DISEÑO DE OBRAS DE DRENAJE
EN CARRETERAS
Ing. José Martín Diaz Arias
Satipo, Junio 2014
2 ALCANTARILLAS
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.
En la proyección e instalación de alcantarillas el aspecto técnico
debe prevalecer sobre el aspecto económico, es decir que no
pueden sacrificarse ciertas características hidráulicas sólo con el
objetivo de reducir los costos.
Sin embargo, es recomendable que la ubicación, alineamiento y
pendiente que se elija para cada caso, estará sujeta al buen
juicio del especialista, quien deberá estudiar los aspectos
hidrológicos, hidráulicos, estructurales y fenómenos de
geodinámica externa de origen hídrico, para obtener finalmente
la solución más adecuada compatible con los costos,
operatividad, servicialidad y seguridad de la carretera.
Comparación entre alcantarilla - puente
Secciones típicas de alcantarillas
Secciones de alcantarillas con fondo natural
Variables hidráulicas en alcantarillas
Variables hidráulicas en alcantarillas
Control al ingreso
Control al ingreso
Control a la salida
Control a la salida
Flujo sobre la alcantarilla
Flujo
sobre la
carretera
Alcantarilla de perfil tipo sifón invertido
Alcantarilla de alineamiento curvo
Alcantarilla múltiple con un ojo para flujo mínimo
Alcantarilla de 3 tramos
Alcantarilla de 2 tramos
Diseño hidráulico
con ábacos
Criterios de diseño de alcantarillas
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. Se debe, elaborar una relación de
alcantarillas completa con una columna para indicar el Angulo de
esviaje de la alcantarilla con respecto a la vía. En las curvas se indica
la palabra, “radial”.
Pendiente longitudinal
La pendiente longitudinal de la alcantarilla debe ser tal que no altere
desmesuradamente los procesos geomorfológicos, como la erosión y
sedimentación, por ello, los cambios de pendiente deben ser
estudiados en forma cuidadosa, para no incidir en dichos procesos
que pueden provocar el colapso de la estructura. Para las
alcantarillas pluviales y donde sea posible, se recomienda mantener
una pendiente de 2%.
TIPOS DE ALCANTARILLAS MAS COMUNES:
En general para carreteras en zonas lluviosas se recomiendan los siguientes tipos de alcantarillas y
pontones:
Tipo de Caudal y capacidad
Tipo
Función
TMC 600 mm
Solamente como pase de riego.
Qmax = 0.40 m3/s
Pluvial, de dimensiones mínimas
Qmax = 0.90 m3/s
máxima estimada
Ó tubos de concreto
TMC 900 mm
por mantenimiento
TMC 1200 mm
Para quebradas menores
Qmax =1.20 m3/s
TMC 1500 mm
Para quebradas medianas
Qmax= 2.00 m3/s
TMC 1800 mm
Para quebradas grandes
Qmax= 4.00 m3/s
Marcos de concreto
Quebradas
Caudal variable, poca cobertura
de la carretera.
OTRAS OBRAS DE ARTE TRANSVERSALES
Tipo
Función
Badén
Quebradas
Tipo de Caudal y capacidad
máxima estimada
Arrastre de sedimentos, huaycos,
caída de rocas etc.
Pontones, L> 6 m
Quebradas grandes
Arrastre de sedimentos, huaycos,
caída de rocas etc.
Puentes, L> 10 m
Quebradas grandes, Ríos
Se
requiere
estudio
de
hidrología, socavación, etc. Gran
caudal, arrastre de sedimentos,
huaycos, caída de rocas etc.
TIPOS DE CABEZALES
Tipo Alero.- Es el más común, cuando el ancho de la quebrada se
debe reducir para conducir el agua hacia el ingreso de la alcantarilla
TMC. Puede ser a la entrada y a la salida de la alcantarilla.
Tipo Cajón.- Solamente se usa a la entrada de las alcantarillas y
sirva para contener el agua de las cunetas hacia la alcantarilla, tiene
que tener un nivel de ingreso por debajo de la cota del tubo (10 cm)
para los sedimentos y piedras. En las paredes verticales se pueden
apreciar las descargas de los subdrenes. También se puede usar en
un sector de corte en roca.
Tipo Muro.- Es de altura variable y se puede usar para descargar el
agua pluvial y se recomienda que solamente tengan una caída de 2 a
3 m como máximo dependiendo del material donde se descarga. En
la planta, el muro puede ser de mucho mayor longitud que el
requerido por la alcantarilla para asegurar la contención de la
plataforma.
Cuadro comparativo entre alcantarillas TMC y alcantarillas tipo Marco
Parámetro
TMC
Costos
Rapidez
construcción
Rugosidad
Calculo hidráulico
Relleno controlado
de
Menor costo
Marco de concreto
armado
Mayor costo
Rápido
Normal
0.024
0.015
Ábacos HDS05
HEC RAS
HY8
Si requiere un relleno
estructura para que
funcione
Ábacos HDS05
HEC RAS
HY8
No
requiere
un
relleno estructural, el
marco
es
autoportante
Depende
de
la
calidad del concreto
y el recubrimiento.
De concreto
Velocidad máxima
Depende del espesor de
la plancha metálica
Cabezales
De concreto
Comentarios
Depende mucho
agregados
Mejor es la TMC
de
los
El concreto tiene mayor
capacidad hidráulica
El cálculo es similar, varían
los coeficientes y ábacos.
Sin embargo el pavimento si
require un control de los
rellenos
estructurales
en
ambos casos.
En ambos casos v max < 5 m/s
Son iguales
Cuadro comparativo entre alcantarillas TMC y alcantarillas tipo Marco
Parámetro
TMC
Recubrimiento
0.60 m
Limpieza
La
corruga
puede
atrapar
sedimentos,
piedras, palizadas
Entre 2% y 5%
Pendiente longitudinal
Sección transversal
Resistencia
abrasión
Mantenimiento
a
la
Circular
Abovedada
Arco superior
Super SPAN
No resiste arrastre de
sedimentos permanente.
Es fácil de cambiar los
paños dañados.
Marco de concreto
armado
0.00
El
acabado
liso
permite una mejor
limpieza del interior
Entre 2% y 5 %, pero
permite
gradas,
cambios
de
pendiente, etc.
Rectangular,
Puede
tomar
cualquier forma.
Puede resistir mejor
el
arrastre
de
sedimentos
Resanar, picar y
cambiar los hierros
oxidados,
usar
epóxidos
como
puente de adherencia.
Comentarios
Si marco de concreto se
refuerza puede quedar a nivel
de rodadura.
Mejor el marco de concreto
Mejor la alcantarilla Marco
Debido a los encofrados
Para flujos constantes es
mejor una alcantarilla Marco
Es mejor la TMC para el
mantenimiento.
Algunos Programas de Cómputo para
calcular alcantarillas
- HEC RAS
- HY8
- HYDROCULVERT
Programa HY8
Programa HY8
Programa HY8
Programa HY8
Modulo de
disipación de
energía a la
salida
Programa HY8
Programa HY8
Total
Discharge
(cms)
Culvert
Headwater
Inlet
Discharge Elevation
Control
(cms)
(m)
Depth (m)
Outlet
Control
Depth (m)
Flow
Type
Normal
Depth (m)
Critical
Depth (m)
Outlet
Depth (m)
Tailwater
Depth (m)
Outlet
Velocity
(m/s)
Tailwater
Velocity
(m/s)
0.00
0.00
266.20
0.000
0.000
0-NF
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.40
0.40
266.62
0.418
0.130
1-S2n
0.276
0.315
0.277
0.026
1.785
2.520
0.80
0.80
266.80
0.603
0.277
1-S2n
0.387
0.451
0.393
0.040
2.163
3.320
1.20
1.20
266.95
0.751
0.404
1-S2n
0.477
0.556
0.485
0.051
2.416
3.901
1.60
1.60
267.10
0.901
0.523
1-S2n
0.559
0.646
0.567
0.061
2.616
4.371
2.00
2.00
267.23
1.029
0.641
1-S2n
0.630
0.727
0.641
0.070
2.774
4.773
2.23
2.23
267.30
1.097
0.0*
1-S2n
0.671
0.769
0.681
0.075
2.856
4.983
2.80
2.80
267.45
1.254
0.880
1-S2n
0.766
0.866
0.777
0.086
3.028
5.449
3.20
3.20
267.56
1.362
1.005
1-S2n
0.831
0.928
0.842
0.093
3.135
5.741
3.60
3.60
267.67
1.472
1.135
1-S2n
0.896
0.987
0.906
0.100
3.230
6.014
4.00
4.00
267.79
1.589
1.269
5-S2n
0.962
1.041
0.969
0.106
3.311
6.268
Programa HY8
Programa HYDROCULV
Programa HYDROCULV
Programa HYDROCULV
Programa HYDROCULV
Programa HYDROCULV
Programa HYDROCULV