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7/24/2019 Drenaje superficial.docx

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INTRODUCCION

El drenaje es una tecnologa que tiene como objetivo eliminar el exceso de agua que

se puede acumular, tanto en la superficie como en el interior del suelo, con el fin de

proporcionar las condiciones de aireacin y actividades biolgicas. Segn la

localizacin de los excesos de agua, el drenaje se clasifica en subsuperficial o

superficial.

En drenaje subsuperficial, el problema consiste en un exceso de agua en el perfil del

suelo, debido a la presencia de una napa fre!tica, permanente o fluctuante, ubicada

sobre un estrato impermeable.

"or drenaje superficial, se entiende la remocin de los excesos de agua que se

acumulan sobre la superficie del terreno, a causa de lluvias muy intensas y frecuentes,

topografa muy plana e irregular y suelos poco permeables.

El exceso de agua sobre los terrenos puede ser ocasionado por cuatro causas

principales# precipitacin, inundaciones, limitaciones topogr!ficas y limitaciones

ed!ficas. $a precipitacin es la principal fuente de exceso de agua% las inundaciones

son consecuencia de la precipitacin y las limitaciones topogr!ficas y ed!ficas

contribuyen a agravar la accin de las causas anteriores.

El desbordamiento de los ros es causa de algunos problemas de drenaje superficial,

pero se considera como un problema de control de inundaciones relacionado al

manejo de cuencas, m!s que con un tema de dise&o de drenaje superficial

propiamente dic'o.

En el suelo, las caractersticas de textura arcillosa, estructura masiva y de

estratificacin, son determinantes en la formacin de problemas de drenaje superficial.

$a topografa es causante del problema de drenaje superficial, en el caso de

topografas muy planas () *,+ de pendiente-, presencia de depresiones sin salida

natural y cuando existe micro relieve con depresiones peque&as y medianas.

$a necesidad del drenaje superficial se justifica en zonas donde los factores clim!ticos,

las condiciones 'idrolgicas, las caractersticas de los suelos, la topografa y la

utilizacin de la tierra, dan lugar a que el agua permanezca inundando la superficie del

suelo, durante un tiempo superior al que los cultivos pueden soportar sin manifestar

serios efectos sobre los rendimiento yo sobrevivencia.


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/E01213142

Que es drenaje superficial:

Sistema que evacua y dirige r!pidamente las aguas pluviales u otras aguas 'acia un

medio natural de drenaje o red de alcantarillado. 5ambi6n llamado drenaje superficial.

Que comprende el drenaje superficial:

$a recogida de las aguas pluviales o de des'ielo procedente de la plataforma y sus

m!rgenes, mediante cauces, cunetas y sus imbornales y sumideros.

$a evacuacin de las aguas recogidas eventualmente a trav6s de cuneta y colectores

longitudinales a cauces naturales, a sistemas de alcantarillado o de la capa fre!tica,

bien sea directamente o a trav6s de obras de desag7e transversales o canalizaciones

a cielo abierto o enterrados.

$a restitucin de la continuidad de los cauces naturales interceptados por la carretera,

e mediante su eventual acondicionamiento y la construccin de obras de drenaje

trasversal.

Tambin se puede definir al drenaje superficial:

Son obras o acciones que se realizan sobre la superficie del terreno, para propiciar el

escurrimiento por gravedad de los excesos de agua a velocidades no erosivas y que

tampoco cause problemas de sedimentacin, as como para interceptar y desviar el

agua que se dirige 'acia la parcela desde terrenos colindantes m!s altos. /e acuerdo

con "alacios (8**8-, las condiciones que generalmente se presentan para que ocurra

este tipo de problemas, son#

"recipitaciones de 9alta: intensidad.

9;aja: velocidad de infiltracin del agua en el suelo, inferior a la intensidad de la

precipitacin.

9"oca: pendiente de los suelos que no propicia el escurrimiento.

- el sistema de coleccin (drenes superficiales colectores-


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?ue reciben el escurrimiento captado para trasladarlo fuera de los lmites de los

terrenos protegidos y posteriormente a algn cauce natural, reservorio, mar, etc. El

sistema de recoleccin del agua puede ser uno o componerse de varias de las

siguientes obras#

2ivelacin, emparejamiento o 9conformacin: de la superficie del terreno, conel fin de suprimir las 'ondonadas o depresiones que acumulen agua o bien

dando pendientes suaves al terreno para que propiciar el escurrimiento del

agua.

Surcos profundos y con pendiente contina 'acia una zanja conectada con los

colectores de drenaje.

@anjas, canales o desag7es, ya sean para interceptar, captar y desalojar el

agua o para unir las partes bajas de los terrenos con los colectores de drenaje.

;ordos para proteccin o encauzamiento del agua 'acia las zanjas colectoras.

Se puede complementar con drenes 9topo: o con drenaje subterr!neo entubado.

3olectores de drenaje.

"ozos de absorcin o drenaje vertical.


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CAUDAL A ELIMINAREl agua que deber eliminarse de un terreno puede tener diferente procedencia, para el

caso ms complejo (suelos de riego con drenaje subterrneo):

Prdidas superficiales de riego.

Escorrenta originada por la lluvia.

gua de drenaje subterrneo.

Por otra parte, los drenes superficiales tienen que satisfacer algunos requerimientos que

pueden ser resumidos en dos:

!. "i en la #ona agrcola se cuenta con drenaje subterrneo (tubos), entonces la lmina

de agua de los drenes superficiales deber estar siempre por debajo de las salidas de los

drenes subterrneos.

$. "i ocurriesen lluvias fuertes puede permitirse que dic%a lmina de agua supere el

nivel de los drenes subterrneos siempre & cuando no sea por tiempo prolongado. En

este caso, la secci'n total del desage deber tener capacidad para eliminar laescorrenta que se presente.

Por sta ra#'n, para el pro&ecto de drenaje deberemos considerar dos tipos de caudales

distintos:

Caudal base que es el que debe ser eliminado en condiciones normales.

Escorrentaque es debida a la lluvia que se define como crtica.

Caudal base.

Para el caso del caudal base, eiste la diferencia cuando el eceso de agua puede ser

provocado por el riego o por la lluvia. Para el pro&ecto de drenaje deber tomarse el

valor ma&or.

Caudal base en poca de riego.


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El caudal base en la poca de riego a su ve# puede tener dos factores que lo

componen: el componente superficial & el componente subterrneo, la suma de ambos

ser el valor total del caudal base.

Caudal base en poca de lluvia.

Para determinar el caudal a eliminar por poca de lluvia se recurre a la f'rmula de

*lover+umm, que determina el caudal cuando se produce la lluvia crtica que se

elegir para el clculo de drenaje subterrneo. El momento ms desfavorable es

precisamente despus de la lluvia, que es cuando se presenta una ma&or altura del nivel

fretico.

Escorrenta.

-a escorrenta ser el agua a desalojar de la superficie de los terrenos agrcolas. Para su

clculo eisten varios mtodos, es importante que se revisen a fondo en tetos de

%idrologa. qu s'lo presentaremos algunas f'rmulas que pueden ser aplicadas para su

determinaci'n.

Diseo de las secciones hidrulicas.

RugosidadLa infuencia de la rugosidad de taludes y ondo de un canal o dren semaniesta en uncin del tamao de la seccin hidrulica. IMTA(1!"#$ %ro%one la siguiente relacin&

n ' .)* + .,1-ln(r# (1#

/nde&

n ' 0oeciente de rugosidad (adimensional#r ' radio hidrulico$ m Los alores de los coecientes de rugosidad se%resentan en el siguiente 0uadro.

2alores de n %ara canales y 3an4as dados %or 5artn


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La 6cuacin 1 o el 0uadro se utili3arn en 7ase a la inormacin

dis%oni7le y cuando se utili3an am7os$ es %reeri7le utili3ar el alormayor.

Velocidades mximas m!nimas "ermisi#les $V% &m's( en losdrenes.

Velocidad mxima "ermisi#le. 8eg9n Luthin (1",#$ %ara eitar eldeslae en las 3an4as a7iertas des%roistas de egetacin$ antes deldiseo se de7en conocer las elocidades m:imas %ermisi7les. 6n elsiguiente cuadro se muestran las elocidades m:imas %ermisi7lesconsiderando el material en ;ue re%osan los canales.

2elocidades m:imas %ermisi7les en m


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)aludes $*%.La inclinacin de%ende en cada caso %articular de arios actores$%ero muy %articularmente de la clase de terreno donde estnalo4ados. or e4em%lo$ en un material rocoso se %odrn %ermitirtaludes ;ue tiendan a ser erticales$ en cam7io en terrenos msarenosos se tendr ;ue construir con taludes ms tendidos$ %araeitar derrum7es$ etc.$ ;ue elean los costos de conseracin.

Talud %ara secciones tra%eciales en dierentes materiales

IMTA (1!"# sugiere ;ue en el diseo del talud de7er %reerse el ti%ode mantenimiento a reali3ar$ %ues Bste$ estar determinado %or eltalud como se o7sera en el siguiente cuadro

Taludes de los canales de drena4e %ara arios mBtodos demantenimiento.


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+rea del dren $A% &m,(. 8e calcula con la siguiente rmula%resentada %or Arteaga (1)#&A=db+z d

2

/nde& 7 ' 7ase (m# d ' Tirante hidrulico (m# 3 ' Talud de la %ared

-er!mero de mo/ado $-% &m(. 8e calcula con la siguiente rmula

%resentada %or Arteaga (1)#&P=b+2dz2+1


Radio hidrulico $R% &m(. 8e calcula con la siguiente rmula%resentada %or Arteaga (1)#&

R=bd+z d

2

b+2d z2+1


Li#re #ordo $E% &m(.6s recomenda7le usarse %ara secciones sinreestimiento en tanto no se tengan alores es%ec@cos (Arteaga$1)#.

E=1 /3d

/nde& d ' Tirante hidrulico (m#

Clculo del iem"o de drena/e &d(.

6l tiem%o de drena4e se calcula con&


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td=ttt10

/nde&

tt ' tiem%o total de e:ceso de agua$ (hr#.t1 ' tiem%o %ara ;ue el suelo alcance un 1C de aireacin (hr#$ ;uede%ende de la te:tura del suelo y se o7tiene en el siguiente cuadro. Asu e3$ el alor de tt se calcula con&tt=CcDp

0.46

/nde&0c ' 0oeciente de cultio (adim# y se o7tiene en el 0uadro ./% ' /ao %ermisi7le (C# y su alor se asume en un 1C.

Tiem%o (hr# %ara ;ue el suelo recu%ere !$ 1 y 1=C de aireacindes%uBs de saturado$ %ara dierentes clases te:turales.

0oeciente de cultio 0c utili3ado en el clculo del tiem%o total dee:ceso de agua tt.


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Clculo de la llu0ia de diseo &-d(.La lluia de diseo de%endede dos actores$ el tiem%o de drena4e y el %er@odo de retorno deseado.6l tiem%o de drena4e determina a su e3 la duracin de la lluia dediseo.

Clculo de escorren!a de diseo &E(.La escorrent@a de diseo (6#$es la lmina de e:ceso de agua su%ercial ;ue se de7e desalo4ar en eltiem%o de drena4e td.

ara estimar la escorrent@a$ se utili3a el mBtodo del DE9mero de0uraF del 8oil 0onseration 8erice 8.0.8. (1,*#$ mediante lasiguiente ecuacin&

E=(Pd0.2S)2

(Pd+0.8S)

/nde&d 'Lluia de diseo$ (cm#.8 'Inltracin %otencial$ (cm#.

6l alor de 8 se calcula mediante la ecuacin&

S=[(1000CN)10 ]2.54

/nde&0E ' E9mero de la 0ura

6l alor de 0E de%ende del uso del suelo o cu7ierta$ del tratamiento o%rctica del suelo$ de la condicin hidrolgica ;ue a su e3 se o7tienedel cuadro siguiente y del ti%o hidrolgico del suelo.

0ondicin hidrolgica %ara arios usos del suelo


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G7teniendo estos datos se entra al siguiente cuadro$ en donde se

%resentan los alores de 0E %ara dierentes condiciones.

0uras n9mero (0E# %ara los com%le4os suelo H co7ertura en cuencasen condicin de humedad media.


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6l ti%o hidrolgico de suelo$ se dene de acuerdo a su %otencial de6scorrent@a$ y se clasican cuatro gru%os

a4o %otencial de 6scorrent@a & Ti%o A.Moderadamente 7a4o %otencial de 6scorrent@a & Ti%o .Moderadamente alto %otencial de 6scorrent@a & Ti%o 0.Alto %otencial de 6scorrent@a & Ti%o /.

La denicin de cada uno de los ti%os hidrolgicos de suelo$ se%resenta en la sgte. Ta7laJru%os de suelos seg9n su %otencial de escurrimiento$ %ara el clculode la cura n9mero (0E#.


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1ru"o Descri"ci2nA a4o %otencial de escorrent@a. 8uelos ;ue tienen altas tasas de

inltracin aun cuando estn 7ien mo4ados$ consistentes%rinci%almente en arenas o graas %roundas y 7ien a

e:cesiamente drenados. 6stos suelos tienen una alta tasa detransmisin de agua.

Moderadamente 7a4o %otencial de escorrent@a. 8uelos con tasasde inltracin moderadas cuando estn 7ien mo4ados$moderadamente %roundos a %roundos$ moderadamente 7ien a7ien drenados$ con te:turas moderadamente nas amoderadamente gruesas. 6stos suelos tienen una tasa detransmisin de agua moderada.

0 Moderadamente alto %otencial de escorrent@a. 8uelos con tasasde inltracin lentas cuando estn 7ien mo4ados$ %rinci%almente

con una ca%a ;ue im%ide el moimiento hacia a7a4o del agua$ ode te:tura moderadamente na a na y una tasa de inltracinlenta. 6stos suelos tienen una tasa lenta de transmisin de agua.

/ Alto %otencial de escorrent@a. 8uelos ;ue tienen tasas deinltracin muy lenta %rinci%almente suelos arcillosos con un alto%otencial de e:%ansinK suelos con una na%a su7terrnea%ermanente altaK suelos con clay%an o ca%a arcillosa en lasu%ercie o cercana a ellaK y suelos %oco %roundos so7remateriales casi im%ermea7les. 6stos suelos tienen una tasa muylenta de transmisin de agua.

Clculo del caudal de diseo &3(.

6l caudal de diseo se calcula mediante la 6cuacin del 0y%ress0ree (alacios$ **#&Q=CA

P

/nde&0' 0oeciente de drena4e (l


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E24=E24

td

/nde&6 ' 6scorrent@a diseo$ (cm#.

td 'Tiem%o de drena4e$ (hr#.4ros m5odos

M5odos "ara calcular los gasos de diseo hidrulico%aradrena4e en general. 6n el a%artado ".1.N se us la ecuacin de0y%ress 0ree %ara el clculo del gasto en drenes de aguassu%erciales$ sin em7argo$ de manera general$ la mayor@a de los%rocedimientos %ara calcular escurrimiento han sido diseados %araestimar las crecidas m:imas o aenidas m:imas. 6ntre los mBtodosse tienen el de enolentes m:imas$ el racional y el racional

modicado

M5odo de en0ol0enes.6ste mBtodo toma en cuenta slo el reade la cuenca. Aun;ue no son mBtodos ;ue analicen %ro%iamente larelacin entre la lluia y el escurrimiento$ %ueden ser de gran utilidaden los casos en ;ue se re;uieran slo estimaciones gruesas de losgastos m:imos %ro7a7les$ o 7ien$ cuando se care3ca casi %orcom%leto de inormacin.

M5odo racional./entro de la im%ortancia de los escurrimientos$ seconsidera la estimacin de ellos %ara la %laneacin de o7ras demane4o de los recursos hidrulicos y %ara su a%roechamiento enreas de riego.6l escurrimiento m:imo de un rea de drena4e es esencial %ara eldiseo de estructuras ertedoras y de almacenamiento$ %or tal ra3nes necesario estimarlos$ %ara ello se usan ormulas em%@ricas como elmBtodo racional$ el cual se e:%resa %or la ecuacin.

Os =.*!0IA

/nde&

Os ' Jasto m:imo %ro7a7le de escurrimiento en m)


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M5odo racional modi6cado.Los e:cesos de la %reci%itacinm:imos en cuencas %e;ueas tam7iBn %ueden ser estimados %or elmBtodo racional modicado. 6ste mBtodo %uede ser utili3ado cuandoe:isten datos %luiogrcos de una estacin dentro o cerca del rea

de estudio$ utili3ando la rmula )* (0olegio de ostgraduados$ 11#.

O =.*! 0A

/nde&

O ' 6scurrimiento m:imo$ en m)


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7I7)EMA DE DRENA8E

0onsiste de o7ras ;ue se construyen 7a4o la su%ercie del suelo$ %ara

ca%tar y desalo4ar e:cesos de agua deriados de ltraciones o de nielesreticos eleados.

ueden ser drenes interce%tores colocados %er%endicular otransersalmente a las l@neas de corriente %ara recoger los fu4os de aguali7re y drenes colectores o de desagPe$ orientados seg9n las l@neas de%endiente %ara conducir el agua uera de la %arcela. 6stos a su e3$ tam7iBnde7en desem7ocar a drenes su%erciales colectores.

5ay cuatro ti%os de drena4e&

Q Ran4as a7iertas %roundasQ Ran4as %roundas cu7iertas con ltros de graa$ arena$ etc.$ as@ como contu7os.

Q /renes internos cil@ndricos o tu7ulares sin reestimiento& drenes to%o.

Q /renes internos cil@ndricos reestidos o drena4e entu7ado$ ;ue es el mscom9n en la actualidad.

Es"eci6caciones

Diseo de la red.8eg9n ?o4as (1,"#$ el diseo de un sistema de drena4esu%ercial com%rende dos ases %rinci%ales$ el tra3o y el diseo de lassecciones hidrulicas.

)ra9o de la red.6l tra3o de la red de drena4e$ consiste en la ela7oracin deun %lano con la u7icacin de cada uno de los drenes %rimarios ysecundarios. ara dicho tra3o se tomarn en cuenta seg9n IMTA (1!"#$ lassiguientes es%ecicaciones&

Locali9aci2n.Los drenes de7ern locali3arse siem%re so7re caucesnaturales$ con los acondicionamientos ;ue re;uieran %ara darles la

ca%acidad y uncionamiento adecuados$ ya ;ue en esta orma se lograruna econom@a en @as$ o7ras y se eitan aectaciones innecesarias.

-arcelamieno.6l tra3ado de7e acilitar en lo %osi7le un %arcelamientoadecuado$ ya ;ue la tenencia de la tierra infuye en la densidad de la red7sica de drena4e. As@$ mientras mayor sea el tamao de los %redios o lotes$menor ser el n9mero de los mismos y %or lo tanto$ la longitud de loscanales de desagPe.

)ra9o.IMTA (1!"# seala ;ue %ara tener un me4or uncionamientohidrulico$ es desea7le ;ue los canales de desagPe tengan tra3o recto y ;uese eiten en lo %osi7le cam7ios de direccin. 8in em7argo$ es me4or el ;ue


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se o7tiene mediante canales ;ue sigan las %artes de 7a4as de los terrenosencharcados$ en cuyo caso es necesario construir curas en cada cam7io dedireccin. 6n general$ de7ern eitarse las curas muy cerradas$ eligiendocuras suaes a n de me4orar las caracter@sticas hidrulicas y la esta7ilidadde las secciones de los canales de desagPe.

6l IMTA (1!"# recomienda %ara el diseo de curas las siguientescuraturas m@nimas sealadas en el 0uadro 1.

Cuadro :. Radios m!nimos de cur0aura &m( en suelosesa#les sin "roecci2n en los mrgenes.

/e acuerdo con alacios (**#$ la dis%osicin de los desagPes y colectores%arcelarios 7a4o distintas condiciones de %endiente de los terrenos son&

Q endiente m@nima. Los desagPes y los colectores de7en ser%er%endiculares$ ;ue sus longitudes sean moderadas$ con es%aciamientos

homogBneos y sus %endientes de7en ser continuas.

;igura


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;igura >. Disri#uci2n de "lanos de escurrimieno desag=es enerrenos con "endiene.

6l diseo del sistema de desagPes de acuerdo con alacios (**#$ consisteen&

Q Locali3ar el sitio$ generalmente de un colector$ ;ue %uede ser una 3ona7a4a$ donde se reci7irn los ol9menes de agua remoidos. 0uando lascondiciones to%ogrcas no %ermiten la salida graitacional del agua$ tiene;ue considerarse una estacin de 7om7eo$ con todo lo ;ue esto im%lica.

Q /enir la u7icacin en %lanta de los desagPes$ lo ;ue im%lica denir sues%aciamiento y locali3acin.

Q /enir la ca%acidad de conduccin y dimensiones de la seccin hidrulicade los desagPes y colectores de drena4e su%ercial.

Esrucuras.Al momento de reali3ar los leantamientos to%ogrcos$ selocali3an estructuras del sistema de desagPe y entre las %rinci%ales estnlos %uentes$ alcantarillas$ ca@S das$ entradas de agua$ ados$ rematesnales$ etc.

Diseo de las secciones hidrulicas.La infuencia de la rugosidad detaludes y ondo de un canal o dren se maniesta en uncin del tamao dela seccin hidrulica. IMTA (1!"#$ %ro%one la siguiente relacin&

Cuadro ,. Valores de n "ara canales 9an/as dados "or?ar2n.


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La 6cuacin 1 o el0uadro * se utili3ar en7ase a la inormacindis%oni7le y cuando se utili3an am7os$ es %reeri7le utili3ar el alor mayor.

Velocidades mximas m!nimas "ermisi#les $V% &m's( en losdrenes.

Velocidad mxima "ermisi#le.8eg9n Luthin (1",#$ %ara eitar eldeslae en las 3an4as a7iertas des%roistas de egetacin$ antes del diseose de7en conocer las elocidades m:imas %ermisi7les. 6n el cuadro ) semuestran las elocidades m:imas %ermisi7les considerando el material en;ue re%osan los canales.

Cuadro @. Velocidades mximas "ermisi#les en m's"ara dierenes canales

Velocidad m!nima "ermisi#le./e%ende de la sedimentacin$ crecimientode %lantas acuticas y control sanitario. La elocidad a la ;ue no se %roducesedimentacin$ de%ende del material trans%ortado %or el agua. 6n la%rctica %ara asegurar el arrastre de limos$ la elocidad de7e ser mayor a.*= m


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0omo se muestra en el 0uadro N$ la elocidad est en uncin del materialde arrastre.

Cuadro


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Cuadro >. )alud "ara secciones ra"eciales en dierenesmaeriales.

Los taludes recomendados %ara los canales de desagPe se %resentan enel 0uadro ".

Cuadro B. )aludes "ara canales.

IMTA (1!"# sugiere ;ueen el diseo del talud

de7er %reerse el ti%o de mantenimiento a reali3ar$ %ues Bste$ estardeterminado %or el talud como se o7sera en el 0uadro ,.

Cuadro . )aludes de los canales de drena/e "ara 0arios m5odos demanenimieno.


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ESTUDIOSHIDRAUICOS

-a finalidad del diseo %idrulico de las alcantarillas es encontrar el tipo & tamao de

las mismas que desagen de la manera ms econ'mica la corriente originada por una

lluvia de frecuencia establecida.


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!igura evanta"iento topogr#$ico para el e"pla%a"iento de una alcantarilla.

*eneralmente, la alcantarilla reduce el cauce de corriente, ocasionando un

represamiento del agua a su entrada & un aumento de su velocidad dentro del conducto &

a la salida. El ito del diseo %idrulico radica, por consiguiente, en proveer una

estructura con capacidad de descargar, econ'micamente, una cierta cantidad de agua

dentro de lmites establecidos de elevaci'n del nivel de las aguas & de velocidad.

/uando la altura & la descarga %an sido determinadas, la finalidad del diseo es

proporcionar la alcantarilla ms econ'mica, la cual ser la que con la menor secci'n

transversal satisfaga los requerimientos del diseo.

CARACTER&STICAS DE !U'O E( AS ACA(TARIAS.

El pro&ectista de las alcantarillas de una carretera precisa conocer la mecnica bsica

del flujo en el conducto, pues ella permite establecer las ecuaciones que relacionan la

altura de agua a la entrada con el gasto & las dimensiones de la alcantarilla.

!igura !actores )ue regulan el escurri"iento a travs de una alcantarilla

El escurrimiento a travs de una alcantarilla generalmente queda regulado por lossiguientes factores: pendiente del lec%o de la corriente aguas arriba & aguas abajo del


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lugar, pendiente del fondo de la alcantarilla, altura de embalse permitida a la entrada,

tipo de entrada, rugosidad de las paredes de la alcantarilla, & altura del remanso a la

salida.

0odos estos factores se combinan para determinar las caractersticas del flujo a travs de

la alcantarilla. En la 1igura se compara el flujo por un canal abierto & a travs de un

conducto cerrado.

El gradiente de energa, tambin llamado lnea de carga total, es la suma de la carga por

velocidad, v$2$g, la profundidad del flujo o la altura pie#omtrica, seg3n se trate de un

canal o de un conducto cerrado, & la elevaci'n sobre un datum arbitrario, 4.

!igura A.

Co"porta"iento del $lu*o a travs de un canal cerrado + de un conducto abierto.

-a lnea del gradiente de energa baja en el sentido del flujo, siendo su pendiente igual a

la relaci'n 5- 2-, donde 5, es la prdida total de carga en la distancia -.

El gradiente %idrulico o lnea de carga pie#omtrica es la suma de la elevaci'n 4 del

fondo del conducto sobre un plano de referencia ms la altura de agua o la altura

pie#omtrica, seg3n corresponda.

6bsrvese en la 1igura que en los canales abiertos, el trmino p27 es equivalente a la

profundidad del flujo &, por consiguiente, la lnea del gradiente %idrulico coincide con

el nivel de la superficie del agua. En los conductos cerrados que trabajan a presi'n, p27

es la altura pie#omtrica, & la lnea del gradiente %idrulico est por encima de la cara


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superior del conducto en tanto que la relaci'n entre la presi'n interna & la presi'n

atmosfrica sea positiva.

En una secci'n un poco antes de la entrada de la alcantarilla, como en la "ecci'n ! del

esquema, el flujo es esencialmente uniforme & las lneas de gradiente %idrulico & de

energa prcticamente son coincidentes. l entrar el agua en la alcantarilla, "ecci'n $, el

flujo se contrae & poco despus se epande, debido a la geometra de la entrada,

producindose una prdida de energa en dic%a secci'n. l restablecerse aguas abajo

una distribuci'n normal de la velocidad, "ecci'n 8, a lo largo del canal se ocasiona una

nueva prdida de energa debido a la fricci'n o resistencia de forma del conducto. En la

salida, "ecci'n 9, %a& una nueva prdida de energa causada por la turbulencia de la

epansi'n del flujo & por el retardo que ste sufre por el agua del canal de salida.

1inalmente, al fluir el agua libremente en el canal, el flujo se restablece & el gradiente

%idrulico coincide con la superficie del agua, "ecci'n .

-os ensa&os de laboratorio & las observaciones de campo %an evidenciado que eisten

dos tipos principales de flujo en las alcantarillas: flujo con control a la entrada & flujo

con control a la salida, entendindose por control aquella secci'n donde eiste una

relaci'n definida entre el gasto & la profundidad.

/ontrol a la Entrada significa que la capacidad de la alcantarilla est regulada por la

geometra de la secci'n (rea, forma & naturale#a del contorno) & por la altura de agua a

la entrada del conducto, independientemente de que sta est descubierta o sumergida;

no siendo afectada, en cambio, por la longitud, rugosidad & condiciones de salida de la

alcantarilla. -a 1igura < muestra flujos caractersticos con control a la entrada. Para estacondici'n de trabajo, las relaciones entre altura de agua & gasto en diferentes tipos de

conductos circulares & abovedados %an quedado establecidas mediante observaciones de

laboratorio reali#adas en modelos & verificadas en prototipos.

=na alcantarilla puede tener su control a la entrada cuando, trabajando con sta

descubierta, la pendiente del conducto es supercrtica. /aso ms com3n es cuando,

estando la entrada sumergida, el conducto no flu&e lleno. =na alcantarilla que trabaja

con control a la entrada recibe el nombre de alcantarilla %idrulicamente corta.

"i la altura de agua a la entrada es alta, la pendiente del conducto suave & la longitud de

la alcantarilla suficientemente larga, la secci'n de control puede cambiar de la entrada a

la salida.


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!igura ,. Alcantarillas con control a la entrada a- (o su"ergida b- su"ergida.

l tenerse control a la salida, a los factores de regulaci'n de la capacidad de la

alcantarilla considerados anteriormente se aaden otros: la longitud, pendiente &

rugosidad del conducto, las prdidas de carga a la entrada &, a veces, la altura de agua a

la salida. /omo muestra la 1igura


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conocimiento de la mecnica bsica del flujo en los conductos cerrados, epresado en

forma de ecuaciones que relacionen el gasto o caudal con las dimensiones de las

alcantarillas, sino tambin un procedimiento de clculo que simplifique la aplicaci'n de

las numerosas variables involucradas en dic%as ecuaciones & permita relacionar la

capacidad %idrulica del conducto con los requerimientos %idrol'gicos.

El estudio de los tipos de flujo a travs de las alcantarillas %a permitido establecer las

relaciones eistentes entre la altura de agua a la entrada del conducto, el gasto & las

dimensiones de la alcantarilla. Para el caso de las alcantarillas trabajando con control a

la entrada, los resultados eperimentales obtenidos se %an vertido en forma de

monogramas. /uando se trata de alcantarillas que trabajan con control a la salida, para

pasar una cantidad de agua a travs de ellas se requiere una carga o energa 5 capa# de

suministrar la carga de velocidad, 5v, la prdida de carga a la entrada, 5e, & la prdida

de carga por fricci'n, 5f, en el conducto, es decir:

A B Av CAe C Af.

-a carga por velocidad es igual a v$2$g; la prdida de carga a la entrada depende de la

geometra de la entrada, & se epresa en funci'n de la carga de velocidad como

/e>v$2$g; la prdida de carga por fricci'n se puede calcular mediante la ecuaci'n de

?anning:

onde @ & - se miden en metros, v en m2seg. & g en m2seg$. "ustitu&endo estos valores

en la primera ecuaci'n, se tiene:

0ambin se puede escribir como:

Pero, en las alcantarillas que tienen el control a la salida, no basta con determinar la

carga utili#ada. Es necesario calcular la altura de agua a la entrada, 5E, considerando la


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pendiente de la alcantarilla & las condiciones de la salida. En la 1igura /, igualando la

energa total aguas arriba a la energa justo a la salida de la alcantarilla, se obtiene:

!igura C Energa a la entrada + salida de la alcantarilla.

"i, antes de la entrada al conducto, la carga por velocidad es pequea, su valor puede

despreciarse, el nivel de la superficie del agua & la lnea del gradiente de energa

coinciden, & la altura de agua a la entrada ser

El valor de 5 debe medirse desde cierto plano a la salida. -a elevaci'n o cota de este

plano depende del gasto o de la altura de agua a la salida. Para simplificar los clculos,

se designa como %o a la distancia entre el fondo del conducto a la salida & este plano.

e esta manera, la ecuaci'n anterior se escribe bajo la forma:

Para alcantarillas que flu&en llenas, %o es igual a la altura del conducto o a la altura de

agua a la salida, eligindose el valor que resulte ma&or (1ig. ). Para alcantarillas queflu&en parcialmente llenas, % es igual a (d A )2$ o a la altura del agua a la salida,

tomndose aqu tambin el valor que sea ma&or (1igura E)

!igura D Alcantarilla a !lu*o lleno.


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!igura E Alcantarilla a $lu*o parcial"ente lleno

DISE0O DE AS ACA(TARIAS.

El diseo de una alcantarilla, cuando se reali#a integralmente, es un proceso que abarca

no solamente el diseo %idrulico del conducto sino que se refiere a las condiciones de

ubicaci'n, alineamiento & pendiente que tendr la estructura, a la selecci'n del tipo,forma del conducto & de sus instalaciones accesorias, al estudio de los posibles daos

que puede ocasionar la erosi'n producida por las aguas & a su remedio, a las

condiciones de instalaci'n del conducto & al clculo estructural bajo las cargas eternas

a que estar sometido, a la prevenci'n de los daos derivados de la corrosi'n, al anlisis

de la obra desde los puntos de vista de la seguridad & de la esttica vial & a la

justificaci'n econ'mica del diseo que se %a&a propuesto. /omo los sistemas de drenaje

inciden sobre el costo de conservaci'n & mantenimiento de las carreteras, tambin es

necesario, que las alcantarillas sean diseadas considerando que su funcionamiento

deber estar acorde con las limitaciones impuestas por los sistemas & mtodos demantenimiento.

a- E"pla%a"iento de las alcantarillas

Eisten tres factores importantes que deben tomarse en cuenta en la locali#aci'n de una

estructura de drenaje para lograr el ma&or grado de eficiencia & seguridad; estos factores

son: alineamiento, pendiente & elevaci'n.

El alineamiento ms adecuado se logra cuando la estructura se adapta a las condiciones

topogrficas del lugar; esto significa que el eje de la alcantarilla deber coincidir con el

lec%o de la corriente, evitando cambios bruscos que impidan o retarden el flujo normal.

"e puede lograr un alineamiento recto cambiando la direcci'n del cauce, alineando la

alcantarilla oblicuamente con respecto al eje original de la va, o combinando ambos

mtodos.

"e justifica un cambio de direcci'n en el cauce cuando el costo de esto sea compensado

por una disminuci'n en la longitud o dimetro de la alcantarilla; un alineamiento

oblicuo aumenta la longitud de la alcantarilla, si bien aumenta en eficiencia %idrulica.

/uando es indispensable un cambio brusco de direcci'n en el alineamiento %ori#ontal,

ste debe reali#arse mediante curvas tan amplias como sea posible, evitando que los


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etremos de la alcantarilla se encuentren cerca del lugar donde la corriente cambia de

curso.

=n factor que afecta directamente la ubicaci'n de las alcantarillas es la capacidad de

soporte del suelo. /uando la obra es de envergadura, es necesario %acer los estudios

previos correspondientes, &a que la naturale#a del suelo podra obligar a cambiar un

alineamiento recto por otro curvo o a no utili#ar total o parcialmente el cauce natural

para colocar la alcantarilla, o a mejorar el material eistente en los sitios que se

requiera. -as estructuras de drenaje deben ser construidas, en general, para la misma

pendiente del lec%o del cauce. Bo tomar en cuenta la pendiente del drenaje natural

puede provocar serias consecuencias.

=na alcantarilla con una pendiente demasiado baja provoca una reducci'n en la

velocidad del flujo &, por lo tanto, reduce la capacidad %idrulica. -a sedimentaci'nproducida por las bajas velocidades bloquea gradualmente el paso del agua durante

perodos de flujo normal, %asta el punto en que un inesperado flujo puede causar una

inundaci'n. Por otra parte, una pendiente ma&or que la del lec%o de la corriente puede

inducir un incremento de la velocidad capa# de desgastar & minar la estructura.

En lo que se refiere a la elevaci'n, las alcantarillas deben colocarse preferiblemente con

su fondo al ras del cauce & no ms bajas. /uando se requiere bajar el fondo del canal, es

necesario reconformar tambin el lec%o aguas abajo, ajustndolo a la nueva rasante &

pendiente. =na limitaci'n para ubicar una alcantarilla en el fondo del canal, podra ser

la imposibilidad de lograr un sistema prctico para la conservaci'n & mantenimiento;

otra, el alineamiento %ori#ontal, que en ning3n caso debera tener quiebres bruscos. En

el caso de no colocarse la alcantarilla en el fondo, debera ubicarse sobre terreno firme,

a un lado del cauce natural.

%ora bien, %a& casos en que las recomendaciones anteriores deben variarse. -as

circunstancias que a ello obligaran & las alternativas correspondientes son:

!. En #onas recientemente niveladas de declive relativamente suave, puede %aber

sedimentaci'n; la alcantarilla puede colocarse unos centmetros ms alta que el lec%o de

la corriente, pero conservando la misma pendiente.

$. /uando la altura del terrapln es reducida, el colocar la alcantarilla ms baja que el

lec%o de la corriente produce sedimentaci'n & reduce el rea %idrulica; aqu debe

usarse una estructura anc%a & de poca altura, como un tubo abovedado; en algunos casos

puede elevarse la cota del camino.


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8.


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En el caso de las alcantarillas de concreto, la elecci'n de la forma debe ser %ec%a

cuidadosamente, dependiendo ello, entre otros factores, de la topografa del lugar & de la

eficiencia %idrulica & estructural &, por supuesto, de los costos de construcci'n.

Fnicialmente, la selecci'n de la forma se %ace buscando la que mejor se adapte al cauce

del canal de drenaje. En canales estrec%os & profundos, que lleven altos flujos en las

pocas lluviosas, es ms conveniente instalar alcantarillas estrec%as & altas. En #onas

planas, sin cauces definidos, el agua escurre en grandes vol3menes pero pequeas

alturas; en este caso, una alcantarilla de caj'n de varias celdas o aberturas ser la

indicada.

!or"as "#s utili%adas de alcantarillas "et#licas.

-as alcantarillas de caj'n son adecuadas cuando trabajan bajo condiciones de

compresi'n moderada o rellenos mu& bajos; cuando las cargas de relleno aumentan; o

cuando las presiones %idrostticas internas son ma&ores que las cargas eteriores, esta

forma de alcantarilla se %ace menos econ'mica.

-as alcantarillas de varias celdas se adaptan a rellenos moderados & a largos cursos de

agua; son ventajosas cuando la pendiente del terreno es fuerte & la altura de relleno est

restringida. En estas alcantarillas no se presentan problemas de fundaci'n; sobre suelos

que no soportan compresi'n o que tienen baja capacidad de carga, las presiones se

distribu&en de forma ms uniforme & sobre un rea ms anc%a que en los otros tipos de

alcantarillas; el asentamiento es menos probable &, por lo tanto, disminu&e la posibilidad

de %undimientos en la va. En fundaciones sobre roca, el espesor de la losa de fondo

puede ser reducido &, a veces, %asta eliminado mediante el uso de pequeas bases.

-as alcantarillas circulares pueden ser prefabricadas o de diseo especial.


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-as prefabricadas se utili#an cuando van a estar sometidas a cargas de relleno & cargas

%idrostticas, dentro de los lmites normales. /uando la eficiencia %idrulica es

importante, como en el caso de alcantarillas largas, las caractersticas de las alcantarillas

de concreto circulares son decisivas para su elecci'n. En efecto, para un permetro dado,

la secci'n circular tiene ma&or rea que cualquier otra forma, lo que significa economa

de materiales. dems, para un rea dada de secci'n circular se tendr el ma&or flujo

debido al ma&or radio %idrulico.

-as alcantarillas de diseo especial son vaciadas en sitio. -as de forma circular se

utili#an debajo de grandes rellenos donde se prevn altas presiones. "on adecuadas para

variadas condiciones de cargas, inclu&endo grandes presiones internas. "e disean con

la cara inferior relativamente plana, logrando de esta manera una distribuci'n amplia de

la carga, lo cual proporciona grandes espesores & resistencia en los lados & la

transmisi'n uniforme de los grandes empujes a las fundaciones, & pequeos espesores

en la parte superior para resistir las pequeas presiones & fuer#as cortantes. En resumen,este tipo de alcantarilla tiene el diseo %idrulico de un tubo circular, las propiedades de

soporte de un arco & una base plana tan 3til como las alcantarillas de caj'n.

/uando las alcantarillas van a estar colocadas debajo de rellenos mu& pesados o cuando

las cargas verticales son moderadas pero las presiones laterales son mu& pequeas para

ser efectivas en la reducci'n de momentos, el tipo de alcantarilla ms econ'mico a

utili#ar es el que tiene un tope parab'lico. Esta forma se adapta ms a la lnea de presi'n

de las cargas resultantes &, por lo tanto, gran parte de la carga se transmite como empuje

directo, sin producir grandes momentos flectores.

iferentes formas, inclu&endo las parab'licas, semielpticas & ovoidales, son

especialmente efectivas en estos casos & en el mantenimiento de buenas condiciones

%idrulicas.

En cuanto a la clase de los materiales que se emplean para la fabricaci'n, no puede

decirse que eista uno que sea universalmente superior a los dems. El contenido

qumico de las aguas & la acci'n abrasiva de las corrientes varan de un lugar a otro & la

eperiencia ensea que en algunos sitios las aguas & los suelos cidos corroen las

alcantarillas de metal rpidamente, en tanto que en otros, algunas aguas minerales

pueden desintegrar las estructuras de concreto.

DISE0O HIDRAUICO DE AS ACA(TARIAS.

El conocimiento del comportamiento del flujo a travs de las alcantarillas permiti'

establecer las relaciones eistentes entre la altura de agua a la entrada del conducto, el

gasto & las dimensiones de la alcantarilla.


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En muc%os casos es difcil predecir el tipo de operaci'n que se producir para un gasto

dado & determinada alcantarilla. En algunos casos, el control del flujo cambia al variar

el caudal, fluctuando ocasionalmente de la entrada a la salida o viceversa. Es por ello

que, cualquiera que sea el mtodo de diseo que se sigua, es necesario anali#ar ambos

flujos, de manera de poder reali#ar el diseo para las condiciones ms adversas.

iversos mtodos %an sido propuestos para el diseo %idrulico de las alcantarillas.

lgunos de ellos siguen un procedimiento elaborado, el cual conduce a determinar la

clase & tipo de operaci'n del conducto, que corresponden a los mtodos desarrollados

por los pto. de /arreteras de 0eas & GentucH& (=".), este mtodo &a no es usado

por ser mu& elaborado & antiguo. En los 3ltimos tiempos se consideran los

procedimientos abreviados de las I5&draulic Engineering /ircularsJ, como el ms

sencillos de aplicar al diseo. partir del ao !KC! en que fue publicada la 5&draulic

Engineering /ircular num., el mtodo all sugerido %a adquirido aceptaci'n general &

es la base actual para el diseo %idrulico de las alcantarillas.

-a ltura de agua permisible a la entrada (5EP) se considera como la mima

profundidad que deber alcan#ar el agua para garanti#ar un borde libre mnimo de ,9

m. Entre la superficie del agua & el nivel de la subrasante de la carretera & evitar en lo

posible inundaciones en las propiedades aguas arriba de la alcantarilla.

El conocimiento de la altura de agua a la salida es importante para determinar la

capacidad de las alcantarillas que flu&en con control a la salida. En muc%os casos, el

canal de salida ser relativamente anc%o, & la profundidad del agua en el ser menor que

la altura de agua a la salida del conducto. En estos casos, la altura de agua a la salida no

constitu&e un control, por lo que ser innecesario calcularla. 6tras veces, la altura de

agua, aguas abajo, estar controlada por a!guna obstrucciCn aguas abajo o por un

remanso producido por la confluencia. /on otra corriente de agua.

En los casos en que se %ace necesario determinarla, la altura de agua a la salida se

considera como la profundidad normal del cauce o canal donde desemboca la

alcantarilla.

/uando este es un cauce natural, de secci'n, pendiente longitudinal & rugosidad

relativamente uniformes, la profundidad normal puede aproimarse mediante la formula

de ?anning, elaborando una curva de rgimen. Esta curva representa el caudal que pasa

por una secci'n no revestida (diferentes coeficientes de ?anning), irregular a una

determinada altura de agua.


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-a velocidad permisible a la salida deber ser aqulla que evite la erosi'n del terreno en

el canal de salida. Para canales no revestidos las velocidades mimas recomendables

son las siguientes:

1elocidades "#2i"as reco"endables en canales no revestidos

Documents

Drenaje superficial.docx