PRESENTACIÓN DRENAJE EN VÍAS TERRESTRES.pptx

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1. DRENAJE EN VÍAS TERRESTRES M. en I. Gabriel Atala Barrero [email protected]

2. INTRODUCCIÓN

3. ¿CUÁL ES EL PRINCIPAL ENEMIGO DE LAS CARRETERAS?

4. EL AGUA

5. Y ENTONCES, ¿POR QUÉ CON FRECUENCIA SE SUBESTIMA EL DISEÑO HIDRÁULICO DEL SISTEMA DE DRENAJE DE LAS CARRETERAS?

6. Las obras de drenaje dan salida rápida al agua que llega a las carreteras, o reducen su ingreso a ellas.

7. El diseño adecuado del sistema de drenaje de las carreteras proporcionará mayor seguridad a los usuarios y reducirá los gastos de conservación.

8. El drenaje deficiente puede provocar graves daños; por ejemplo: • Fallas de terraplenes, • Cortes de la carretera, • Destrucción de la superficie de rodamiento, • Pérdida de estabilidad de cortes, etc.

9. Las obras de drenaje superficial de las vías terrestres se clasifican en: Obras de drenaje transversal Alcantarillas (obras de drenaje menor) Puentes (obras de drenaje mayor) Vados Puentes – vado Sifones invertidos Obras de drenaje longitudinal (obras complementarias de drenaje) Cunetas Contracunetas Lavaderos Bajadas Guarniciones y bordillos Bombeo transversal de la corona Canales de encauzamiento

10. Las alcantarillas son obras de drenaje transversal que tienen claro menor de 6 m y por su forma pueden ser de tubo, de cajón, de bóveda, de losas sobre estribos, sifones, etc. Las estructuras con claro mayor de 6 m son tratadas como puentes.

11. En nuestro país se ha tenido la costumbre de denominar a las alcantarillas “obras menores”, porque individualmente drenan mucho menos caudal que los puentes y también porque individualmente cuestan mucho menos que los puentes.

12. Estadísticamente se ha determinado que el 97.5% de los arroyos que cruzan las carreteras drenan cuencas pequeñas, y en su mayoría los cruces se resuelven con obras de drenaje menor.

13. Las obras complementarias de drenaje captan y conducen el agua de lluvia que escurre sobre la corona del camino, o sobre las laderas adyacentes (en caso de secciones en balcón), hacia lugares más apropiados, a fin de eliminarla sin inundar o destruir el camino y sus zonas adyacentes.

14. Los efectos destructivos del agua de lluvia son evidentes en un camino que no cuente con obras complementarias de drenaje, o que en caso de tenerlas funcionen incorrectamente. En efecto, inmediatamente después de un intenso periodo de lluvias, el panorama es desolador.

15. Por tanto, las inversiones monetarias que se destinen para construir o mejorar los sistemas de drenaje de las vías terrestres siempre son rentables.

16. Las obras de drenaje menor y obras complementarias de drenaje representan una inversión del orden del 20% del costo total de una carretera.

17. Posiblemente por los calificativos “menor” y “complementarias” en México, este tipo de obras de drenaje se ha subestimado siendo en realidad muy importantes, ya que constituyen prácticamente la totalidad del sistema de drenaje de las vías terrestres.

18. Es necesario emplear otras palabras que definan mejor lo que conocemos hoy como obras de drenaje menor y obras complementarias de drenaje. Así, empezaría a dárseles la importancia que realmente tienen.

19. La nueva normativa de la SCT las denomina: • Obras para drenaje transversal. • Obras para drenaje longitudinal.

20. Dos conceptos muy importantes a tomar en cuenta en todo diseño hidráulico de obras de drenaje son: El agua siempre sigue el camino más fácil. Los cursos naturales de las aguas deben alterarse lo menos posible.

21. Si no se respeta el drenaje natural de la zona, las carreteras pueden llegar a funcionar como presas, si se desarrollan perpendiculares a un arroyo, o bien como bordos de protección contra inundaciones, si se desarrollan paralelas a un arroyo.

22. Posibles zonas de inundación debidas a la presencia de un camino con escaso drenaje, construido perpendicular a un río.

23. Posibles zonas de inundación debidas a la presencia de un camino sin drenaje, construido paralelo a un río.

24. Por lo antes expuesto, el drenaje de las vías terrestres debe estudiarse desde la elección de ruta, procurando reducir al mínimo posible los problemas de escurrimiento de agua, y teniendo siempre presente que una mala elección de ruta invariablemente ocasionará mayores costos de conservación.

25. Para el diseño racional de las estructuras de drenaje, es necesario realizar estudios hidrológicos e hidráulicos, que comentaremos en esta plática.

26. CLASIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE DRENAJE

27. CLASIFICACIÓN DEL DRENAJE DE LAS VÍAS TERRESTRES SUPERFICIAL LONGITUDINAL (OBRAS COMPLEMENTARIAS) CUNETAS CONTRACUNETAS LAVADEROS BAJADAS GUARNICIONES BOMBEO TRANSVERSAL DE LA CORONA CANALES DE ENCAUZAMIENTO ALCANTARILLAS PUENTES VADOS PUENTES – VADO SIFONES INVERTIDOS TRANSVERSAL SUBTERRANEO SUBDRENAJES LONGITUDINALES EN ZANJAS CAPAS PERMEABLES SUBDRENES TRANSVERSALES TRINCHERAS ESTABILIZADORAS

28. SECCIONES TRANSVERSALES TRIANGULARES : Son las secciones transversales más sencillas de construir. Se construyen donde la circulación vial es esporádica o nula, y es la más común en el medio ingenieril debido a que cumple con las recomendaciones mínimas de seguridad vial.

29. CANAL DE RÁPIDA LISA . Se construye con una pendiente igual a la del talud. Este sistema es muy utilizado por ser más económico, pero presenta el problema de la poca energía disipada. Normalmente el flujo es supercrítico IF>1 CANAL DE RÁPIDA ESCALONADA . Para las características topográficas del país, con altas pendientes, se requieren estructuras de caída escalonadas con flujo rasante, las cuales han sido analizadas para pendientes entre 5,7° y 55°.

30. CUNETAS: Son canales que reciben el agua pluvial de los cortes y zonas adyacentes y de la mitad del camino.

31. CUNETAS DE BANQUETA : Son aquellas que se ubican al pie del talud inclinado de cada banqueta y consisten en la construcción de una o más terrazas sucesivas con el objetivo de estabilizar un talud. Pueden tener sección triangular, rectangular o trapezoidal y su descarga se efectuará hacia un curso natural o mediante caídas escalonadas (canal de rápida escalonada) hacia las cunetas.

32. La ubicación de las cunetas, su longitud y su pendiente quedan condicionadas al proyecto geométrico de la carretera. Para su diseño hidráulico, se requiere conocer el gasto que drenará la cuneta y determinar la ubicación de sus descargas para darle salida al agua y se evite que inunde la superficie de rodamiento.

33. ZAMPEADOS : Son un sistema de protección contra la erosión para la superficie de rodamiento o cunetas en zonas con pendientes fuertes. Se realza con piedra, concreto hidráulico ciclópeo o concreto hidráulico simple.

34. CONTRACUNETAS: Son canales que en ocasiones es necesario construir cerca de la parte más alta de los cortes, para evitar que los escurrimientos reconozcan hacia las paredes de éstos. Su descarga se debe efectuar hacia el cauce natural más cercano.

35. PROTECCIONES Cuando no es posible desaguar la cuneta en una corriente, el flujo que viene concentrado por la cuneta se debe distribuir y entregar de manera gradual al terreno natural mediante superficies como empedrados o rip-rap.

36. Ilustración de una zona que requiere la construcción de contracunetas.

37. LAVADEROS: Son obras que drenan el gasto de cunetas hacia zonas bajas. También son canales que se construyen sobre los taludes de terraplenes, para dar salida al agua sin que éstos sean erosionados. Pueden ser de concreto simple, de mampostería o de lámina.

38. Ejemplo de un lavadero en el talud de un terraplén.

39. ZANJAS DE DRENAJE : También llamadas zanja en el pie, o base del talud de terraplén, son canales que se construyen en la parte inferior de los taludes de relleno (terraplén) en forma longitudinal lateral o transversal al alineamiento de la carretera, con el objetivo de recoger las aguas que bajan por el talud y los terrenos adyacentes para conducirlas hacia la quebrada o descarga más próxima del sistema general de drenaje. Por lo general son rectangulares, pero también pueden ser trapezoidales, si se requiere una mayor dimensión.

40. Otras secciones transversales : Las secciones rectangulares o trapezoidales son útiles para transportar mayor volumen de agua .

41. Estas secciones, por ser profundas o con taludes altos, hacen infranqueables o dificultan en gran manera la salida de vehículos, por lo que, en caso de ser empleadas, deben estar acompañadas de barreras de seguridad, bordillos o guardarruedas.

42. GUARNICIONES Y BORDILLOS: Se colocan en los hombros de terraplenes, en tramos rectos y en el intradós de curvas, para evitar la erosión de los taludes.

43. Figura 13. Accidente de vehículo por ausencia de bordillo de seguridad en cuneta rectangular.

44. BOMBEO TRANSVERSAL: Es la pendiente transversal que se da a la corona de terraplenes para desalojar el agua pluvial que cae sobre ella. Es muy importante, ya que evita encharcamientos sobre la superficie de rodamiento.

45. BOMBEO TRANSVERSAL:

46. PERALTE: Esta característica también está definida en el diseño geométrico. El peralte se caracteriza por ser una inclinación dada al perfil transversal de una carretera en los tramos en curva horizontal para contrarrestar el efecto de la fuerza centrífuga que actúa sobre un vehículo en movimiento. Al igual que el bombeo, también contribuye al escurrimiento del agua lluvia.

47. NOTA: En el Manual de drenaje para carreteras (2009), el Instituto de Nacional de Vías (Invías) recomienda las secciones transversales parabólicas, triangulares y otras secciones que analizaremos en seguida. SECCIONES TRANSVERSALES PARABÓLICAS : Se caracterizan por ser secciones transversales constructivamente complejas y de baja capacidad hidráulica. Este tipo de sección es la más adecuada en aquellos tramos viales en los que se presenta entrada y salida permanente de vehículos, como por ejemplo estaciones de servicio, locales comerciales, etc.

48. Las obras de drenaje transversal son las que permiten que los escurrimientos naturales crucen de un lado a otro la carretera, y las constituyen las alcantarillas y los puentes.

49. Una alcantarilla es un conducto relativamente corto a través del cual se cruza el agua bajo la vía de un costado a otro. Incluye conductos con cualquier sección geométrica, en especial conductos circulares y alcantarillas de cajón.

50. ALCANTARILLAS: Como ya se expresó antes, son obras con claro menor de 6 m, y por su forma pueden ser de tubo, de cajón, de bóveda, losas sobre estribos, etc.

51. DESCOLE DE CUNETAS: Elementos y revestimientos hidráulicos que ayudan a entregar o intersectar el flujo de agua a corrientes naturales o estructuras hidráulicas como pocetas, protecciones y bajantes. POCETAS : También son conocidas como cajas colectoras. Por lo general estas estructuras se ubican a la entrada de una alcantarilla transversal (encole). Para su dimensionamiento es necesario considerar las medidas y la profundidad de la tubería de la alcantarilla, la profundidad del filtro entrante o el tamaño de la estructura de encole y la facilidad de mantenimiento de la obra.

52. DISIPADOR DE ENERGÍA : Son estructuras hidráulicas diseñadas para transportar un caudal de una cota superior a una inferior manteniendo la velocidad (energía cinética) dentro de los límites admisibles, con el fin de evitar la ocurrencia de procesos erosivos tanto en la caída como en el cauce receptor y la posible falla de la estructura misma. Por lo general estas estructuras se deben utilizar en los descoles de las alcantarillas o en cualquier otro sitio donde la evacuación de aguas pueda producir socavación debido a la alta velocidad del agua (energía cinética).

53. PUENTES: Son obras con claro mayor de 6 m.

54. VADOS: Son estructuras que se diseñan con el fin de dar paso a escurrimientos pequeños sobre la corona de la obra vial. Se localizan generalmente en curvas verticales en columpio, es necesario dotarlos de un señalamiento adecuado, donde principalmente se pueda observar la altura del tirante de agua y poder transitar con seguridad cuando exista corriente de agua. Se diseñan a base de losas de concreto y dentellones o también de mampostería. El empleo de este tipo de estructuras se permite en caminos de bajas especificaciones, es decir, para caminos tipos “d” y “e”.

55. Se presentan a continuación algunos lineamientos generales para el proyecto y construcción de las obras de drenaje longitudinal y transversal de las vías terrestres:

56. Gran parte de esta información se presentó en el artículo: ATALA, B.G., “Procedimiento para diseño hidráulico de alcantarillas”, “XV Reunión Nacional de Vías Terrestres”, Pachuca, Hgo ., México, Julio 2004. ( ref 1)

57. Las obras complementarias de drenaje en zonas de cortes deben construirse en el siguiente orden: Contracunetas b) Cunetas c) Lavaderos

58. Antes de construir cunetas es necesario verificar que los cortes sean estables, para evitar que éstas se azolven o sean dañadas por el impacto de caídos.

59. En ocasiones las cunetas son obstruidas con rellenos para permitir el paso de vehículos. Esto impide que el agua reconozca hacia los lavaderos y puede ocasionar que desborde y escurra por la carpeta asfáltica y la dañe.

60. Es necesario evitar la construcción de canales adyacentes a la superficie de rodadura, ya que representan riesgos para los usuarios.

61. Sin excepción, las contracunetas a base de canales deben construirse revestidas de concreto, para que sean impermeables; el espesor del revestimiento deberá ser de por lo menos 4 cm.

62. Las contracunetas deben quedar ubicadas a una distancia no menor de 6 m de la corona de los cortes, salvo casos especiales en que por el tipo de material del corte convenga retirarlas más. El trazo que se realiza en campo deberá ser de tal forma que la contracuneta se vaya alejando del camino, a fin de que su descarga no lo afecte.

63. El Manual de drenaje para carreteras del Invías (2009) recomienda que las zanjas de coronación sean totalmente impermeabilizadas para evitar infiltraciones que puedan afectar el talud de la vía y que la impermeabilización se complemente con un correcto mantenimiento en el que, al menos cada dos años, se reparen las fisuras y las grietas que se presenten. Para pendientes mayores, las zanjas de coronación deben ser escalonadas (canal de rápida escalonada) con emboquillado de piedra bajo la caída.

64. Las contracunetas requieren de un trazo y localización adecuados. En caso de que se cuente con planos de topografía de detalle, deben aprovecharse para localizar en forma preliminar la trayectoria de las contracunetas.

65. Las contracunetas se pueden construir a base de bordos de mampostería sensiblemente paralelos al coronamiento del corte. Esta opción es conveniente cuando existen en el suelo afloramientos de roca, ya que si se excavara se encarecería la obra. El material para construir los bordos se obtiene del lugar, fragmentando la roca que aflora.

66. Antes de construir lavaderos es indispensable garantizar la estabilidad de los taludes de los terraplenes. Si éstos han sufrido erosión por el agua, es necesario previamente restituir los materiales.

67. Los lavaderos deben descargar en terreno natural, es decir, siempre fuera de los taludes de los terraplenes.

68. Los lavaderos deben construirse normales a los ceros del terraplén y no sesgados, para evitar que los dañe el agua que escurre por el talud.

69. BAJANTES : También son conocidos como aliviaderos. Son estructuras que recogen las aguas de las zanjas de coronación que no se pueden entregar a corrientes naturales o de cunetas de terraplén (en este caso también recibe el nombre de lavadero) y las conducen hacia la parte inferior del talud. Su diseño se realiza como el de una rápida lisa o escalonada y, por lo general, requiere una obra de disipación de energía.

70. CANAL DE PANTALLAS DEFLECTORAS (CPD): e trata de estructuras de vertimiento de fondo liso que incluyen a cada cierta distancia una serie de elementos disipadores de energía del flujo, es decir que la energía se disipa a lo largo del canal y no al final como sucede con las rápidas lisas. El canal de pantallas deflectoras (CPD) es aplicable para pendientes entre el 10% y el 50% de inclinación.

71. CANAL DE RÁPIDAS CON TAPA Y COLUMPIO (CRTC): La energía con este tipo de disipador, al igual que el CPD, se disipa a lo largo del canal y no al final como sucede con las rápidas lisas. El canal de rápidas con tapa y columpio (CRTC) es aplicable para pendientes mayores al 50% de inclinación.

72. Ejemplo de lavadero normal y lavadero sesgado.

73. Es necesario garantizar el anclaje de los lavaderos y de sus umbrales. Los lavaderos que carecen de anclaje suficiente se desplazan, lo que ocasiona grietas o fracturas en la zona del umbral, y con ello, infiltraciones de agua al cuerpo del terraplén.

74. Las bermas de los cortes deben contar con drenaje adecuado que incluya la construcción de lavaderos en sus extremos laterales. Es muy importante mantener limpias las bermas, ya que de lo contrario el agua, en vez de escurrir hacia los lavaderos lo hará por la paredes de los cortes, las erosionará y en ocasionaes aportará un caudal excesivo de agua hacia las cunetas.

75. Las deficiencias en el bombeo de la superficie pavimentada provocan que el agua escurra sobre el pavimento a lo largo del camino, lo que representa riesgos para los usuarios.

76. Los bordillos son imprescindibles en los casos en que el material de los taludes de los terraplenes sea muy erosionable.

77. Es necesario analizar el funcionamiento de alcantarillas existentes en las cercanías del cruce sobre la misma corriente, recabando su antigüedad, niveles de agua alcanzados, reparaciones que ha tenido, daños que ha provocado, etc.

78. SE DEBE RESPETAR AL MAXIMO POSIBLE EL CURSO NATURAL DE LOS ARROYOS.

79. Debe considerarse siempre que las corrientes tienden a reconocer hacia sus cauces, que han sido labrados por el agua durante muchos años.

80. Desde el proyecto de la subrasante se debe asegurar que en los cruces con arroyos los terraplenes tendrán suficiente altura para permitir alojar las alcantarillas con su entrada y salida al nivel del cauce natural.

81. Al diseñar las alcantarillas se debe procurar que trabajen a superficie libre para el gasto de diseño.

82. El diámetro mínimo de alcantarillas de tubo debe ser de 1.2 m, para facilitar su mantenimiento.

83. La longitud de las alcantarillas deberá ser tal que su entrada y salida coincidan con los ceros del terraplén de la carretera, salvo casos especiales.

84. El nivel de la plantilla de las alcantarillas en sus secciones de entrada y salida debe coincidir con el nivel del cauce natural del arroyo, salvo casos especiales.

85. En el diseño hidráulico de alcantarillas debe garantizarse el correcto encauzamiento de las aguas; si es necesario, deben efectuarse canalizaciones en las zonas de entrada o de salida, verificando que las nuevas condiciones no alteren el régimen hidráulico de la corriente.

86. Es necesario ubicar las alcantarillas con el esviaje que requieran, para respetar al máximo posible los escurrimientos naturales, aunque las obras resulten largas y, por tanto, más costosas.

87. Todo aquello que mejore la entrada del flujo en las alcantarillas reduce pérdidas de energía y, por tanto, mejora la eficiencia hidráulica. Colocar aleros rectos o curvos, construir ensanchada la entrada y redondear bordes pueden favorecer en este sentido.

88. Para obras de drenaje bajo terraplenes muy altos, es conveniente construirlas con mayor área que la estrictamente necesaria, ya que en caso de resultar insuficientes, una falla del terraplén implica costos de reparación elevados.

89. Es necesario verificar que la sobreelevación del agua ocasionada por el estrechamiento que produce la obra de drenaje no afecte terrenos particulares ubicados aguas arriba del cruce.

90. Asimismo, evitar el diseño de obras de drenaje con caja de entrada, ya que generalmente se obstruyen.

91. Los cuerpos flotantes condicionan el tipo y dimensiones de las alcantarillas y en ocasiones obligan a multiplicar el área hidráulica necesaria para drenar el gasto de diseño.

92. Cuando la corrientes tienden a depositar sedimentos, los azolves obligan, en general, a construir obras de mayor altura que la necesaria desde el punto de vista hidráulico.

93. El tipo y dimensiones de las obras de drenaje deben permitir la continuidad del transporte de sedimentos, para evitar que se formen grandes depósitos de materiales en el lado de aguas arriba, y degradación del cauce (erosión sin recuperación) en el de aguas abajo.

94. Cuando se construyen obras de drenaje con pendientes muy pronunciadas es necesario cimentarlas con anclajes, lo cual eleva mucho su costo.

95. Una solución alterna para el caso de arroyos de gran pendiente es hacer coincidir la entrada de la obra con el arroyo, y su salida con una de las laderas aguas abajo. En este caso se reducirá notablemente la pendiente de los escurrimientos. Será muy importante construir un canal de salida adecuado y que la descarga del agua no erosione la ladera. En ocasiones es necesario construir obras de protección contra la erosión en el extremo final del canal de salida.

96. Por supuesto, se insiste en que ES NECESARIO RESPETAR AL MAXIMO POSIBLE EL CURSO NATURAL DE LOS ARROYOS.

97. Debe evitarse construir cercas de alambre en las zonas de entrada y de salida de las alcantarillas, ya que provocan el atoramiento de troncos y ramas, que obstruyen el libre paso del agua.

98. Las alcantarillas deben tener como única función drenar el agua de la cuenca y debe evitarse que a través de ellas pasen líneas de servicios públicos, tales como agua, energía eléctrica, teléfono, gas, etc. La vigilancia debe ser más estricta en los tramos carreteros que pasen por zonas pobladas o con tendencia a poblarse.

99. Es necesario vigilar que los lugareños no construyan en las zonas de entrada o de salida de las alcantarillas obras tales como bordos, diques, derivaciones, etc , ya que pueden provocar remansos, azolves, y hasta grandes volúmenes de agua que no podrían drenar las alcantarillas, lo que podría ocasionar el corte de un tramo de la carretera.

100. Es muy importante propiciar la vegetación propia del lugar en la zona que ocupa el derecho de vía de la carretera, principalmente en los taludes de los terraplenes, a fin de evitar que la acción del agua de lluvia los erosione.

101. VEGETACIÓN: Una de las maneras más efectivas de proteger los taludes de un corte, terraplén o del terreno natural contra la acción erosiva del agua superficial es la plantación de especies vegetales. Estas especies vegetales retardan el escurrimiento disminuyendo la velocidad del agua y contribuyen a fomentar una condición de equilibrio en los suelos respecto al contenido de agua.

102. Es necesario retirar de los taludes de terraplenes, las rocas que al rodar puedan obstruir alcantarillas

103. En ocasiones aguas arriba de algunas alcantarillas existen caminos que se construyeron provisionalmente para dar acceso a maquinaria y equipo durante la construcción de la carretera. Dichas obras propician un aporte importante de azolves hacia las alcantarillas, por lo que es indispensable eliminarlos al concluir la construcción de la carretera.

104. Al desazolvar alcantarillas, los materiales extraídos deberán ser depositados en zonas mucho más bajas, aguas abajo de las obras.

105. Al efectuar la limpieza de la entrada y salida de las alcantarillas, es muy importante no dejar el producto del desyerbe y despalme en el lado de aguas arriba de las obras.

106. Las alcantarillas para alivio de cunetas debe procurarse construirlas esviajadas , como se indica en las siguientes figuras.

107. EJEMPLO DE APLICACIÓN Identifique y nombre las obras de drenaje y subdrenaje presentes en la siguiente figura: Sección típica con sistemas de drenaje y subdrenaje

108. Solución: Solución sección típica con sistemas de drenaje y subdrenaje