entrada menor que el valor critico c) Profundidad de salida mayor que la profundidad critica………………………………………..Tipo 1 d) Profundidad de salida menor que la profundidad critica  Pendiente subcritica ……..Tipo 2  Pendiente supercrítica …..Tipo 3

Para el flujo tipo 5, la alcantarilla actúa como un orificio. El coeficiente de descarga varía aproximadamente desde 0.45 a 0.75. Para el flujo de tipo a, 2 y 3 la entrada no está sellada por el agua y la alcantarilla actúa como un vertedero. El coeficiente de descarga varia aproximadamente desde 0.75 a 0.95, dependiendo de la geometría de la entrada y de la condición de aguas arriba.

3.4. Pendiente. Se recomienda un declive de 1 a 2% para que resulte una pendiente igual o mayor que la crítica, hasta que ésta no sea perjudicial. 3.5. Longitud de las alcantarillas.

Cálculo de la longitud de una alcantarilla con pendiente suave.

Cálculo de la longitud de una alcantarilla con pendiente fuerte.

3.6. Protección al ingreso y salida de las alcantarillas con empedrado (rip-rap). Tipo 1: grava gruesa de 6” (15cm). Tipo 2: grava gruesa de 12” (30cm). Tipo 3: piedra de 12”sobre capa de 6” de arena-grava. Tipo 4: piedra de 18” sobre capa de 6” de arena-grava.

4. TIPOS DE FLUJO EN ALCANTARILLAS Según sean las relaciones entre los niveles en las secciones aguas arriba y aguas abajo de la alcantarilla, con los parámetros característicos de ésta (longitud, diámetro, rugosidad, pendiente, etc) se distinguen seis tipos diferentes de flujo en alcantarillas. El caudal circulante por la alcantarilla siempre resulta de la aplicación de un balance de energía entre las secciones que funcionan como controles, dado que allí se pueden conocer todas las características del flujo. En el balance de energía se consideran pérdidas por fricción en la llegada a la alcantarilla, pérdidas localizadas en la entrada y pérdidas distribuidas por fricción a lo largo de la alcantarilla.

Gráfico: Definición esquemática del flujo de alcantarillas Donde: D :

Dimensión vertical máxima de la alcantarilla

Y1 :

Tirante en la sección de llegada

Yc :

Tirante crítico

Z :

Elevación de la entrada de la alcantarilla relativa a la salida.

Y4 :

Tirante aguas abajo de la alcantarilla

So :

Pendiente del terreno.

Sc :

Pendiente crítica

Tirante Crítico (Yc) Yc = (1.01 / D 0.26) (Q2 / g) 0.25

…….. (1)

Pendiente Crítica (Sc) Sc = (n Q h / A R h2 / 3) 2

…….. (2)

Donde: n

:

Coeficiente de Manning

Qh :

Caudal hidrológico

Rh :

Radio hidráulico

A

Área para el tirante crítico Yc.

:

Área para el Tirante Crítico (A) A = 1/8 (- Sen)D2…….. (3) Donde: 

: rad Sen  : grad D

:m Gráfico: Tirante crítico

El gasto de una alcantarilla se determina aplicando las ecuaciones de continuidad y de energía entre las secciones de llegada y una sección aguas abajo que normalmente se encuentran dentro del barril de la alcantarilla. La ubicación de la sección aguas abajo depende del tipo de flujo dentro de la alcantarilla.

En el siguiente cuadro se presentan las ecuaciones de gasto para los diferentes tipos de alcantarillas: 4.1. CLASIFICACIÓN DE LOS TIPOS DE FLUJO EN ALCANTARILLAS

FUENTE: Hidráulica de Canales Abiertos, Richard H. French. Pág. 374. Donde: CD :

Coeficiente de gasto

Ac :

Área de flujo para un tirante crítico 0

U1 :

Velocidad media en la sección de llegada

4.2. ALCANTARILLA TIPO 1. Si se cumple que:

Tienen condiciones de flujo a superficie libre en la alcantarilla. La alcantarilla funciona como un canal de pendiente fuerte en régimen supercrítico y por tanto se tendrá tirante crítico en la sección de entrada (2).


Se tienen condiciones de flujo a superficie libre en la alcantarilla. La alcantarilla funciona como un canal de pendiente suave en régimen subcrítico con caída libre en la salida, por lo que se tendrá tirante crítico en la sección de salida (3).

4.4. ALCANTARILLA TIPO 3. Si se cumple que: se tienen condiciones de flujo a superficie libre en la alcantarilla. La alcantarilla funciona en régimen subcrítico pero, a diferencia de los tipos de flujo anteriores sin alcanzar el tirante crítico en ninguna sección. El caudal circulante puede calcularse a través de la expresión:

4.5. ALCANTARILLA TIPO 4. Si se cumple que: La alcantarilla funciona como una tubería con entrada y salida ahogadas. . El caudal circulante puede calcularse a través de la expresión:


Se está las mismas condiciones del caso anterior, sin embargo puede darse que la alcantarilla funcione como un orificio. Este es el caso denominado Alcantarilla Hidráulicamente Corta El caudal circulante puede calcularse como si de un orificio se tratara a través de la expresión:


La alcantarilla funciona como una tubería con entrada ahogada y salida con flujo lleno. Este es el caso denominado Alcantarilla Hidráulicamente Larga El caudal circulante puede calcularse a través de la expresión:

4.8. CARACTERÍSTICAS DEL FLUJO EN ALCANTARILLAS

Tipo De Flujo

Flujo en el Barril de la Alcantarilla

Ubicación de la Seccion Aguas Abajo

Tipo de Control

1

Parcialmente lleno

Entrada

Tirante Crítico

Supercrítica

< 1.5

< 1.0

<= 1.0

2

Parcialmente lleno

Salida

Tirante Crítico

Subcrítica

< 1.5

< 1.0

<= 1.0

3

Parcialmente lleno

Salida

Remanso

Subcrítica

<1.5

> 1.0

<= 1.0

4

Lleno

Salida

Remanso

Cualquiera

>1.0

….

< 1.0

5

Parcialmente lleno

Entrada

Geometría de entrada

Cualquiera



….

<= 1.0

Salida

Geometría de entrada y del barril

Cualquiera



….

<= 1.0

6

Lleno

FUENTE: Hidráulica de Canales Abiertos, Richard H. French. Pág. 373.

Pendiente de Y1/D Y4/Yc la alcantarilla

Y4/D

4.9. Diagrama de flujo para determinar el tipo de flujo de la alcantarilla

TIPO DE FLUJO EN ALCANTARILLAS OBRA.ARTE Nº ALC. 01 ALC. 02 ALC. 03 ALC. 04 ALC. 05

PROGRESIVA 25+173 25+450 25+740 26+0.20 26+130

Q Diseño (m3/s) 2.09 0.23 0.30 0.61 1.05

Y1= V= Q= A=

𝑦1 = 𝐷 + 1.5 𝑦𝑐 =

D+1.5V²/(2g) Q/A Caudal Area

𝑉2 2𝑔

1.01 𝑄 2 0.25 ∗[ ] 𝐷 0.26 𝑔

2 𝑦4 = 𝐷 3

Longitud (m) 6.00 8.91 8.10 11.34 11.34

Pendiente So 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02

(") 36 36 36 36 36

Ø (m) 0.914 0.914 0.914 0.914 0.914

Coef. Rug. n 0.024 0.024 0.024 0.024 0.024

Y1 Y4 Yc Y1/D Yc/D Y4/Yc (m) (m) (m) 1.69 1.85 0.61 0.84 0.92 0.72 0.92 1.01 0.61 0.28 0.30 2.19 0.93 1.02 0.61 0.32 0.35 1.91 0.98 1.07 0.61 0.46 0.50 1.34 1.11 1.21 0.61 0.60 0.65 1.02

Y4/D 0.67 0.67 0.67 0.67 0.67

TIPO FLUJO 5o6 3 3 3 3

Tipos de Flujo en Alcantarillas

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