INSTITUTO TECNOLOGICO DE CERRO AZUL
TECNOLOGICO NACIONAL DE MEXICO
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CERRO AZUL CATEDRATICO
CARRERA INGENIERIA CIVIL
SEMESTRE 3°
UNIDAD Y NOMBRE 3° OBRAS DE DRENAJE
SUBTEMAS 3.1-DRENAJE NATURAL 3.2-DRENAJE ARTIFICIAL 3.3-SISTEMAS DE DRENAJE EN CARRETERAS 3.4- CREITERIOS GENERALES PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE DRENAJE 3.5-SOFTWARE DE APLICACIÓN
INTEGRANTES DE EQUIPO MORENO RIVERA ISAI SANTOS ERON ABDIEL MENDO!A CRU! ANGEL FIDENCIO
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INTRODUCCIÓN Debido a los modernos medios de transporte, el desarrollo del mundo ha evolucionado por lo cual a diario se presentan nuevos retos para el ingeniero de este siglo. El ingeniero civil actual se ve en la necesidad de dar una solución que este a la par de todo este fenómeno de la modernización Es muy importante ponerse a pensar en lo indispensable que son para el ser humano los medios de transporte y como éstos han evolucionado con el paso del tiempo. Uno de esos medios es el automóvil. Los primeros automóviles llegaron a é!ico en "#$$ lo que creo la necesidad de desarrollar un nuevo sistema de caminos. %l principio, los automóviles eran considerados como un ob&eto e!clusivo de la burgues'a me!icana. (in embargo, los automóviles con el paso del tiempo pasaron a ser algo com)n e indispensable para toda la sociedad. Esto hizo que el gobierno me!icano tomara cartas en el asunto *omo bien es sabido, los caminos o carreteras sirven para unir una comunidad con otra y de esta manera mantener comunicación entre ellas. Los caminos son considerados vitales en el crecimiento y avance de un pa's, es precisamente aqu', en estos aspectos, donde se refle&a este avance indispensable y necesario para el comercio y turismo de un pa's, con e!celentes v'as de comunicación. +oy en d'a, é!ico cuenta con una red carretera de ms -$,$$$ /m, de las cuales el --.01 son pavimentadas y el 22.01 no lo son. De la red pavimentada, el #"1 comprende carreteras de dos carriles y el resto son de cuatro carriles o ms. En su &urisdicción, el "-.31 de la red es federal, el 4.1 es estatal, el 0.51 son caminos rurales y el "0.#1 son brechas me&oradas. Es por esta razón que el dise6o y construcción de un sistema de drena&e superficial requiere la realización de estudios del clima, suelo e hidrolog'a. Los ob&etivos principales del drena&e son la preservación de la carretera, ya que ésta &uega un papel social y económico. La prevención del impacto negativo al ambiente es de igual manera una de las metas del sistema de drena&e. El dise6o y construcción de drena&es subterrneos requiere estudios geológicos especializados. El concepto bsico para el dise6o del drena&e subterrneo consiste en remover el agua del terreno para interceptarla con un material ms poroso que el suelo srcinal. Es muy importante estudiar el impacto que este tipo de obras tienen en el entorno cercano a dichos caminos. 7a que la contaminación es uno de los problemas ms serios que la humanidad enfrenta hoy en d'a. Este traba&o ha sido estructurado para abarcar los detalles de las obras de drena&e y como desde su construcción y funcionamiento éstas tienen interacción con el entorno.
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3.- OBRAS DE DRENAJE. El drena&e es un sistema de control de las aguas que llegan a las carreteras y pueden ocasionar problemas de funcionamiento e interrupciones de servicio. La el dise6o de las obras de mal drena&e tienen una gran importancia en elenproyecto v'aslocalización terrestres, yuna mala localización o un dise6o ocasionan graves problemas el buen de funcionamiento de una carretera, pues la falla de una obra trae como consecuencia la interrupción del servicio de la v'a en operación, as' como las molestias causadas a los usuarios por la pérdida de tiempo, adems de las pérdidas económicas que pueden ser considerables. Los puntos importantes que deben considerarse en el dise6o y construcción de una obra de drena&e, son los siguientes8 "9 Localización del e&e de la obra. : Deber hacerse de preferencia siguiendo el cauce de los escurrideros, tomando en cuenta la pendiente, ya que de ésta depender el tipo de obra. 49 ;rea por drenar. : Es la superficie que limitada por dos o ms l'neas del parte aguas y el e&e del camino, da elproyectar rea tributaria del escurridero para el cual se pretende la obra. -9 ;rea hidrulica necesaria. : Es aquella capaz de de&ar pasar un gasto, igual a una lmina de agua de "$ cm de altura durante una hora, producto de la precipitación del lugar. 9 (elección del tipo de obra. : El tipo de obra se selecciona una vez calculada el rea hidrulica necesaria, de tal manera que la satisfaga adecuadamente y dentro de condiciones de m!ima seguridad.
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41 y ?".01 en la superficie del camino9 c9 m'nima y m!ima de terraplenes o rellenos d9 %ltura ateriales de construcción e9 *apacidad de carga del terreno f9 @o deben traba&ar a presión
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h9 Ca&adas i9 Cermas &9 Cordillos /9 Aegetación Las obras complementarias de drena&e no son de uso universal. (on obras que deben hacerse sólo en el lugar en que se requieran, de otra ser manera se pierden recursos económicos y se producirn, inclusive, resultados pues que pueden contrarios. Dado que, desde el punto de vista del anlisis de mpacto %mbiental, se requiere el conocimiento de las obras, a continuación, se describen los tipos de drena&es, as' como los criterios para su ubicación y construcción. Obras de drenaje en Carreteras (Alcantarillas y Bóvedas)
En la construcción de carreteras, es necesario evaluar los cruces de los r'os que se encuentren alrededor del proyecto y que puedan afectar a la carretera, siendo necesario realizar una obra de drena&e yo obra civil para disponer su evacuación. El drena&e es un punto cr'tico y vulnerable para una carretera.
Beniendo el trazode y dise6o definitivo dedelaagua carretera que de se pretende construir, se eval)an zonas de cruces r'os y evacuación de parte la carretera, este estudio tiene todas como las principal ob&etivo la definición de parmetros, como lo es el caudal m!imo, que es el volumen de agua que pasa por determinado punto por una unidad de tiempo, como también su velocidad, este punto es la intersección que tiene el r'o con la carretera. Este caudal se calcula a partir de varios factores como lo son8 el tipo de terreno de la zona, la precipitación que ocurre en la zona, datos históricos de crecidas m!imas del r'o, tipo de estructura e!istente si la hubiera, pendientes del cauce del r'o. *on estos datos se realizan clculos del rea de la cuenca que concurren o afectan el punto de intervención, se determina que vida )til debe tener la estructura seg)n su importancia, por estad'stica de la precipitación se considera un periodo de retorno de las crecidas m!imas de los r'os, y se elige un método para calcular el caudal. La topograf'a especial de la zona nos proporcionar los niveles, alturas, y alineamiento preliminar que debe tener la estructura de drena&e. 4
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*alculado el caudal m!imo y su velocidad, se determina un rea hidrulica, que es el espacio necesario para proceder a dise6ar y elegir qué tipo de estructura es necesaria para su correcto funcionamiento, para el caso pueden ser alcantarillas o bóvedas de concreto, metal o plstico, y si el caso lo requiere se eval)a la necesidad de puentes, el cual requiere de otros estudios espec'ficos para su dise6o. !ipos de estructuras de drenaje a utilizar
*ada estructura se eval)a seg)n la capacidad de flu&o que se requiere para el estudio hidrológico y topogrfico. : %lcantarillas En nuestro medio las alcantarillas por su material se clasifican en8 de concreto, de metal y de plstico, su utilización se recomienda por el costo, duración, construcción y disponibilidad. Las alcantarillas vienen en diferentes dimetros comerciales desde 4H a 54H. La construcción de dimetros mayores representa un alto costo, el cual e!ige evaluar la utilización de bóvedas : Cóvedas La utilización de bóvedas seen requiere lascomo alcantarillas noeltienen la capacidad de las reas hidrulicas, se toman cuentacuando aspectos el anchocirculares del cauce, arrastre de materiales del cauce, la altura de los rellenos de la carretera y la pendiente del cauce. (e pueden clasificar como circulares, con dimetros mayores a #$H, semicirculares y s)per claros de flecha alta o ba&a.
"ise#o estructural del drenaje
Definida la estructura de drena&e se realiza un clculo de la carga que soportar, la estructura para escoger una adecuada resistencia de los materiales que se utilizar y la cimentación que tendr, estas cargas que por lo general son por encima de la estructura son las presiones que e&erce el 5
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suelo, el relleno estructural, las cargas muertas y vivas. %qu' se eligen también las especificaciones de los materiales del drena&e y para el relleno estructural que deben ser considerados.
"ise#o topográfico del drenaje
(e realiza un plano con las medidas de la estructura, niveles y alineamiento que tendr el drena&e, este se hace con la finalidad de realizar el trazo en el lugar de la construcción de la estructura, y as' realizar todas las obras necesarias, antes, durante y después de la construcción.
Obras co$ple$entarias
Los drena&es después de construidos, deben tener un mantenimiento periódico, el cual consiste en la limpieza general del mismo, reparaciones de da6os provocados por el cauce, limpieza de los materiales arrastrados por el cauce del r'o, limpieza de las ca&as y cabezales de concreto. 6
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3./.- DRENAJE NATURAL. Es aquel donde las aguas de las carreteras o caminos o calles desembocan en los r'os pudiendo apreciar que se hace con la finalidad de ahorrar econom'a en la hora de la construcción de la infraestructura y sin tomar en cuenta los problemas que conlleva dichos proyectos. • • •
Ian&as J'os %rroyos
3.0.- DRENAJE ARTI1ICIAL. E drena&e artificial es el con&unto de obras que sirve para captar, conducir y ale&ar del camino el agua que puede causar problemas. Este tipo de drena&e es de particular importancia para las carreteras de poco trnsito que no cuentan con una superficie de rodamiento impermeable ni cunetas revestidas. 7 en los cuales los materiales estn ms e!puestos al ataque del agua.
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3.3.- SISTEMA DE DRENAJE EN CARRETERAS Drna +u'r2#"#a! +&a "un&a n&r +u+ 'r#n"#'a!+ '(+, "renaje longitudinal
En el caso de drenes longitudinales se utiliza el geo te!til en zan&as de intercepción y captación de aguas, basado en la construcción del clsico dren francés =de piedra partida con o sin tuber'a9. ediante el el revestido de la zan&a con una manta de geo te!til se evita el acarreo finos del suelo hacia interior del dren, impidiendo su colmatación y consecuente pérdidade delos efectividad. La utilización ms corriente de los geos te!tiles en este caso es la captación y conducción de aguas libres subterrneas, logrndose importantes abatimientos de las capas freticas.
"renaje transversal ('uentes o Alcantarillas)
Las estructuras de drena&e ms espectaculares en una v'a terrestre son los puentes y las alcantarillas, responsables principales del drena&e transversalK es decir, del paso de grandes vol)menes de agua, arroyos, r'os, entre otros, a través de la obra, en una dirección perpendicular a ella. (uele llamarse a los puentes obras de drena&e mayor y a las alcantarillas de drena&e menor
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Alcantarilla con osa
Estas obras se presentan regularmente en un terraplén y también en un corte. (on obras necesarias por el claro que se tiene que librar, que en muchos casos son arroyos o r'os que tienen un caudal importante, normalmente un puente tiene una longitud mayor a 2.$ m y se construye de concreto en la mayor'a de los casos, aunque también los construyen de estructura de acero. Las alcantarillas e!isten normalmente en la construcción de un camino entre - ó por m significando en la inversión total de un "0 a 4$1 del costo total de obra, sus dimensiones son menores a 2.$ m y la construcción var'a en forma y materiales.
Cunetas
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Las cunetas son canales que se adosan a los lados de la corona de la v'a terrestre, en el lado del corte en secciones de esta naturalezaK en cortes en balcón hay cuneta en un solo lado y en cortes en ca&ón, en ambos lados. La cuneta se dispone en el e!tremo del acotamiento, en contacto inmediato con el corte. (u situación le permite recibir los escurrimientos de srcen pluvial propios del talud y los del rea comprendida entre corte yBambién la contralacuneta, la hubiere el terreno natural aguas arriba corte, elsi coronamiento no hay contra del cunetas. cuneta sipuede recibiroagua que haya ca'do sobre la del corona de la v'a, cuando la pendiente transversal de ésta tenga la inclinación apropiada para ello.
Cuneta ección en Cajón
La capacidad hidrulica de la cuneta como canal define principalmente la posibilidad de cumplir su función de canalizar y eliminar con rapidez el agua que recolecte. La pendiente longitudinal m'nima que debe e!istir en una cuneta es de $.01. La velocidad con la que el agua circule sobre ella, debe quedar comprendida entre los l'mites de depósito y erosión, ambos indeseables. Las cunetas se construyen generalmente de sección trapecial o triangular. En la prctica me!icana, la sección triangular es con mucho la ms frecuente. El talud hacia lalav'a es comode m'nimo preferentemente 8"agua y el del del de corte sensiblemente inclinación éste. -8", (e prevé una lmina de de lado no ms -$ sigue cm. La sección triangular es la ms conveniente y fcil de construirK se conforma al terminar la capa su rasante y el traba&o puede hacerse con moto conformadora. (u conservación es también la ms sencilla.
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En algunas ocasiones se han utilizado las cunetas en terraplenes. (e muestra una sección en curva, con la sobreelevación correspondiente. En la corona se muestra un tipo de cuneta que se dispone, en algunas ocasiones, con la función que en otros casos corresponde a los bordillos. Es posible que esta solución pueda resultar eficiente desde el punto de vista hidrulico en zonas de precipitación intensa y en carreteras de corona ancha.
*ado
Este tipo de solución como obra de drena&e es poco com)n, es una obra de paso para el agua, de&ando que ésta contin)e su curso de manera natural sin afectar su nivel de escurrimiento, es decir, la carretera pasar a nivel del agua respetando su condición actual.
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El vado se proyecta para cruces que normalmente requieren obras mayores de 2.$$ mK pero cuyos cauces son muy e!tendidos, porque los espesores del terraplén deban ser ba&os y no es conveniente elevar la rasante por econom'a de las terracer'as, como en el caso de un puente, adems de que el escurrimiento en estos cauces es muy espordico. !ubos y !ubos 'erforados
Esta obra complementaria es muy parecida a una alcantarilla, son elementos de solución para el drena&e que van implementados ba&o las terracer'as de la carretera que se va construir. E!isten varios tipos de tubo como el de lmina corrugada, tubos de sección circular con doble capa de cemento asfltico, tubos de concreto y tubos desarmables intercambiables. El tubo va colocado transversalmente al camino y permite la continuidad del caudal e!istente, si est correctamente calculado. El dimetro del tubo depende del gasto que se genere por el escurrimiento natural, el que puede variar entre $.0 cm y ".0$ cm de dimetro regularmente.
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Una prctica com)n son los sistemas de drena&e de tuber'a perforada, inmersa en un material filtrante, las perforaciones son con el fin de captar el agua hacia el interior del tubo, estos sistemas se aplican con el ob&eto de inducir el agua rpida y fcilmente. Bo$beo
(e denomina Combeo a la pendiente transversal que se da en las carreteras para permitir que el agua que directamente cae sobre ellas escurra hacia sus dos hombros.
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En los caminos normales de dos fran&as de circulación =%4, C, *9 y en secciones en tangente es com)n que el bombeo se disponga con un 4.$1 de pendiente desde el e&e del camino hasta el hombro correspondienteK en las secciones en curva, el bombeo se superpone con la sobreelevación necesaria, de manera que, al ingresar a la curva, esta )ltima domina rpidamente y la pendiente transversal ocurre discontinuidades. En las carreteras con pavimento r'gido el bombeo puede ser un poco menor, delsin orden de ".01. En las carreteras de ms de dos fran&as de circulación pueden presentarse dos casos8 uno con un camellón central relativamente estrecho y otro donde se tiene un camellón muy amplio sembrado de vegetación. En el primer caso, el bombeo se da del camellón hacia los hombros e!ternos y en el segundo, es com)n un bombeo mi!to, en dos sentidos, con pendientes desde el e&e de cada fran&a hacia los hombros, en este caso por el lado interior deber e!istir un elemento de canalización. *onstructivamente el bombeo se forma en la medida que el camino se va construyendo desde su terracer'a, hasta el pavimento, dando las elevaciones necesarias con mayor altura si este fuera el caso.
BOMBEO DE CAMELLON AMPLIO
Contra cunetas
(e denominan contra cunetas, a los canales e!cavados en el terreno natural o formados con peque6os bordos, que se localizan aguas arriba de los taludes de los cortes, con la finalidad de interceptar el agua superficial que escurre ladera aba&o desde mayores alturas, para evitar la erosión del talud y el congestionamiento de las cunetas y la corona de la v'a terrestre por el agua y su material de arrastre.
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INSTITUTO TECNOLOGICO DE CERRO AZUL UBICACIÓN DE LA CONTRACUNETA EN EL CAMINO
DIMENSIONES DE LA CONTRACUNETA
La contra cuneta se construye a una distancia variable del coronamiento del corte y depende de la altura de ésteK su función es que entre la contra cuneta y el propio corte no quede un rea susceptible de generar escurrimientos de importancia no controlados, asimismo no debe ser colocada demasiado cerca del corte, a fin de facilitar su trazo y permitir que se desarrolle sobre terreno que no se vea afectado por derrumbes leves, peque6os abatimientos o traba&os de amachine que eventualmente se realicen. En cortes de altura normal es frecuente que las contra cunetas se encuentren a una distancia del coronamiento del corte comprendido entre la altura del mismo y la mitad de ese valorK en cortes altos, el punto ms pró!imo de la contra cuneta puede estar a unos 3 o "$ m del coronamiento del corte. El desarrollo de la contra cuneta debe ser sensiblemente paralelo al propio corteK de esta manera el canal se va desarrollando con pendiente longitudinal. La contra cuneta debe conducir el agua captada a ca6adas o cauces naturales en que e!istan obras que crucen la v'a terrestre y es normal que para evitar e!cesivo desarrollo del canal los e!tremos lleguen a tener pendientes muy considerables, funcionando como auténticos lavaderos. avaderos
(on canales que se conectan con los bordillos y ba&an transversalmente por los taludes, con la misión de conducir el agua de lluvia que escurre por los acotamientos hasta lugares ale&ados de los terraplenes, en donde no cause problemas a la carretera. En general son estructuras de muy fuerte pendiente, caracter'stica principal de éstos. *uando se disponen en los caminos estn sobre los terraplenes, sobre los lados en terraplén, de cortes en balcón o en los lados interiores de curvas, 15
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cuando corresponden a secciones también en terraplén. En tramos en tangentes suelen disponerse cada 2$ ó "$$ m, pero esta separación es variable, dependiendo de la pendiente longitudinal de la v'a terrestre y del régimen de precipitación pluvial en la zona. La Migura muestra la planta t'pica de un lavadero construido en mamposter'a, un corte seg)n su e&e longitudinal y una perspectiva de su disposición en una carretera.
*egetación
Una de las ms efectivas protecciones de los taludes de un corte o un terraplén o del terreno natural contra la acción erosiva del agua superficial es la plantación de especies vegetalesK éstas retardan el escurrimiento, disminuyendo la velocidad del agua y contribuyen a fomentar una condición de equilibrio en los suelos en cuanto a contenido de agua.
(iempre que la vegetación e!ista, el ingeniero deber respetarla. La deforestación sistemtica, el deshierbe o el desenraice e!cesivos en la zona de derecho de v'a o en la zona de influencia de una v'a terrestre deben verse como mala prctica de ingenier'a. Los esfuerzos debern tender a fomentar la protección de la vegetación. *uando ésta no e!iste, su plantación puede contribuir a proteger muy eficazmente la v'a. 16
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*omo ya se ha indicado, la plantación de especies vegetales debe realizarse por especialistas, que utilicen variedades apropiadas de la región, cuyo crecimiento pueda ocurrir con los m'nimos cuidados iniciales.
3..- CRITERIOS GENERALES PARA EL DISE4O DE OBRAS DE DRENAJE % la hora de proyectar el drena&e de una carretera deben tenerse en cuenta una serie de factores que influyen directamente en el tipo de sistema ms adecuado, as' como en su posterior funcionalidad. Los ms destacables son8 •
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:Mactores del clima8 se debe tomar en cuenta los estudios del clima apreciando si es muy lluvioso la zona o muy seca o dependiendo de cómo se para poder realizar el respectivo y correcto drena&e para la correcta salida de las aguas encharcadas o allegadas. :Mactores topogrficos8 Dentro de este grupo se engloban circunstancias de tipo f'sico, tales como la ubicación de la carretera respecto del terreno natural contiguo, en desmonte, terraplén o media ladera, la tipolog'a del relieve e!istente, llano, ondulado, accidentado, o la disposición de sus pendientes en referencia a la v'a. :Mactores hidrológicos8 +acen referencia al rea de la cuenca de recepción y aporte de aguas superficiales que afecta directamente a la carretera, as' como a la presencia, nivel y caudal de las aguas subterrneas que puedan infiltrarse en las capas inferiores del firme. :Mactores geotécnicos8 La naturaleza y caracter'sticas de los suelos e!istentes en la zona condicionada la facilidad con la que el agua puede llegar a la v'a desde su punto de srcen, as' como la posibilidad de que ocasione corrimientos o una erosión e!cesiva del terreno. Las propiedades a considerar son aquellas que afectan a su permeabilidad, homogeneidad, estratificación o compacidad, influyendo también la e!istencia de vegetación.
Una vez sopesados estos factores se procede al dise6o de la red de drena&e, que deber cumplir los siguientes ob&etivos8 o
o
:Evacuar de manera eficaz y lo ms rpidamente posible el agua ca'da sobre la superficie de rodadura y los taludes de la e!planación contiguos a ella.
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o
:@o suponer un peligro a6adido para la seguridad del conductor, empleando para ello taludes suaves y redondeando las aristas mediante acuerdos curvos, evitando as' posibles accidentes adicionales. :Bambién debe cuidarse el aspecto ambiental, procurando que produzca el menor da6o posible al entorno.
Bodos los anteriores puntos estn como siempre supeditados a la econom'a de la obra, por lo que la solución adoptada debe tener en cuenta dos condicionantes adicionales8
•
El coste inicial de construcción e implantación del sistema de drena&e. Los costes de reparación y mantenimiento de la infraestructura de drena&e a lo largo de la vida )til de la carretera. Mactores geológicos8 deben proporcionar al proyectista, en cada una de las fases del proyecto, información suficiente sobre las caracter'sticas geológicas del terreno afectado por la carretera, distinguiendo entre el terreno como cimiento de la v'a y sus estructuras y el terreno como material a emplear en la construcción de la carretera, as' como información sobre las condiciones hidrológicas y de drena&e. Estos estudios tienen una gran importancia en la fase de proyecto ya que reducen la incertidumbre que siempre e!iste en la construcción. Los estudios geológicos =y geotécnicos9 son la base de un buen proyecto y evitan problemas posteriores durante la e&ecución.
3.5.- SO1T6ARE DE APLICACIÓN S6MM 5.7 En el dise6o de un sistema de drena&e urbano usualmente se emplean metodolog'as que solo permiten conocer el comportamiento esttico de los elementos hidrulicos que lo componen. (in embargo, el uso de herramientas informticas permite conocer la respuesta dinmica de todos los elementos que conforman un sistema de drena&e urbano para un evento de lluvia. En el presente traba&o se analiza el modelo (N, Aersión 0.$ en espa6ol, desde el punto de vista de su conceptualización hidrológica e hidrulica, información de entrada requerida y resultados factibles de obtener. *omo e&emplo de aplicación del programa se modelar la "era etapa de la urbanización La Briga le6a ubicada en la
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niveles de inundación en las calles superiores a los establecidos por la normativa vigente, haciéndose necesario el implementar una red de sumideros que permitan disminuir los niveles de inundación en la calle. (e logra a través del (N 0.$ obtener un sistema donde tanto las calles como la red de sumideros dan salida a la escorrent'a de las aguas manteniendo niveles de inundación aceptables. En el dise6o de unelsistema de drena&eesttico urbanode usualmente se emplean metodolog'as que solo(in permiten conocer comportamiento los elementos hidrulicos que lo componen. embargo, el uso de herramientas informticas permite conocer la respuesta dinmica de todos los elementos que conforman un sistema de drena&e urbano para un evento de lluvia. En el presente traba&o se analiza el modelo (N, Aersión 0.$ en espa6ol, desde el punto de vista de su conceptualización hidrológica e hidrulica, información de entrada requerida y resultados factibles de obtener. *omo e&emplo de aplicación del programa se modelar la "era etapa de la urbanización La Briga le6a ubicada en la
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