diseño de alcantarillas

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Ing. José Martín Diaz Arias Satipo, Junio 2014 DISEÑO DE OBRAS DE DRENAJE EN CARRETERAS

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Ing. José Martín Diaz Arias

Satipo, Junio 2014

DISEÑO DE OBRAS DE DRENAJE EN CARRETERAS

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

Flujosobre lacarretera

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 Función Tipo de Caudal y capacidad

máxima estimada

TMC 600 mm

Ó tubos de concreto

Solamente como pase de riego. Qmax = 0.40 m3/s

TMC 900 mm Pluvial, de dimensiones mínimas

por mantenimiento

Qmax = 0.90 m3/s

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.

Tipo Función Tipo de Caudal y capacidad

máxima estimada

Badén Quebradas 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.

OTRAS OBRAS DE ARTE TRANSVERSALES

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 Marco de concreto

armado

Comentarios

Costos Menor costo Mayor costo Depende mucho de los

agregados

Rapidez de

construcción

Rápido Normal Mejor es la TMC

Rugosidad 0.024 0.015 El concreto tiene mayor

capacidad hidráulica

Calculo hidráulico Ábacos HDS05

HEC RAS

HY8

Ábacos HDS05

HEC RAS

HY8

El cálculo es similar, varían

los coeficientes y ábacos.

Relleno controlado Si requiere un relleno

estructura para que

funcione

No requiere un

relleno estructural, el

marco es

autoportante

Sin embargo el pavimento si

require un control de los

rellenos estructurales en

ambos casos.

Velocidad máxima Depende del espesor de

la plancha metálica

Depende de la

calidad del concreto

y el recubrimiento.

En ambos casos v max < 5 m/s

Cabezales De concreto De concreto Son iguales

Cuadro comparativo entre alcantarillas TMC y alcantarillas tipo Marco

Parámetro TMC Marco de concreto

armado

Comentarios

Recubrimiento 0.60 m 0.00 Si marco de concreto se

refuerza puede quedar a nivel

de rodadura.

Limpieza La corruga puede

atrapar sedimentos,

piedras, palizadas

El acabado liso

permite una mejor

limpieza del interior

Mejor el marco de concreto

Pendiente longitudinal Entre 2% y 5% Entre 2% y 5 %, pero

permite gradas,

cambios de

pendiente, etc.

Mejor la alcantarilla Marco

Sección transversal Circular

Abovedada

Arco superior

Super SPAN

Rectangular,

Puede tomar

cualquier forma.

Debido a los encofrados

Resistencia a la

abrasión

No resiste arrastre de

sedimentos permanente.

Puede resistir mejor

el arrastre de

sedimentos

Para flujos constantes es

mejor una alcantarilla Marco

Mantenimiento Es fácil de cambiar los

paños dañados.

Resanar, picar y

cambiar los hierros

oxidados, usar

epóxidos como

puente de adherencia.

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

Discharge

(cms)

Headwater

Elevation

(m)

Inlet

Control

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