DRENAJES EN OBRAS VIALES

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    16-Apr-2015

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TEMA ABORDADO POR EL ING. RODRIGUEZ SUBIATE EDGAR

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DRENAJE EN OBRAS VIALESIng. Edgar Rodriguez Zubiate edgar_rz@yahoo.com

INTRODUCCIONLOS SISTEMAS DE DRENAJE TIENE COMO OBJETIVO: ELIMINAR LOS EXCESOS DE AGUA SUPERFICIAL SOBRE LA CARRETERA RESTITUIR LA RED DE DRENAJE NATURAL QUE ES AFECTADA POR EL TRAZO DE LA VIA CONTROLAR LOS FLUJOS DE AGUA SUBTERRANEA QUE AFECTAN LA ESTABILIDAD DE LA CARRETERA

LA CARRETERA INTERRUMPE EL DRENAJE NATURAL

LA DEFORESTACION HACE INESTABLE A LOS TALUDES NATURALES, Y POR LO TANTO A LA CARRETERA

Deforestacin

Hundimiento

Colapso de plataforma

Abandono de cantera sin un tratamiento adecuado

PARA EL DISEO DE LAS ESTRUCTURAS DE DRENAJE SE REQUIERE: hESTIMAR LA MAGNITUD Y FRECUENCIA DEL ESCURRIMIENTO PRODUCIDO POR LAS TORMENTAS h ESUDIAR LAS CARACTERISTICAS DEL DRENAJE SUPERFICIAL NATURAL DEL TERRENO h ESTUDIAR LAS CARACTERISTICAS DEL FLUJO DE AGUA SUBTERRANEA h ESTUDIAR EL EFECTO QUE LA CARRETERA TIENE SOBRE LOS CANALES Y CURSOS DE AGUA EXISTENTES

HIDROLOGIA LOS ESTUDIOS DE HIDROLOGIA TIENEN POR OBJETO ESTIMAR LOS CAUDALES DE DISEO PARA LAS OBRAS DE DRENAJE TRANSVERSAL DE LA CARRETERA, Y DE LAS OBRAS DE DRENAJE SUPERFICIAL Y SUBSUPERFICIAL

HIDROLOGIA LA HIDROLOGIA VERSA SOBRE EL AGUA DE LA TIERRA, SU EXISTENCIA Y DISTRIBUCION, SUS PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS, Y SU INFLUENCIA SOBRE EL MEDIO AMBIENTE, INCLUYENDO SU RELACION CON LOS SERES VIVOS LA INGENIERIA HIDROLOGICA INCLUYE AQUELLAS PARTES DEL CAMPO QUE ATAEN AL DISEO Y OPERACIN DE PROYECTOS DE INGENIERIA PARA EL CONTROL Y EL USO DEL AGUA

a. EL FENOMENO DE LA ESCORRENTIA a1. COMPONENTES DE LA ESCORRENTIA El camino seguido por una gota de agua desde el momento en el cual alcanza la tierra hasta cuando llega al curso de una corriente es incierto El flujo de agua sobre la tierra o escorrenta superficial, corresponde al volumen de agua que avanza sobre la superficie de la tierra hasta alcanzar un canal

El flujo superficial sobre un suelo permeable slo puede tener lugar cuando la intensidad de la lluvia es mayor que la capacidad de infiltracin Una porcin de agua que se infiltra a travs de la superficie de la tierra puede moverse lateralmente en las capas superiores del suelo hasta llegar al cauce de la corriente. Esta agua, llamada escorrenta subsuperficial, se mueve ms lentamente que la escorrentia superficial y alcanza las corrientes posteriormente

a2. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ESCORRENTIA SUPERFICIAL Factores Climticos - Intensidad de precipitacin - Duracin de la precipitacin - Precipitacin antecedente Factores Fisiogrficos - Area - Permeabilidad Factores Humanos - Obras Hidrulicas construidas en la cuenca - Rectificacin de ros

a3. VARIABLES QUE CARACTERIZAN LA ESCORRENTIA SUPERFICIAL Caudal Q Coeficiente de Escorrenta Superficial CEs la relacin entre el volumen de agua escorrenta superficial total y el volumen total de agua precipitada, en un intervalo de tiempo determinado Tiempo de Concentracin (Tc) - Es el tiempo que la lluvia que cae, en el punto ms distante de la corriente de agua de una cuenca, toma para llegar a una seccin determinada de dicha corriente

Periodo de Retorno (tr) - Se dice que un evento de magnitud dada (en este caso un caudal de avenida, o mximas intensidades de precipitacin) tiene un periodo de retorno de tr aos si ese evento, en promedio, es igualado o superado una vez cada tr aos - En la eleccin del periodo de retorno, a utilizar en el diseo de una obra de drenaje, es necesario considerar la relacin existente entre la probabilidad de excedencia de un evento, la vida til n de la estructura, y el riesgo r de falla aceptable

La probabilidad de ocurrencia del evento dentro de n aos de la vida til de la obra, denominado riesgo r , esta dado por: 1 n r = 1 (1 ) tr Cuadro 1 Periodo de retorno tr, en aos Riesgo r 75 50 25 10 10 7.7 15 35 95Vida til en aos

20 15 29 70 190

25 19 37 87 238

50 37 73 174 475

100 73 145 348 950

una cuenca pequea de reas menores de aproximadamente 12 Km2 - Se asume que la lluvia se distribuye uniformente en el tiempo - Se asume que la lluvia se distribuye uniformemente en el espacio La duracin de la tormenta generalmente excede el tiempo de concentracin

b. ESTUDIO DE MAXIMAS AVENIDAS b.1 PEQUEAS CUENCAS Las siguientes caractersticas describen

METODO RACIONAL El mtodo racional es el mtodo ms comunmente usado para el anlisis de flujos en pequeas cuencas: Q = 0.278 C I A Q= es el caudal pico correspondiente a una intensidad de lluvia, duracin y fecuencia dados, en m3/s C = coeficiente de escurrimiento (adimensional) I = intensidad de la lluvia , en mm/h A = Area de la cuenca , en Km2

b.2 CUENCAS INTERMEDIAS Se considera a cuencas intermedias a cuencas cuyas reas se encuentran comprendidas, aproximadamente entre 100 a 1000 Km2. Las siguientes caractersticas describen una cuenca mediana: - La intensidad de la lluvia varia dentro de la duracin de la tormenta Se asume que la lluvia est uniformemente distribuida en el espacio En el caso de no tener registros de caudales mximos, la tcnica ms usada para el estudio de avenidas es la del hidrograma. - Hidrograma unitario - Hidrograma unitario sinttico

ANLISISCaudales Caudales + Precipitaciones

Modelos Precipitacin Escorrenta

SISTEMAS DE CONTROL DE AGUASZANJAS DE CORONACION CUNETAS LATERALES ALCANTARILLAS Y BADENES DRENES INTERCEPTORES SUBDRENES DE PENETRACION DRENES VERTICALES CORTINAS SUBTERRANEAS GALERIAS Y TUNELES DE DRENAJE PANTALLAS DE DRENAJE POZOS DE DRENAJE TRINCHERAS ESTABILIZADORAS

DRENAJE SUPERFICIAL SUBDRENAJE DEFENSAS RIBEREAS

1. DRENAJE SUPERFICIAL1.1 DRENAJE TRANSVERSAL DE LA VIA DRENAJE TRANSVERSAL DE LA EL CARRETERA SE CONSIGUE MEDIANTE ALCANTARILLAS Y BADENES LAS FORMAS USUALES DE ALCANTARILLAS SON LAS CIRCULARES, LAS DE CAJON, Y MULTIPLES. PERO TAMBIEN SE TIENEN ELIPTICAS, ARCOS PARABOLICOS, ETC LA VIDA UTIL DE LOS MATERIALES CONSTITUYENTES DE LA ALCANTARILLA DEBE SUPERAR LA VIDA UTIL DEL PAVIMENTO

alcantarillas

Sistema de alcantarillas

a. FLUJO EN ALCANTARILLASES EL FLUJO EN CONDUCTOS CERRADOS DE RELATIVAMENTE SECCIONES TRANSVERSALES GRANDES Y PEQUEA LONGITUD LAS ALCANTARILLAS PUEDEN FLUIR LLENAS O NO LA ENTRADA DE UNA ALCANTARILLA NO SE SUMERGE SI LA CARGA ES MENOR QUE UN DETERMINADO VALOR CRITICO, DESIGNADO POR H* (QUE VARIA DESDE 1.2D A 1.5D, DONDE D ES EL DIAMETRO DE UNA ALCANTARILLA CIRCULAR, O LA ALTURA DE UNA RECTANGULAR), SIEMPRE Y CUANDO NO EXISTAN EFECTOS QUE SE HAYAN TRANSMITIDO DESDE AGUAS ABAJO

a1. TIPOS DE FLUJO EN ALCANTARILLASSE PUEDEN DEFINIR SEIS TIPOS DIFERENTES DE FLUJO EN LACANTARILLAS:

TIPO 1 Carga H menor que la crtica H*, profundidad en la descarga menor que la crtica y pendiente supercrtica

TIPO 2 Carga H menor que la crtica H*, profundidad en la descarga menor que la crtica y pendiente subcrtica

a1. TIPOS DE FLUJO EN ALCANTARILLASSE PUEDEN DEFINIR SEIS TIPOS DIFERENTES DE FLUJO EN LACANTARILLAS:

Carga H menor que la crtica H*, profundidad de descarga mayor que la crtica, el flujo es subcritico en toda la alcantarilla.

TIPO 3

TIPO 4Descarga sumergida.

a1. TIPOS DE FLUJO EN ALCANTARILLASSE PUEDEN DEFINIR SEIS TIPOS DIFERENTES DE FLUJO EN LACANTARILLAS:

TIPO 5 Carga H mayor que la crtica H*, descarga libre, el flujo es supercritico en toda la alcantarilla.

TIPO 6 Carga H mayor que la crtica H*, con descarga libre, el flujo fluye a seccin llena en toda la alcantarilla.

a2. UBICACIN DE ALCANTARILLAS RESPECTO A LA PENDIENTE DEL CAUCE

a3. UBICACIN DE ALCANTARILLAS RESPECTO A LA PENDIENTE DEL CAUCE

a4. PROBLEMAS HIDRULICOS QUE SE PUEDEN PRESENTAR 1. SOLIDOS FLOTANTES.Debe hacerse un estudio econmico en la solucin de hacer pasar los slidos flotantes por la alcantarilla y la solucin de retener los slidos aguas arriba de la entrada por medio de un dispositivo especial.

La quebrada transporta una significativa cantidad de sedimentos

El transporte de sedimentos es tan grande que la alcantarilla deja de trabajar eficientemente y los flujos de avenida discurren sobre la va, destruyendola

Entrada de una alcantarilla que principalmente recibe agua proveniente de la cuneta

a4. PROBLEMAS HIDRULICOS QUE SE PUEDEN PRESENTAR 2. ANCLAJE.- Durante las crecidas se producen en la entrada y salida de las alcantarillas, vrtices y remolinos que socavan y erosionan el relleno del terrapln. El anclaje se logra aumentando el peso de los extremos de la alcantarilla mediante muros de cabecera, pavimentos colocados en el talud del terrapln.

Al no existir un sistema de proteccin a la salida el agua socava el terreno y los taludes de la carretera

No se colocado una proteccin adicional en los taludes a la entrada de la alcantarilla

a4. PROBLEMAS HIDRULICOS QUE SE PUEDEN PRESENTAR 3. UNIONES.- Es indespensable que las uniones en una alcantarilla sean lo suficientemente impermeables, para evitar problemas de erosin y arrastre. DEL EJE DE LA 4. INFLEXIONES ALCANTARILLA.- Cuando el eje de la alcantarilla no es recto los cambios de direccin deben hacerse en la forma ms gradual y uniforme que permita el lugar.

a4. PROBLEMAS HIDRULICOS QUE SE PUEDEN PRESENTAR 5. SOCAVACIN LOCAL A LA SALIDA.Cuando la velocidad de escurrimiento de la alcantarilla es alta, puede producirse una socavacin local a la salida de la obra que compromete su estabilidad. Se debe tomar precauciones, ya sea protegiendo el cauce con un pedrapln adecuado.

Problemas de socavacin al final de la losa, a la salida de la alcantarilla

Hundimiento de la alcantarilla, construida en suelos arenosos

a4. PROBLEMAS HIDRULICOS QUE SE PUEDEN PRESENTAR 6. CAPACIDAD INSUFICIENTE ALCANTARILLA.Esta situacin se puede deber a: - Los estudios hidrolgicos no efectuado adecuadamente se han

DE

LA

- La quebrada transporta gran cantidad de material flotante y/o sedimentos

La capacidad de las cuatro alcantarillas fue insuficiente al ocurrir una avenida, el agua discurri por sobre la carretera destruyendola

b. BADENESde cruce en el caso de tener un cauce ancho, con un gradiente hidrulico pequeo. O que el nivel de la rasante coincida con el nivel del cauce El badn debe cumplir las siguientes condiciones: - Debe tener una superficie de rodamiento resistente a la accin de los flujos de agua - Se debe proteger el badn aguas arriba y aguas abajo para evitar problemas de socavacin - Se debe colocar seales visibles que indiquen las profundidades del agua al ocurrir avenidas

Se puede seleccionar un badn como estructura

1.2 DRENAJE SUPERFICIAL DE LA PLATAFORMA SE DEBEN RECOGER Y ELIMINAR LAS AGUAS QUE SE ACUMULAN EN LA PLATAFORMA, LAS QUE PUEDEN PROVENIR DE: - Aguas de lluvia que caen directamente sobre el pavimento - Aguas superficiales que provienen de reas vecinas, que son interceptadas y llegan al camino - Aguas superficiales que llegan a la carretera en los cruces de caminos

CUNETAS1 z 1 z1 z2 z12 3 1 21 6

1 1 z2

1

AR S Q= n

(MANNING)

Q = AC RS

(CHEZY)

C=

R n

CUADRO No 2

Velocidades mximas admisibles en cunetas revestidas

Tipo de revestimiento - Mezclas asfalticas - Mamposteria de piedra - Hormign asfltico o de cemento portland

Velocidad (m/s) 3.0 4.3 4.5

Cuneta revestida con elementos prefabricados, debido a un mal drenaje del talud superior, y a un talud de corte no adecuado se producen fallas en la cuneta

No se ha protegido adecuadamente el final de la cuneta, cuando esta entrega sus aguas a un cauce natural

BORDILLOSBordillo de tierra enhierbada

No se ha definido un canal a lo largo del talud, resistente a las altas velocidades del agua, que evacue el agua de lluvia proveniente de la carretera

1.3 ZANJAS DE CORONA Las zanjas de corona son utilizadas para interceptar y conducir adecuadamente las aguas de lluvia, evitando su paso por el talud La zanja de coronacin no debe construirse muy cerca al borde del talud Se recomienda que las zanjas de coronacin sean totalmente impermeabilizadas, as como debe proveerse una suficiente pendiente para garantizar un rpido drenaje del agua captada

Gavion (subdren)

Detalle de zanjas de coronacin para el control de aguas superficiales en un talud

Zanjas de coronacin construidas en un terreno inestable

1.4 CANALES COLECTORES EN ESPINA DE PESCADO Para disminuir la infiltracin de agua en las reas arriba del talud se acostumbra construir canales colectores en espina de pescado Estos canales colectores conducen las aguas colectadas por la via ms directa hacia fuera de las reas vulnerables del talud, entregndolas generalmente a canales en gradera Los canales deben impermeabilizarse para evitar la infiltracin del agua

Canales espina de pescado revestidos

Canal en gradera

Escarpe de deslizamiento

Zanja de corona revestido

Esquema en planta de canales colectores En espina de pescado

1.4 CANALES COLECTORES Y DISIPADORES Los canales que transportan el agua recolectada por las zanjas de corona, deben ser conducidos a un sitio seguro. Algunas veces se desarrollan a lo largo del talud Se presentan dos tipos diferentes de canales: el canal rpido y el canal en gradera El canal rpido se construye a una pendiente igual a la del talud, el sistema es ms econmico , pero presenta el problema de la poca energa disipada El sistema de graderias es ms eficiente para disipar energa

Detalle de un canal rpido de entrega

Canal de entrega con gradas de disipacin

2. DRENAJE SUBTERRANEO El drenaje subterrneo tiene por objeto disminuir las presiones de poros o impedir que estas aumenten La cantidad de agua recolectada por un sistema de subdrenaje depende de la permeabilidad de los suelos o rocas, y de los gradientes hidrulicos

2a. CORTINAS IMPERMEABLES SUBTERRANEAS Puede impedirse que el agua subterrnea alcance la zona de inestabilidad potencial mediante la construccin de pantallas impermeables profundas Las pantallas subterrneas pueden consistir en zanjas profundas rellenas de asfalto o concreto, tablestacados, cortinas de inyecciones El diseo de estas cortinas debe tener en cuenta los efectos que sobre las reas adyacentes tiene el cambio de rgimen de aguas subterrneas

Pantalla interceptora Flujo de agua subterrnea aqufero Material coluvial roca deslizamiento Pantalla interceptora drenaje Superficie de deslizamiento Nivel fretico

Pantalla interceptora o cortina subterrnea

2b. SUBDRENES INTERCEPTORES Los subdrenes interceptores son zanjas excavadas a mano o con retroexcavadora, rellenas de material filtrante y elementos de captacin y transporte del agua Hay subdrenes de diferentes formas Con material de filtro y tubo colector Con material grueso permeable sin tubo (dren francs) Con geotextil como filtro, material grueso y tubo colector Con geotextil, material grueso y sin tubo Dren sinttico con geomalla, geotextil y tubo colector

Sistemas de dren de zanja

Diagrama de un dren interceptor

Subdrenes en taludes saturados de suelos arenosos y su efecto sobre el nivel fretico

geotextil Relleno con Material del lugar

Filtro de geotextil

Geomalla conductora

Dren perforado

Diagrama de un Subdrn sinttico

Dren francs

Filtros de Material GranularEl dren puede estar compuesto de material granular (filtro), el cual debe satisfacer las siguientes condiciones: a. Debe ser capaz de pasar la mxima cantidad de flujo a travs de l b. El material fino de la cimentacin no debe entrar en el filtro, ya que podra producir erosin interna u obstruccin del dren c. Debe prevenirse el movimiento del material del filtro d. La curva granulomtrica del filtro debe cumplir las siguientes condiciones: d15f / d85b < 5 d50f / d50b < 60 5 < d15f / d15b < 40 evita succin del material fino para mantener una permeabilidad aceptable

donde: df corresponde al filtro, y db al material del terreno

Filtros de Geotextil Los geotextiles son telas permeables, filtrantes, construdas con fibras sintticas, especialmente prolipopileno, poliester, nylon y polietileno Los geotextiles se clasifican en tejidos y no tejidos Los geotextiles ms utilizados para filtro son los no tejidos La durabilidad de los geotextiles est en funcin de las fibrsa polimricas y las resinas a los ataques ambientales

2c. Drenes Horizontales o de Penetracin Un dren horizontal o subdren de penetracin consiste en una tubera perforada colocada a travs de una masa de suelo mediante una perforacin profunda subhorizontal o ligeramente inclinada, con la cual se busca abatir el nivel fretico La principal ventaja de los drenes horizontales es que son rpidos y simples de instalar El dimetro de las perforaciones es de aproximadamente 3 a 4 pulgadas dentro de las cuales se colocan tuberas perforadas

Esquema general de colocacin de un Subdren de penetracin

Subdren de prenetracin diseado para captar Solamente en la punta interior

2d. Colchones de Drenaje Son capas de material drenante que se colocan debajo deterraplenes, generalmente despus de remover los suelos sueltos. Generalmente consisten en una capa de material gueso permeable de 20 a 50 centmetros de espesor envuelto por dos mantos de geotextil

2e. Trincheras Estabilizadoras Son zanjas profundas y anchas construidas generalmente, con maquinaria pesada de movimiento de tierras, que en su fondo y/o paredes laterales lleva un colchn de filtro, o un dren interceptor La zanja posteriormente se rellena con enrocado o con material comn de acuerdo a las necesidades especficas del caso Generalmente la trinchera se excava a profundidades superiores a las de la superficie de falla.

2f. Pantallas de Drenaje Las

pantallas de drenaje son estructuras similares en apariencia a un muro de contencin, las cuales se colocan sobre la superficie del talud con el objetivo principal de impedir que se produzca erosin ocasionada por las filtraciones de agua subterrnea. Las pantallas de drenaje constan de tres elementos bsicos: - Filtro sobre la superficie del talud - Estructura de contencin o retencin - Subdren colector

c. Subdren y gaviones a. Pedrapln

b. Filtro y relleno

Ejemplos de subdrenes de pantalla

2g. Subdrenaje de estructuras de contencin Es

necesario construir un subdrenaje adecuado detrs de los muros El sistema de drenaje debe disearse para el flujo esperado sin que se presente taponamiento del sistema Para prevenir el taponamiento debe utilizarse un material de filtro de acuerdo al tipo de suelo detrs del muro Para los casos en los cuales la pared es impermeable, como sucede con los muros de concreto, se deben construir huecos de drenaje o lloraderos para impedir que se genere presin de poros exagerada detrs de la pared Los lloraderos normalmente tienen un dimetro de 75 mm, y un espaciamiento no mayor de 1.5 m horizontalmente, y un metro verticalmente

Subdrenaje de muros de contencin

2h. Subdrenaje para pavimentosPrecipitacin

Superficie de infiltracin

Tubera De salida

Filtro Nivel fretico Tubera colectora

Componentes de un sistema de subdrenaje

Nivel original del suelo Nivel fretico original Nivel freatico Con drenaje Corte sello Pavimento Base y subbase Dren longitudinal Nivel fretico original Sello Nivel freatico Con drenaje Dren longitudinal Nivel original del suelo Corte Nivel freatico Con drenaje Nivel fretico original Sello Pavimento Nivel freatico Con drenaje Dren longitudinal

Nivel original del suelo Corte Pavimento

Sistema de drenes longitudinales

Nivel original del suelo 1.5% 1%

1%

1.5% pendiente

subbase subdren

base

Secciones transversales con sistemas de drenaje

Tipos de drenaje para un campo de aviacin

BIBLIOGRAFIA1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Deslizamientos y Estabilidad de Taludes en Zonas Andinas y Tropicales. Jaime Surez Daz. Colombia Drainage of Highway and Airfield Pavements. Harry R. Cedergren. Edit. John Wiley & Sons Engineering Hydrology. Victor Manuel Ponce. Edit. Prentice Hall. USA. Hidrulica de Canales Abiertos. Richard H. French. Edit. McGraw-Hill Hidrologa en Ingeniera. Germn Monsalve Senz. Edit. Alfaomega. Colombia Highway Design Manual. State of California Highway Drainage Guidelines. American Association of state Highway and Transportation Officials. Washington Landslides. Ministry of Construction Japn Normas DG. Manual Ambiental para el Diseo y Construccin de Carreteras. Caminos I. Ing. Eddy T. Scipin Piella Stream Stability at Highway Structures. U.S. Department of Transportation