Introducción
“De la lluvia que cae sobre la superficie de la tierra, una
parte escurre
inmediatamente, reuniéndose en corrientes de agua; otra se evapora y el resto se infiltra en el terreno. Cuando el agua de escurrimiento 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 debilitamiento de la estructura de la carretera y la erosión o el derrumbe de los taludes, con graves perjuicios para el usuario de la vía.” Para contrarrestar estos problemas se recurre a la construcción de obras de drenaje con el objetivo primordial de que los drenajes en primer lugar, reduzcan lo mas que sea posible la cantidad de agua que llega al camino, y en segundo lugar dar salida rápida al agua, cuyo acceso a la carretera sea inevitable. i nevitable.
Una parte parte importante de la hidrología hidrología es la relación relación y análisis análisis de datos, la disposición de datos básicos adecuados es esencial en todas las ciencias y la hidrología no es la excepción.
Objetivos
Objetivo general
Estudio de los principios hidrológicos y hidráulicos aplicados al estudio de drenajes en carreteras.
Objetivos específicos
Investigar los principios hidráulicos y hidrológicos aplicados en la construcción de drenajes en carreteras Estudio de la aplicación de drenajes que se utilizan en vialidades Analizar los parámetros importantes de la hidrología basados en la ejecución de drenajes en carreteras
PRINCIPIOS DE HIDROLOGIA APLICADA AL ESTUDIO DEL DRENAJE DE CARRETERAS. “La hidrología es la ciencia que trata del origen, distribución y
propiedades de las aguas terrestres. Los aspectos hidrológicos que se deben destacar en un estudio de drenajes son la precipitación y el escurrimiento de las aguas por encima y por debajo de la superficie terrestre”. El Estudio Hidrológico es importante para el diseño de una
carretera, ya que proporciona los datos necesarios, los cuales sirven para captar, conducir y alejar de la carretera el agua que pueda causar problemas inmediatos ó posteriores. La precipitación es la caída del agua, en forma líquida, sobre la superficie de la tierra; para efectos de diseño se analizan los datos de precipitación registrados por una estación pluviografica más cercana.
El segundo de los acontecimientos del ciclo hidrológico que interesa destacar en los estudios de drenaje vial, es el comprendido entre el momento en que la lluvia cae sobre la tierra y el instante en que el agua de escurrimiento pasa por un determinado punto del cauce.
CLASIFICACION DEL DRENAJE “El drenaje artificial se clasifica en superficial y subterráneo
dependiendo si el agua escurre o no por la superficie terrestre. El drenaje superficial puede considerarse longitudinal o transversal, según la posición que las obras guarden con respecto al eje del camino. El drenaje longitudinal capta los escurrimientos para evitar que lleguen al camino o permanezcan en el, se llama longitudinal porque se sitúa paralelo al eje del camino”.
De este tipo de drenaje son las cunetas, contra cunetas, canales de Encauzamiento, etc. El drenaje transversal da paso al agua que cruza de un lado al otro del camino o la retira lo más rápido posible de la corona; ejemplo de estos drenajes son las alcantarillas de tubo, bóvedas, losas, puentes y el bombeo del camino. De acuerdo con las
dimensiones del claro de las obras de drenaje transversal, se divide en drenaje mayor y drenaje menor; el drenaje mayor requiere de obras con un claro superior a 6 mt, a las obras de drenaje mayor se les llama puente y las de drenaje menor alcantarillas.
DRENAJE DE LA CALZADA Y DE LOS LATERALES DE LA VIA El agua que cae sobre una calzada escurre superficialmente sobre ella, y como consecuencia de la pendiente, del bombeo o del peralte, fluye longitudinal o Transversalmente. En el drenaje de carreteras, los canales son utilizados como zanjas laterales y de coronación, caídas y torrenteras, cunetas y alcantarillas que trabajan parcialmente llenas. Las zanjas laterales son canales que se construyen adyacentes a la vía, en los tramos de corte, para remover las aguas que caen sobre la calzada y sobre los taludes. El diseño de los canales es a la vez un problema hidrológico e hidráulico: hay que determinar la cantidad de agua que llegara al canal y las dimensiones de la estructura adecuada para conducirla. Además debe ser económico de construir, requerir poco mantenimiento, no constituir un peligro para los vehículos que se salen accidentalmente de la vía y ser estéticamente agradable.
DISEÑO HIDRÁULICO “El Diseño Hidráulico de una obra consiste en calcular el área
necesaria para poder dar paso al volumen de agua que se concentrara a la entrada de dicha obra; para realizarlo se requieren previos estudios de precipitaciones pluviales, cálculo exacto de áreas, calculo de pendientes del terreno y estudios de la formación geológica de la cuenca”.
El Estudio Hidráulico sirve para diseñar los elementos hidráulicos de la carretera Que servirán para la evacuación de la escorrentía superficial y predecir el posible impacto, aguas abajo en los puntos de descarga y así poder realizar las obras de mitigación de riesgo necesario (muros, bóvedas, etc. En la Hidráulica de los canales abiertos se deben distinguir los siguientes Elementos Geométricos de las secciones de un canal:
Área o Superficie mojada: Es la sección transversal de la corriente de agua que conduce el canal. Perímetro Mojado: Es la longitud de la línea de intersección del plano de la sección transversal con la superficie mojada del canal. Radio Hidráulico: Es la relación entre el área y el perímetro mojado. Profundidad Hidráulica: Es la relación entre el área y la superficie libre. Factor de Sección: Es el producto del área por la raíz cuadrada de la profundidad hidráulica.
DISEÑO DE CANALES PARA EL DRENAJE DE CARRETERAS Como ya se ha indicado, los canales constituyen los elementos de captación y conducción de las aguas superficiales que caen sobre la calzada y sus laterales. El conjunto de canales de drenaje que se implanta sobre una carretera constituye un sistema cuyo proyecto abarca tres fases:
El establecimiento del sistema. La determinación de los caudales de agua que llegan a los canales. El diseño de los canales.
El, establecimiento de un sistema de canales de una vía se realiza, preferiblemente, sobre los planos topográficos del trazado o del proyecto. Al trazar el sistema, se debe atender a que los alineamientos de canales sean lo más recto posible y, a que los cambios de dirección se efectúen gradualmente; la longitud no debe ser mayor de 250 m, si sobrepasa esa longitud debe construirse una obra de alivio. Los canales deben quedar dentro del derecho de vía, a fin de evitar posibles problemas legales.
El siguiente paso en el proyecto es la determinación de los caudales de agua afluente, los cuales, generalmente se estiman en diversos puntos a lo largo del canal. Los puntos seleccionados deben incluir toda sección inmediatamente anterior a quiebres bruscos de pendiente y los puntos donde entran flujos concentrados, tal como sucede en un canal que recibe el aporte de otro. Las lluvias pueden estimarse para frecuencias de cinco, diez o quince años, según sea la importancia de la vía, la situación del canal y las facilidades de conservación y mantenimiento. La selección de la frecuencia para el diseño es de primordial importancia, ya que tanto el sobre diseño como el subdiseño representan un exceso de costo a largo plazo. Para el diseño de canales de drenaje en vías rurales, no se requiere una gran precisión en la determinación del tiempo de concentración. Como valor mínimo del tiempo de concentración se recomienda 5 minutos. Una vez determinada la descarga de diseño, se procede al diseño propiamente del canal. Un canal bien proyectado debe trasportar el agua sin producir erosión ni constituir un riesgo para la circulación de los vehículos.
Los canales laterales, que se proyectan conjuntamente con la sección transversal típica, deben ser tratados con el cuidado necesario, tanto en la escogencia del tipo como en sus dimensiones. La capacidad de un canal puede aumentarse incrementando la pendiente longitudinal, el ancho del fondo o la profundidad, y disminuyendo la resistencia del canal mediante el uso de revestimiento.
DISEÑO DE CANALES PARA FLUJO UNIFORME En general, un canal debe ser diseñado para la máxima eficiencia hidráulica, aunque adaptada a la practicabilidad. En consecuencia, el método de diseño a aplicar variará, según se trate de canales no revestidos o revestidos, aunque, de una manera general, cualquiera sea el método deberá cubrir las siguientes partes: 1. Determinación de la sección adecuada para la descarga de diseño y la
Pendiente existente. 2. Determinación de la protección contra la erosión cuando la velocidad del Agua en el canal sea mayor que la velocidad máxima permisible.
DISEÑO DE LOS CANALES REVESTIDOS
En los canales revestidos, la velocidad no constituye un problema de erosión. En estos canales no erosionables, el diseño se reduce a determinar la sección del canal mediante la fórmula del flujo uniforme y establecer las dimensiones más convenientes de acuerdo a la eficiencia hidráulica y la economía de la obra.
Los factores que deben tomarse en cuenta en el diseño son: el tipo de recubrimiento, el cual determinara el coeficiente de rugosidad; la velocidad mínima permisible, para evitar la sedimentación de los arrastres; la pendiente longitudinal del canal; la forma de la sección; el borde libre y la eficiencia de la sección hidráulicamente determinada.
DRENAJE TRANSVERSAL DE CARRETERAS. Unas de las funciones de los drenajes de una carretera es la de proveer las facilidades necesarias para dar paso a las aguas, de un lado a otro del cuerpo de la vía, función que es cumplida, generalmente, por las alcantarillas y los puentes, estructuras que reciben el nombre de Drenajes Transversales. Las alcantarillas continúan o sustituyen a una zanja cuando la corriente de agua encuentra una barrera artificial como el terraplén de una carretera. Los puentes son estructuras que permiten el paso de corrientes más caudalosas que escurren por una quebrada, arroyo o un río.
Hidráulicamente las alcantarillas se definen como conductos cerrados, ya que pueden operar con la línea de carga de la corriente de agua por encima de su corona y, por consiguiente trabajar a presión. Una alcantarilla que no trabaje a plena carga opera de la misma manera que un canal abierto. Las alcantarillas pueden ser construidas de diversas formas: redondas, ovaladas o abovedadas, cuadradas y rectangulares; y están hechas de distintos materiales, concreto reforzado o sin reforzar, metal liso o corrugado, etc.
Objetivos del drenaje sub superficial El objetivo general del drenaje sub superficial de una carretera es la eliminación del agua del suelo o infiltrada que la puedan afectar, con el fin de garantizar la estabilidad de la plataforma, la de la estructura del pavimento y la de los taludes de la carretera. Los objetivos específicos se pueden resumir en:
Facilitar la ejecución de las explanaciones durante la fase de construcción de la carretera, pues el adecuado drenaje permite la circulación y el trabajo de las máquinas y favorece la posibilidad de utilización de los suelos excavados en la construcción de terraplenes. Impedir la saturación de la subrasante y de las capas del pavimento, aumentando la capacidad portante de aquélla, mejorando su capacidad de respuesta y reduciendo el espesor requerido de pavimento. Contribuir en la estabilidad de los taludes mediante la orientación favorable de los flujos de agua subterránea, la reducción de las presiones intersticiales y, consecuentemente, el mejoramiento de sus propiedades geotécnicas.
Principios generales del drenaje sub superficial
Con el fin de evitar los problemas que genera el agua subterránea o infiltrada en una carretera, es necesario proyectar sistemas específicos de drenaje sub superficial, partiendo de los siguientes principios básicos:
En relación con el pavimento, se debe facilitar la evacuación del agua que, por deficiencias o limitaciones en la red de drenaje superficial o por la presencia de fisuras o juntas en la superficie del pavimento, se infiltre en él. En relación con las explanaciones, se deberán derivar las fuentes de agua que aparezcan durante la construcción o durante la operación de la carretera. Además, se deberá abatir el nivel freático. Esta labor se efectúa normalmente durante la etapa de construcción para facilitar la ejecución de las explanaciones o para reducir el espesor necesario de pavimento;
No obstante, el abatimiento se debe realizar también durante la fase de operación de la carretera para estabilizar los taludes y aumentar la capacidad portante de la sub rasante.
Funciones básica del drenaje sub superficial
Los sistemas de drenaje sub superficial deben cumplir las siguientes funciones básicas para minimizar los impactos del agua interna en los proyectos viales: Abatir el nivel freático en el área de la carretera, en los taludes de los cortes y los rellenos y en las fundaciones de los terraplenes y de las estructuras viales. Interceptar las filtraciones subterráneas afloramientos de agua en el pavimento.
para
impedir
Drenar el agua superficial que se infiltre en el pavimento y en las estructuras de contención. Colectar las descargas de los diferentes sistemas de drenaje sub superficial
Tipos y usos del drenaje subsuperficial de carreteras Desde el punto de vista funcional, los elementos del sistema de drenaje subsuperficial se puede clasificar en dos categorías: (i) los que controlan la infiltración y (ii) los que controlan el agua subterránea. Los primeros se diseñan y construyen para interceptar y remover el agua que ingresa en la corona debido a la precipitación o al flujo superficial, en tanto que los segundos tiene como propósito abatir el nivel freático y reducir el movimiento de agua en las subrasantes y las capas del pavimento. La manera más común de identificar los elementos del sistema de subdrenaje es en términos de su localización y su geometría. Las clasificaciones familiares de este tipo incluyen: drenes longitudinales, drenes transversales, drenes horizontales, capas permeables, sistemas de pozos y otros más elaborados.
Drenes longitudinales Como lo indica su nombre, un dren longitudinal se coloca en una dirección esencialmente paralela al eje de la carretera tanto horizontal como verticalmente. Está constituido por una zanja de cierta profundidad, un filtro protector de alguna clase y, eventualmente, un tubo colector. El grado de
Drenaje Subsuperficial Sofisticación empleado en el diseño de estos drenes dependerá de la fuente de agua que deba ser drenada y de la manera como se espera que ellos funcionen. Cuando se instalan para contribuir específicamente en la evacuación del agua que se infiltra en el pavimento, se llaman drenes laterales de base o drenes colectores longitudinales (ver Figura 5.2). Cuando se usan para cortar la filtración en taludes o abatir el nivel freático se conocen como drenes interceptores longitudinales o, simplemente, como drenes longitudinales (ver Figura 5.3).
Figura 5.2. - Esquema de dren colector longitudinal
Figura 5.3. - Esquema de dren interceptor longitudinal usado para cortar la filtración y abatir el nivel freático Algunas veces se pueden combinar eficientemente sistemas de drenes longitudinales de diferentes tipos. Un ejemplo de tal aplicación se presenta en la Figura 5.4,donde se aprecia una instalación múltiple de drenes en una sección peraltada de una vía de doble calzada que atraviesa una zona de corte en cajón. Con el fin de interceptar el flujo y abatir el nivel freático bajo corte de la izquierda, se instaló un par de drenes longitudinales relativamente profundos. Como se ve en la figura, el dren colocado bajo la cuneta de la calzada izquierda sirve también para drenar cualquier agua de infiltración que pueda ingresar en la estructura del pavimento de esa calzada. El dren colector longitudinal colocado al lado izquierdo de la calzada derecha capta exclusivamente las aguas infiltradas en dicha calzada.
Figura 5.4. Ejemplo de empleo simultáneo de drenes longitudinales Cuando la sección vial es muy ancha y el nivel freático muy alto, puede ser necesario colocar un sistema múltiple de drenes longitudinales con el fin de evitar que el flujo de agua subterránea sature la subrasante y el pavimento, al menos en parte de su ancho (ver Figura 5.5). Es posible encontrar geometrías viales aun más complicadas que exigen configuraciones de subdrenaje más elaboradas, en especial en vecindades de las intersecciones.
Figura 5.5. Instalación múltiple para abatimiento de nivel freático
Conclusión
La función de los 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, para la remoción de las aguas que caen directamente encima de la plataforma y de otras áreas que desagüen en ella. Numerosos factores deben hacerse intervenir en el estudio de los drenajes de una carretera: la topografía, la hidrología y la geología de la zona, variadas ramas de la ingeniería participan en la solución del problema: La Hidráulica el Diseño Estructural del Pavimento, etc.
Republica Bolivariana de Venezuela Instituto Universitario Politécnico Santiago Mariño Sede: Barcelona Ingeniería Civil Materia: Vías II
Profesor: Antonio Yriarte Bachiller: Samuel Castellano CI: 19675566 Fecha de Entrega Jueves 26/01/12
BIBLIOGRAFIA Diseño de drenajes. Manual online pdf.http://www.mopt.go.cr/planificacion/centrodeinformacion/Dise%C3 %B1o-hidrologico-hidraulico.pdf Diseño de drenajes viales. Sitio web. http://www.revistaconstruir.com/instalaciones/tecnologia-del-agua/16los-drenajes-en-obras-viales
