1 introduccion a la hidrotecnia vial 2010

INTRODUCCION A LA HIDROTECNIA VIAL

GENERALIDADES DE HIDROTECNIA VIAL

• El riesgo de que ocurran fenómenos naturales como huracanes, tormentas fuertes aumenta día a día. La solución a este problema depende en gran medida del desarrollo de la hidrología y del monitoreo sistemáticos de estos fenómenos.

• En el estudio hidrológico de una cuenca se plantea la necesidad de realizar un análisis de aquellas áreas susceptibles a inundaciones, para prevenir o mitigar el daño provocado por crecientes de gran magnitud a sectores importantes como ciudades urbanizadas, agricultura, etc.

GENERALIDADES DE HIDROTECNIA VIAL

• La vulnerabilidad de una estructura de drenaje deberá determinarse mediante una combinación de factores que influyen en la descarga de las aguas escurridas después de la lluvia. La magnitud con el agua atraviesa dicha obra depende fundamentalmente del uso que tenga el terreno, el desarrollo de la misma, la deforestación o cambios bruscos en intensidades de lluvia.

• Desde esta perspectiva y con el fin de ampliar un estudio puntualizado en una cuenca, se pretende realizar una revisión desde el punto de vista hidráulico e hidrológico sobre el punto de cierre y hacer un ploteo sobre las posibles zonas de inundación y también sobre el grado de socavación en las pilas del puente.

Posibles zonas de inundaciónFlujo Libre

Posibles zonas de inundaciónFlujo a Presión

Posibles zonas de inundaciónFlujo sobre Vertedero

30

29

28.0466 27.88

27

26

EJEMPLO 09 PUENTE Plan: EJEMPLO 09 PLAN PUENTE 24/02/2010

Legend

WS T=10 AÑOS

WS T=50 AÑOS

WS T=100 AÑOS

Ground

Bank Sta

Inef f

DRENAJE VIAL

• En una carretera, el sistema de drenaje es el conjunto de obras que posibilita un correcto manejo de las lluvias, considerando para tal propósito, procesos de captación, conducción, y evacuación de los mismos.

• Por lo tanto, uno de los aspectos más importante de la localización y diseño de carreteras es la necesidad de proveer un drenaje adecuado y económico con el objeto para la protección de la inversión realizada en una carretera, si como la salvaguarda de las vidas que la usan o vivan en sus alrededores.

• El drenaje es un proceso por el cual se controla o se elimina el exceso de agua en una vía o se evita que este llegue a ella, ya sea de origen superficial o subterráneo encontrada en los derechos de vía y el área adyacentes, generalmente esta agua procede de la precipitación.

DRENAJE VIAL

• Todas las obras para controlar el agua superficial se le denomina “drenaje superficial” y se considera longitudinal y transversal, según la posición que las obras guarden con respecto al eje del camino.

• El drenaje longitudinal tiene por objeto captar los escurrimientos para evitar que lleguen al camino o permanezcan en el, causando desperfectos.

• De este tipo de drenaje son las cunetas, contracunetas, bordillos y canales de encauzamientos o contracunetas. Se llaman drenaje longitudinal por se sitúan mas o menos paralelos al eje del camino.

• El drenaje transversal da paso expedito al agua que cruza de un lado a otro del camino, o bien la retira lo mas pronto posible de la corona, como tubos, cajones, vados, sifones invertidos, puentes, alcantarillas y el bombeo de la corona.

DRENAJE VIAL

• De acuerdo con la dimensión del claro de las obras de drenaje transversal, se ha divido al drenaje en mayor y menor. El drenaje mayor requiere obras con un claro superior a 6 m, como los puentes y a las del drenaje menor, alcantarillas.

• El que se ocupa del agua subterránea se le llama “drenaje sub superficial” o bien “sub drenaje”.

• El exceso de agua en los suelos o en la estructura de una carretera, afecta sus propiedades geomecánicas, los mecanismos de transferencia de carga, incrementos de presiones de poros, subpresiones de flujo, presiones hidrostáticas, y afecta la susceptibilidad a los cambios volumétricos. Por tal motivo, y aún cuando el agua es un elemento fundamental para la vida, es también una de las causas más relevantes del deterioro prematuro de la infraestructura vial.

Componentes principales en drenaje en un camino o carretera

Las partes que conforman las estructuras de drenaje superficial en una carretera están constituidas básicamente por:

1. Bombeo en la corona de la vía:

• Acelerar el drenaje superficial del agua procedente de las lluvias, evitar que el agua penetre en la base del camino y afecte la resistencia, lo que traería como consecuencia la destrucción de la vía.

• Para superficies de tierra o de otro material de baja calidad, se debe usar una corona con bombeo de 2 a 2.5% y para superficies pavimentadas es suficiente un bombeo de un 1%.

• En líneas generales, el bombeo de la corona de la vía debe ser aproximadamente del 4% y un máximo de 6 ¼ %. Un bombeo con pendiente del 6 ¼ % se considera apropiado en rasantes llanas, en rasantes con pendiente suaves se acepta un bombeo máximo del 5 ½ % y pendientes fuertes el bombeo máximo se reduce al 4%.

BOMBEO


2. Hombros de la carretera. Estos se colocan al extremo de la vía de rodamiento con una inclinación que

varia entre el 4 al 8% para llevar el agua hacia el terreno adyacente, los canales laterales.

3. Cunetas. Las cunetas son canales pequeños que corren en sentido longitudinal del

camino y sirven para recoger el agua y apartarla de la explanación lo mas rápidamente posible.

Las cunetas no tienen por que llevar la misma pendiente longitudinal de la carretera.

Si la pendiente longitudinal de la cuneta es mayor del 2.5%, se debe revestir para evitar que la fricción del agua con la tierra


3. Cunetas. En la mayoría de los casos se consideran suficiente utilizar una sección

transversal triangular.

Las dimensiones podrían ser, una profundidad de 33 cm., un ancho de 1 m y taludes, del lado de la corona de 3:1 y, del lado del corte, el que corresponda según el material que de encuentre.

La longitud de la cuneta no debe ser mayor que 250 m.

Si sobrepasa este valor, se debe construir una obra de alivio que permita reducir esta longitud al captar y conducir el caudal de la cuneta aguas abajo, fuera del camino

CUNETA

SECCION TIPICA DE CUNETA

ENCHAPADO DE CUNETA

CUNETA ESCALONADA


4. Contra-cuneta. Son zanjas construidas más arriba del comienzo del corte de la vía y que

sirven para interceptar el agua que corre por partes mas elevadas de los taludes en las laderas adyacentes a la vía y prevenir erosión.

Estas zanjas deben tener la capacidad suficiente para que el agua no las rebose y baje a la vía y además, deben tener una pendiente de drenaje tal que permita que este se produzca lo más rápidamente posible.

La forma de su sección transversal es generalmente trapezoidal, pero puede construirse también en forma rectangular.

La contracuneta debe construirse solo en aquellas zonas donde el escurrimiento sea transversal al camino y provenga de una cuenca grande, de tal manera que pudiera sobrepasar la capacidad de la cuneta. Para su localización y proyecto, son importante la formación geológica, la topografía y la cobertura vegetal del terreno.

CONTRA-CUNETA

CUNETA INTERCEPTORA


5. Alcantarilla. Se consideran obras menores y consisten en conductos construidos con el fin de permitir

el paso del agua procedente de pequeños ríos, arroyos, canales o cunetas, a través del terraplén de la carretera.

La pendiente en una alcantarilla, debe ser igual a la superficie del terreno natural, pero nunca menor de 1% o preferiblemente del 2%.

La distancia de la parte superior del tubo al nivel de la subrasante del terraplén no debe ser menor de 0.5 diámetro y nunca menor de 0.40 m.

Las alcantarillas de tubo se usa mucho en los caminos y las carreteras para dar paso a pequeñas cantidades de agua; estas pueden proceder de los taludes en las laderas de los cortes (sección en excavación), o de una cuneta interceptora.

Para construir la longitud requerida de las alcantarillas de tubos, así como para proteger el terraplén de la socavación que produce la entrada y la salida del agua en dicha alcantarilla, se acostumbra construir un muro de hormigón, a la entrada y a la salida de las alcantarillas que reciben el nombre de muros de cabeceras.

ALCANTARILLA

ALCANTARILLA


6. Badenes. Estos se construyen en aquellos lugares de la vía urbana donde han sido

indicados en el proyecto, generalmente en las intersecciones (cruces de calle).

Sirven para permitir; primero, el paso del agua superficial que corre por la cuneta de la vía y que cruza la intersección de un lado a otro, y,

Segundo, el paso cómodo y suave de los vehículos por las intersecciones de calles que no poseen drenaje subterráneo.

Los badenes constan de una ligera depresión de forma ovalada o circular y se construyen del mismo material de que este hecho el pavimento.

BADENES

BADEN EN ACCESO A LA VIA


7. Puente. Son estructuras más grandes en el drenaje de una carretera (drenaje mayor), los

que al atravesar grandes corrientes, motivan diseños especiales para cada caso.

Los claros de estas estructuras están en función del caudal máximo en correspondencia de una crecida esperada que ocurra una vez en determinado tiempo de ocurrencia.

Generalmente, los caudales picos para puentes grandes se estiman utilizando datos pluviométricos que representan un periodo de retorno de 100 años, considerando razonable un periodo de 50 años para puentes pequeños (o alcantarillas grandes).

Con la actual desestabilización de muchas cuencas en áreas remotas y la falta de datos de confianza, se recomienda el análisis de un periodo de retorno de 100 años para cualquier puente con un claro mayor a los 20 metros.


8. Vado. Son estructuras que permiten el paso del agua por encima de la corona de la vía.

Cuando existen corrientes pequeñas y para corrientes mayores para un periodo de retorno de 2 años, se colocan tuberías para dejar pasar el agua con un tirante de agua de unos 40 cm. sobre la vía, algunos constructores se llama “puente vado”.

La selección de esta estructura deberá hacerse con mucho cuidado y solamente después de considerar los factores del sitio. Del canal, del diseño técnico, de costos y estudios ambientales.

La selección de un badén debe ser un lugar estable o un sitio que reducirá al mínimo su longitud y tamaño, los impactos, y los costos de construcción y mantenimiento de cualquier estructura.

Los factores principales que influyen en el uso de vado son: uso del camino (volumen del trafico, tiempo de espera aceptable del usuario), impactos y costos de demoras, tiempo de duración del nivel alto de agua y numero de veces por año, volumen de escorrentía y rango de fluctuaciones de agua, las características del sitio y costo total de la vida de la estructura.

VADOS

PUENTE VADO

VADO SUPERFICIAL

VADO SIMPLE REFORZADO

ASPECTOS A CONSIDERAR EN EL DISEÑO DE

UN SISTEMA DE DRENAJE • Se deben considerar los siguientes aspectos: • Ubicación de los componentes, Caudal de diseño, Características de los

suelos inmediatos, Impacto ambiental, Tipos de esfuerzos o cargas, Valoración de los productos ofrecidos en el mercado; Trazado y diseño del camino (dependerá de factores geomorfológicos e hidrológicos debe alterar lo menos posible la red de drenaje natural) y Arrastre de sedimentos.

• Un sistema de drenaje adecuado debe disponer de los requisitos necesarios para evacuar el agua que proviene de estas vías.

• El estudio del drenaje superficial debe empezar conjuntamente con el estudio del trazado.

• Lo ideal seria que el trazado siguiera las líneas divisorias de las cuencas, entonces el agua correría alejándose de la carretera y el único problema de drenaje se reduciría a como evacuar el agua producto de las lluvias.

• Por el contrario, aquellas vías que van paralelas a las grandes corrientes son muchos menos convenientes, pues como han de cruzar todos los afluentes lo hacen precisamente en los lugares donde estos son mayores.

ASPECTOS A CONSIDERAR EN EL DISEÑO DE

UN SISTEMA DE DRENAJE Una vez que la localización de la carretera ha sido establecida, el estudio de los problemas de drenaje se basa en:

1. La hidrologia, que es la ciencia que nos ayuda a calcular el escurrimiento que se ha de considerar, o sea predecir lo mas preciso posible la magnitud del caudal pico de diseño para varios intervalos de frecuencia.

2. El diseño hidráulico, que es la selección del tipo de drenaje que se ha de usar para evacuar el agua producto del escurrimiento, o sea diseñar aquellas estructuras hidráulicas para su conducción.

En la mayoría de los casos, el problema de drenaje se reduce a evacuar grandes cantidades de agua producto de las lluvias. Al construir una carretera, se destruyen las formas de drenaje establecidas en el terreno por donde pasa la vía.

El estudio del drenaje debe iniciarse con la elección de ruta:

Eligiéndose una zona que tenga menos problemas de escurrimiento. De ser posible, se utilizaran las pendientes máximas permisibles y se tratara de llegar y aprovechar los parteaguas, en donde el drenaje será mínimo.

Cuando los caminos se localizan en las laderas de las serranías el drenaje aumenta, aunque las cuencas y los cauces están generalmente bien definidos, al contrario de los terrenos planos, donde se pueden tener los mayores problemas de drenaje porque a menudo ni las cuencas ni los cauces están bien definidos.

Reconocimiento aéreo para elección de ruta con fotografías áreas en escala de 1:25000, que están disponibles en los diferentes organismos del gobierno, con el objeto de realizar foto-interpretaciones (prioridades de las vías terrestres de acuerdo con los estudios geográficos-físicos, económico-sociales y políticos.)

El estudio detallado del drenaje se lleva acabo durante las etapas del anteproyecto o del proyecto definitivo. Los defectos de una mala elección de ruta se reflejan tanto en estas etapas como después, en la construcción y la operación del camino.

El estudio del drenaje debe iniciarse con la elección de ruta:

• Debe evitarse también que los cortes, formados por materiales de mala calidad, se saturen de agua con peligro de derrumbes o deslizamientos según el tipo de material del corte, y debe evitarse además, que el agua subterránea reblandezca la subrasante.

• Cuando el camino debe de seguir el curso de una corriente de agua, las tercerías deben de quedar a una altura conveniente sobre el nivel de las aguas máximas del río, ya sea que se admita o no que el agua llegue hasta mojar las terracerias.

• Si la vía se encuentra en excavación (corte), el agua que cae sobre la carretera, los taludes y las elevaciones donde se ha efectuado el corte, se recoge en las cunetas a cada lado de la vía.

• Las dimensiones, pendientes y otras características de las cunetas dependen del flujo de agua que por ellas va a pasar. Debe tenerse en cuidado con las cunetas, y evitarse que al descargar el agua no se erosione la parte del talud del terraplén de la carretera.

Los daños e inconvenientes producidos por el agua se pueden agrupar en:

• Riesgos para la circulación:

– Deslizamientos, aumentos de la incomodidad y de la inseguridad al circular tras otros vehículos (proyección de agua), interrupción de la circulación.

• Daños a la infraestructura (explanaciones)

• Asientos de los rellenos, inestabilidad de los taludes, erosiones superficiales en los taludes, disminución de la capacidad de soporte de las explanadas.

• Daños a la superestructura (firme o carpeta)

• Progresión de grietas, contaminación de las capas granulares, erosión interna de los materiales granulares y de algunos suelos, separación de las capas del firme, otros daños a la integridad de la firme.

• Daños a la propia obra de drenaje y de los cauces

• Erosiones y socavaciones, aterramientos

• Daños a terceros: Inundaciones aguas arribas de la carretera debido a su presencia.

• La capacidad total para cualquier estructura deberá determinarse con base en una combinación de factores además de la descarga calculada.

• Estos incluyen los aumentos posibles en la descarga debido a cambios en el uso de la tierra de la cuenca, tal como desarrollo urbanístico, deforestación, o cambios en intensidades y modelos de precipitación.

• También deberá preverse una capacidad extra para arrastre. Tales consideraciones deberán hacerse particularmente en el diseño de alcantarillas de tamaño pequeño y mediano.

• La descarga puede determinarse por varios métodos hidrológicos.

• Puede ser determinada utilizando las marcas que deja el río al haber una correntada, así como también por medio de registros históricos de correntadas, utilizando información tabulada de ríos y rachuelos específicos de la zona, si existe.

• También se puede utilizar información general de la intensidad pluvial de la región, análisis regresivos de una región especifica para determinar las corrientes en función de la cuenca y sus características, usando métodos como la formula racional junto con información generalizada de la intensidad pluvial.

Los factores que afectan el escurrimiento del agua son los siguientes:

Cantidad y tipo de precipitación:

La precipitación es la fuente primaria del agua de la superficie terrestre, y sus mediciones forman el punto de partida de la mayor parte de los estudios concernientes al uso y control del agua.

Unos de los primeros pasos que se debe seguirse en muchos proyectos de diseño hidrológico, como el diseño del drenaje urbano, es la determinación del evento o eventos de lluvia que deben usarse.

La forma más común de hacerlo es utilizar una tormenta de diseño o un evento que involucre una relación entre la Intensidad de lluvia, la Duración y la Frecuencia o periodos de retorno apropiados para la obra y el sitio. En muchos casos existen curvas estándar de Intensidad – Duración – Frecuencia (IDF) disponibles para el sitio.


Tamaño de la cuenca:

Es un parámetro importante, y sus características depende de la morfología (forma, relieve, red de drenaje, etc.).

La forma de la cuenca es un parámetro que se relaciona con el tiempo de concentración, para que toda cuenca contribuya a la sección de la corriente en estudio (punto de cierre).

Cuanto mas irregular sea la cuenca mayor será su coeficiente de compacidad, una cuenca circular posee el coeficiente mínimo, igual a uno, a mayor tendencia a las crecientes en la medida en que este número sea próximo a la unidad.

Mientras que una cuenca con un factor de forma bajo esta menos sujeta a crecientes que otra del mismo tamaño pero con mayor factor de forma.

Otro parámetro en estudio es la densidad de drenaje, que usualmente toma valores entre 0.5 km / km2 para cuenca con drenaje pobre hasta 3.5 Km. / km2 para cuencas excepcionalmente bien drenadas.


• Declive superficial y permeabilidad de suelos y rocas:

La pendiente de la cuenca es vital, pues el agua se concentra con más rapidez mientras la pendiente es mayor y la topografía permite cauces más directos.

Si la permeabilidad de los suelos y rocas es alta a causa de su formación geológica (estratigrafía, facturación, etc.), el escurrimiento es menor ya que una buena parte del agua se infiltra. Son importantes su naturaleza, su color y su tipo de vegetación.

Entre mas impermeable es el suelo mas rápida es la escorrentía.

• Condiciones de saturación:

En cambio, en suelos con una saturación alta o con una cubierta de pastizales, el escurrimiento es mayor aunque lento en el último caso.


Cantidad y tipo de vegetación:

La cantidad de escurrimiento así como la cantidad de las estructuras de drenaje con la capacidad necesaria depende de las características de la cuenca.

Un bosque o un talud de corte y relleno con una buena cobertura vegetativa tendrán relativamente poco escurrimiento.

Un campo inhabitado, un área deforestada, o una superficie de camino raso tendrán un escurrimiento relativamente alto.

Así el coeficiente de escorrentía del método racional aumenta con menos vegetación, más perturbación de la cuenca y más superficies impermeables

• La cantidad de escurrimiento así como la cantidad de las estructuras de drenaje con la capacidad necesaria depende de las características de la cuenca.

• Un bosque o un talud de corte y relleno con una buena cobertura vegetativa tendrán relativamente poco escurrimiento.

• Un campo inhabitado, un área deforestada, o una superficie de camino raso tendrán un escurrimiento relativamente alto. Así el coeficiente de escorrentía del método racional aumenta con menos vegetación, más perturbación de la cuenca y más superficies impermeables.

• Sin la vegetación habrá más escurrimiento, mas agua llegara a los cauces.

• El propósito de toda investigación hidrológica relacionada con proyectos de drenaje e infraestructura es simple: proporcionar el caudal de diseño para definir los parámetros hidráulicos óptimos.

• Aunque los métodos simplistas como el Método Racional son excelentes para drenajes menores, las grandes cuencas relacionadas con puentes grandes requieren un método más complejo, como el método del transito de avenidas en cauces, de acuerdo con su magnitud y costo.

En forma mínima, los estudios hidrológicos deben incluir lo siguiente:

• Análisis estadísticos de registro disponibles sobre precipitación y escorrentía.

• Análisis de cuencas adyacentes o similares (sí fuera posible).

• Reconocimiento de campo de huellas de nivel máximo, características de cuencas tales como suelos, cubierta vegetal, coeficiente de rugosidad, etc.

• Análisis de gabinete de pendientes de cuencas, patrones de drenaje, formas de cuenca, etc., para lo cual deben utilizarse mapas topográficos, fotos aéreas, etc.

• Tormentas de diseño y cálculo de escurrimiento por sub.-cuencas.

• La regulación de la crecida de flujos de sub.-cuencas al puente, para determinar el caudal pico de diseño.

La investigación geotécnica debe incluir pero

no estar limitada a: • Perforaciones geotécnicas hasta profundidad de materiales consolidados

o roca madre y profundidades de socavación estimada. En terreno rocoso con bolones meter las perforaciones más del doble del diámetro del canto rodado más grande.

• Información de una investigación de perforaciones con respecto a la fuerza de suelo en orden o capacidad de carga (presión de apoyo) usando la prueba de penetración estándar (SPT), prueba de perforación o penetró metro de cono. Se usa esta información para determinar un cimiento adecuado.

• Análisis de plasticidad y de granulometría de materiales del lecho del rió y orillas a ser utilizadas en la determinación de socavación y erosión. También materiales que pueden ser usados en la construcción de la estructura.

• Análisis de muestras de perforaciones o muestras de tierra para determinar la fuerza o resistencia del suelo, características de consolidación y asentamiento, necesidades de compactación, etc.

…FIN…NOS FUIMOS

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