diseno hidraulico de alcantarillas para carreteras - fhwa 2012

7/25/2019 Diseno Hidraulico de Alcantarillas Para Carreteras - Fhwa 2012

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AnexoTraduccin del Manual de la FHWA17 de febrero de 2014

Publicacin No. FHWA-HIF-12-026

Diseo Hidrulico Serie Nmero 5

DISEO HIDRULICO DE ALCANTARILLAS PARA CARRETERA

Tercera Edicin

Departamento de Transporte de EE.UU.Administracin Federal de Carreteras


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TABLA DE CONTENIDO

LISTA DE FIGURASLISTA DE TABLASLISTA DE SMBOLOS

AGRADECIMIENTOSGLOSARIO

CAPTULO 1 - INTRODUCCIN1.1 GENERAL1.2 COMPARACIONES ENTRE ALCANTARILLAS, PUENTES Y DRENAJEPLUVIAL1.3 REVICION DE ALCANTARILLAS1.3.1 Formas

1.3.2 Materiales1.3.3 Entradas1.3.4 Alcantarillas embebidas y de fondo abierto1.3.5 Cruces de niveles de agua baja1.3.6 Paso de organismos acuticos (AOP)1.3.7 Alcantarilla de luz larga1.3.8 Funcin de la alcantarilla

1.4 HIDRULICA DE ALCANTARILLA

1.4.1 Condiciones de flujo1.4.2 Tipos de control de flujo1.4.3 Cabeza de entrada1.4.4 Cabeza de salida1.4.5 Velocidad de salida1.4.6 Curvas de rendimiento

1.5 REPARACIN Y REHABILITACIN DE ALCANTARILLAS1.6 ECONOMA

1.6.1 Beneficios y costos1.6.2 Comparaciones entre los materiales y formas1.6.3 Vida til1.6.4 Anlisis de Riesgos

CAPTULO 2 - CONSIDERACIONES DE DISEO


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2.1 HIDROLOGA.

2.1.1 General2.1.2 Flujo pico de diseo2.1.3 Flujos de verificacin

2.1.4 Hidrogramas2.1.5 Conceptos bsicos del trnsito de almacenaje2.1.6 Modelos computacionales

2.2 DATOS DEL SITIO.

2.2.1 General2.2.2 Ubicacin de la alcantarilla2.2.3 Datos del canal

2.2.4 Datos de la carretera2.2.5 Cabeza de entrada admisible2.2.6 Datos del Paso de Organismos Acuticos (AOP)2.2.7 Datos culturales o restricciones2.2.8 Resumen de las necesidades de datos

2.3 EVALUACION DEL SITIO

2.3.1 Evaluacin de escombros2.3.2 Evaluacin de la estabilidad de la corriente

2.3.3 Evaluacin de la seguridad2.3.4 Durabilidad de la alcantarilla

CAPTULO 3 DISEO HIDRULICO DE LA ALCANTARILLA

3.1 FLUJO DE LA ALCANTARILLA

3.1.1 Generalidades3.1.2 Tipos de control3.1.3 Control de entrada3.1.4 Control de salida3.1.5 Rebosamiento de la Calzada3.1.6 Velocidad de salida

3.2 CURVAS DE RENDIMIENTO

3.2.1 Control de entrada


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3.2.2 Control de salida3.2.3 Desbordamiento de la carretera

3.3 DISEO DE ALCANTARILLAS USANDO NOMOGRAMAS

3.3.1 Formato de Diseo de una Alcantarilla3.3.2 Control de entrada3.3.3 Control de salida3.3.4 Las alcantarillas con pendientes horizontales o adversas3.3.5 Evaluacin de los resultados3.3.6 Problemas de ejemplo

3.4 DISEO DE ENTRADAS ACAMPANADAS UTILIZANDO NOMOGRAMAS

3.4.1 Introduccin3.4.2 Entrada biselada o acampanada lateral3.4.3 Entrada con pendiente biselada3.4.4 Control de entrada3.4.5 Control de salida3.4.6 Velocidad de salida3.4.7 Curvas de rendimiento3.4.8 Mtodos de diseo

3.5 DISEO DE ALCANTARILLA CON AYUDA DEL SOFTWARE (PERFILES

SUPERFICIALES DEL AGUA)

3.5.1 Tipos de flujo USGS y perfiles superficiales del agua3.5.2 Control de entrada3.5.3 Control de salida3.5.4 Aplicacin del software de dominio pblico3.5.5 Aplicacin del software HY- 83.5.6 Aplicacin del software HEC- RAS3.5.7 Aplicacin del software BCAP

3.6 MTODOS DE DISEO PARA ALCANTARILLAS SIN CARTAS DE DISEO

3.6.1 Control de entrada3.6.2 Control de salida3.6.3 Anlisis de los resultados


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CAPTULO 4 - DISEO DE ALCANTARILLAS PARA PASO DE ORGANISMOSACUTICOS (AOP)

4.1 AOP CONTEXTO

4.1.1 Instalaciones nuevas versus modificaciones4.1.2 Barreras de paso4.1.3 Biologa de los peces4.1.4 Hidrologa4.1.5 Geomorfologa y estabilidad de la corriente

4.2 PROCEDIMIENTOS DE DISEO PARA INSTALACIONES NUEVAS

4.2.1 Medidas de remplazo de las alcantarillas

4.2.2 Simulacin de la corriente con USFS4.2.3 Simulacin de la corriente con HEC- 26

4.3 OPCIONES DE MODIFICACIN4.4 CONSTRUCCIN Y POST-CONSTRUCCIN

CAPTULO 5 - OTRAS CONSIDERACIONES

5.1 INTRODUCCIN5.2 APLICACIONES ESPECIALES

5.2.1 Control y medicin de flujo5.2.2 Instalaciones de bajo nivel5.2.3 Curvas5.2.4 Uniones5.2.5 Sifones5.2.6 Deflectores5.2.7 Drenaje del separador de la va5.2.8 Entrada en cada

5.3 EROSIN Y SEDIMENTACIN

5.3.1 Socavacin en las entradas5.3.2 Socavacin en las salidas5.3.3 Sedimentacin

5.4 MODIFICACIONES RELACIONADOS CON EL SITIO


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5.4.1 Barriles sesgados5.4.2 Entradas sesgadas5.4.3 Barriles mltiples5.4.4 Barriles en pendientes pronunciadas5.4.5 Rebosamiento del terrapln

5.4.6 Apertura de alivio

5.5 CONSIDERACIONES ESTRUCTURALES

5.5.1 Anlisis estructural5.5.2 Flotacin y anclaje5.5.3 Cabezote, aletas y muros de corte5.5.4 Tubificacin y filtraciones

5.6 ALCANTARILLAS DE LOMO PARTIDO

5.6.1 Gua para alcantarillas de lomo roto5.6.2 Procedimiento de diseo para alcantarillas de lomo partido

5.7 TRNSITO DE ALMACENAJE

5.7.1 Concepto de enrutamiento5.7.2 Metodologa5.7.3 Requisitos de datos

5.7.4 Mtodo de indicacin de almacenamiento

5.8 DISIPADORES DE ENERGA

5.8.1 HEC-145.8.2 Gua para la seleccin5.8.3 Consideraciones sobre el diseo

CAPTULO 6 - REPARACIN Y REHABILITACIN DE ALCANTARILLAS

6.1 EVALUACIN DE LAS CONDICIONES DE LAS ALCANTARILLASEXISTENTES

6.1.1 Procedimientos de toma de decisin y evaluacin de alcantarillas FLH6.1.2 Condicin de estructural6.1.3 Apoyo del suelo6.1.4 Desempeo o rendimiento de la alcantarilla y el canal


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6.2 REHABILITACIN VERSUS REEMPLAZO DE LA ALCANTARILLA

6.2.1 Procedimiento de toma de decisiones en una alcantarilla FLH6.2.2 Requisitos de excavacin

6.2.3 Interrupcin del trfico6.2.4 Condiciones y vida de servicio remanente6.2.5 Detalles de construccin e instalacin

6.3 TCNICAS DE REHABILITACIN PARA UNA ALCANTARILLA

6.3.1 Reparaciones de recubrimiento (capa angosta que se coloca en el terreno)6.3.2 Reparaciones con entrada de personal

6.4 ANLISIS HIDRULICO DE ACCIONES DE REPARACIN YREHABILITACIN

7. REFERENCIAS

APNDICE A - Ecuaciones de control de entrada - A.1APNDICE B - Resistencia hidrulica de barriles de alcantarilla - B.1APNDICE C - Cartas de diseo, tablas y formularios - C.1

GUIA DE DISEO

Gua de Diseo 1, Diseo de alcantarillas usando nomogramas - DG1.1Gua de Diseo 2, Alcantarillas sin cartas de diseo - DG2.1Gua de Diseo 3, diseo con entradas biseladas utilizando nomogramas - DG3.1Gua de Diseo 4, Transito de almacenamiento - DG4.1


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LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1. Alcantarilla tpica con tubo pequeo de metal corrugado - 1.1Figura 1.2. Alcantarilla en cajn tpica de concreto - 1.1Figura 1.3. Diagrama de flujo para el diseo de una alcantarilla 1.2

Figura 1.4. Puente versus alcantarilla en la misma ubicacin - 1.4Figura 1.5a. Formas de alcantarillas comnmente utilizadas - 1.5Figura 1.5b. Formas de alcantarillas de fondo abierto comnmente utilizadas- 1.6Figura 1.6. Alcantarilla de caja o box culvert - 1.7Figura 1.7. Tubera de metal corrugado - 1.7Figura 1.8. Cuatro tipos de entrada estndar - 1.8Figura 1.9. Contraccin de entrada - 1.8Figura 1.10. Esquema de entradas biseladas laterales y acampanadas - 1.9Figura 1.11. Alcantarilla de fondo abierto - 1.10

Figura 1.12. Alcantarilla embebida - 1.10Figura 1.13. Cruce con nivel de agua bajo - 1.12Figura 1.14. Ventilacin de un cruce con bajo nivel de agua - 1.12Figura 1.15. Alcantarilla de luz larga - 1.13Figura 1.16. Condiciones de flujo sobre una pequea presa - 1.16Figura 1.17. Seccin tpica con flujo de control a la entrada - 1.16Figura 1.18. Condiciones tpicas de flujo con control a la salida - 1.18Figura 1.19. Curva de rendimiento de una alcantarilla - 1.20Figura 1.20. Alcantarilla de placa estructural - 1.22Figura 1.21. Alcantarilla en cajn con multi celdas - 1.22

Figura 1.22. Curva de anlisis de riesgo-beneficio versus costos - 1.23

Figura 2.1. Hidrograma de diseo - 2.3Figura 2.2. Modificacin de la forma del hidrograma de avenida - 2.4Figura 2.3. Mtodos de localizacin de alcantarillas - 2.6Figura 2.4. Seccin transversal de la carretera y longitud de la alcantarilla - 2.8Figura 2.5. Perfil de va - seccin valle - 2.9Figura 2.6. Deflector de escombros en rieles de acero - 2.13Figura 2.7. Contencin de escombros en acero en reas urbanas - 2.13Figura 2.8. Aletas de escombros de concreto con pendiente descendente comoampliacin de las paredes de alcantarillas - 2.14Figura 2.9. Proteccin con defensas metlica - 2.15Figura 2.10. Muro final de la rejilla de seguridad - 2.16Figura 2.11. Reja de seguridad transitable con adecuada rea abierta - 2.16Figura 2.12a. Problemas de abrasin en una alcantarilla - 2.18Figura 2.12b. Problemas de corrosin en una alcantarilla - 2.18Figura 3.1. Tipos de control de entrada - 3.2


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Figura 3.2. Configuraciones tpicas de entrada - 3.4Figura 3.3. Bordes biselados vertical y horizontalmente - 3.5Figura 3.4. Curvas de control de entrada- 3.6Figura 3.5. Alcantarilla con depresin a la entrada en el colector y en las aletas -3.7

Figura 3.6. Alcantarilla con depresin en la entrada y en el colector - 3.7Figura 3.7. Tipos de control de salida - 3.8Figura 3.8. Lneas de energa y de gradiente hidrulico para el flujo total - 3.11Figura 3.9. Energa en control de salida y lneas de gradiente hidrulico - 3.13Figura 3.10. Rebosamiento de la Calzada - 3.15Figura 3.11. Coeficientes de descarga para el desbordamiento de la calzada - 3.16Figura 3.12. Determinacin de la longitud de la cresta del vertedero para eldesbordamiento de la carretera - 3.17Figura 3.13. Velocidad de salida - control de entrada - 3.18

Figura 3.14. Velocidad de salida - control de salida - 3.19Figura 3.15. Curvas de rendimiento y ecuaciones para vertederos y orificios - 3.19Figura 3.16. Curvas de rendimiento de la alcantarilla con desbordamiento encalzada - 3.21Figura 3.17. Formato de diseo de la alcantarilla - 3.23Figura 3.18. Los principales pasos en la definicin de una alternativa viable - 3.27Figura 3.19. Planta y perfil de una entrada biselada y acampanada - 3.29Figura 3.20. Entrada acampanada lateral con depresin de a la entrada - 3.29Figura 3.21. Cara vertical con entrada biselada en pendiente - 3.30Figura 3.22. Curvas de rendimiento de control de entrada - 3.31

Figura 3.23. Curva de rendimiento de la alcantarilla - 3.34Figura 3.24. Formato de diseo de entrada biseladas - 3.35Figura 3.25. Flujo USGS de tipo 1 - 3.37Figura 3.26. Flujo USGS de tipo 5 - 3.37Figura 3.27. Flujo USGS de tipo 2 - 3.38Figura 3.28. Flujo USGS de tipo 3 - 3.38Figura 3.29. Flujo USGS de tipos 4 y 6 - 3.38Figura 3.30. Flujo USGS de tipo 7 - 3.39Figura 3.31. Curvas de control de entrada conductos metlicos corrugados deplaca estructural de forma circular o elptica - 3.41Figura 3.32. Curvas de control de entrada - Arcos de placa estructural para perfilalto y bajo - 3.42

Figura 4.1. Ejemplo de una barrera de resalto - 4.2Figura 4.2. Barreras de salto y velocidad - 4.2Figura 4.3. Alcantarillas embebida de fondo abierto y cerrado - 4.4Figura 4.4. Instalacin completa de fondo abierto - 4.5


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Figura 4.5. Descripcin general del procedimiento de diseo - 4.9

Figura 5.1. Alcantarilla como un dispositivo de control de flujo de salida - 5.2Figura 5.2. Alcantarilla cncava 5.3Figura 5.3. Alcantarilla con curva horizontal (de marca Contech) - 5.4

Figura 5.4. Unin de una alcantarilla con la corriente - 5.5Figura 5.5. Presin sub-atmosfrica en las alcantarillas - 5.5Figura 5.6. Deflectores alternados dentro del barril de la alcantarilla - 5.7Figura 5.7. Deflectores en ngulo - 5.7Figura 5.8. Cada de entrada a una alcantarilla recta - 5.8Figura 5.9. Proteccin de entrada basada en cabezote, aletas y escollera - 5.9Figura 5.10. Socavacin en la salida de la alcantarilla - 5.10Figura 5.11. Degradacin de la corriente aguas abajo de la salida de la alcantarilla- 5.10

Figura 5.12. Deposicin excesiva de sedimento en alcantarilla - 5.11Figura 5.13. ngulo de sesgo del barril - 5.12Figura 5.14. ngulo de sesgo en la entrada - 5.13Figura 5.15. Sesgo del barril y de la entrada - 5.13Figura 5.16. El relleno o talud combado para evitar un sesgo a la entrada - 5.14Figura 5.17. Alcantarillas en cajn de barriles mltiples - 5.15Figura 5.18. Alcantarillas de mltiples barriles con un barril de bajo flujo - 5.15Figura 5.19. Proyeccin del borde delgado de una alcantarilla no anclado - 5.18Figura 5.20. Pavimentacin de la pendiente de una entrada en inglete - 5.18Figura 5.21. Collares anti-filtracin - 5.20

Figura 5.22. Alcantarilla de lomo partido de tres unidades - 5.21Figura 5.23. Alcantarilla de lomo partido de dos unidades - 5.21Figura 5.24. Agujero en la analoga barril - 5.22Figura 5.25. Hidrogramas de flujo de entrada y salida - 5.23

Figura 6.1. Formato de evaluacin para alcantarillas FLH - 6.3Figura 6.2. Asentamiento de la calzada causada por vacos alrededor de laalcantarilla - 6.5Figura 6.3. Obstruccin severa de escombros - 6.6Figura 6.4. Barril lleno de sedimentos hasta la mitad de su altura - 6.6Figura 6.5. Levantamiento de la tubera por flotacin - 6.7Figura 6.6. Bosquejo de un ejemplo idealizado de un alineamiento pobre dealcantarilla - 6.7Figura 6.7. Dao por erosin en la pendiente del terrapln aguas abajo debido aun desbordamiento - 6.8Figura 6.8. Hueco de socavacin a la salida de una alcantarilla RCP - 6.8Figura 6.9. Zapata contina expuesta en una alcantarilla de fondo abierto - 6.9


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Figura 6.10. Excavacin de zanja abierta con entibacin - 6.11Figura 6.11. Ejemplo de una instalacin de revestimiento en tejido en espiral conacceso restringido a los extremos de la alcantarilla - 6.12Figura 6.12. Un revestimiento deslizante de 30 pulgadas (750 mm) en CMP con untubo de PVC de 24 pulgadas (600 mm) - 6.13

Figura 6.13. Instalacin de revestimiento tejido en espiral de ajuste cerrado en unatubera de mampostera - 6.14Figura 6.14. Instalacin de un revestimiento curado In-Situ - 6.14Figura 6.15. Instalacin de un revestimiento reformado-deformado 6.15Figura 6.16. Una instalacin de un revestimiento de mortero lanzado con entradade personal - 6.16Figura 6.17. Reparacin de juntas utilizando empaques y sellado de juntas conentrada de personal - 6.17Figura 6.18. Reparacin de una solera CMP utilizando placas de acero - 6.18

Figura 6.19. Instalacin de cabezotes y aletas de concreto en una alcantarilla detubo - 6.18


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LISTA DE TABLAS

Tabla 1.1. Factores que influyen en el diseo de una alcantarilla - 1.18Tabla 2.1. Mtodos de determinacin del pico - 2.2Tabla 2.2. Datos necesarios para el diseo de una alcantarilla - 2.12

Tabla 3.1. Nmeros de tipos de flujo HY-8 de 1 a 7 - 3.36Tabla 5.1. Coeficientes de prdidas para curvas - 5.4Tabla 5.2a. Efecto del ngulo de sesgo a la entrada en la capacidad de flujo de laalcantarilla de cajn (6 pies por 6 pies)- 5.14Tabla 5.2b. Efecto del ngulo de sesgo a la entrada en la capacidad de flujo de laalcantarilla de cajn (1829 mm x 1829 mm) - 5.14Tabla 5.3. Pasos para el diseo de alcantarillas de lomo partido - 5.21Tabla 6.1. Calificaciones de la condicin de la gua de evaluacin de alcantarillasFLH - 6.2

Tabla 6.2. Matriz de seleccin para la reparacin que permite la entrada depersonas - 6.10


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LISTA DE SMBOLOS

a:rea de la seccin transversal del orificio, ft2 (m2)a:Constante en la frmula intensidad de lluvia

:rea de la seccin transversal completa del barril o el canal de la alcantarilla,

ft2 (m2)Ab:rea de la seccin curva de la entrada con bisel en pendiente, ft2 (m2)Af:rea de la seccin frontal de entrada biselada, ft2 (m2)Ap:rea del prisma de flujo, ft2 (m2)At:rea de seccin de la garganta de entrada biselada, ft2 (m2)Aw:rea de la cuencas, acres (hectreas)b:Dimensin de la cara de bisel lateral, in (mm)b':Constante en la frmula intensidad de lluviaB:Luz del barril de la alcantarilla, ft (m)

Bb:Ancho de la seccin curva de una entrada biselada en pendiente, ft (m)Bf:Ancho de la seccin frontal de una entrada biselada, ft (m):Coeficiente para la ecuacin con control de entrada sumergidaC:Coeficiente de escurrimiento para el uso en la ecuacin racionalCb:Coeficiente de descarga para el control de la seccin en curvaCd:Coeficiente de descarga para el flujo sobre un terraplnCf:Coeficiente de descarga para el control de la seccin frontalCr:Coeficiente de flujo libre de descarga para el flujo sobre un terraplnCt:Coeficiente de descarga para el control de la seccin en la gargantaCMP:Tubera de metal corrugado

d:Dimensin de la cara del bisel superior, in (mm)dc:Profundidad crtica, ft (m)dn:Profundidad normal, ft (m)D:Altura interior del barril de la alcantarilla, ft (m)D50: Tamao del material de lecho que supera el 50% del material en peso, esdecir, el tamao mediano, in o ft (mm o m)E:Altura de la cara de entrada biselada, con exclusin de bisel, ft (m)ELc:Elevacin de la cresta del vertedero, ft (m)ELf:Elevacin de batea al frente, ft (m)EIha:Elevacin admisible de la cabeza de entrada, ft (m)ELhc:Elevacin de la cabeza de entrada requerida para que el flujo pase la crestacon control de cresta, ft (m)ELhf: Elevacin de la cabeza de entrada requerida para que el flujo pase laseccin frontal con control frontal, ft (m)Elhi:Elevacin de la cabeza de entrada requerida para que la alcantarilla permitael paso de flujo con control de entrada, ft (m)


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ELho: Elevacin de la cabeza de entrada requerida para que la alcantarillapermita el flujo de control de salida, ft (m)ELht:Elevacin de la cabeza de entrada requerida para que el flujo pase por laseccin en el control de la garganta, ft (m)ELo:Elevacin de la batea de la salida, ft (m)

ELsf:Elevacin del lecho de la corriente a la entrada de la alcantarilla, ft (m)ELso:Elevacin del lecho de la corriente a la salida de la alcantarilla, ft (m)ELt:Elevacin de la batea de la garganta, ft (m)ELtw:Elevacin de la cabeza a la salida, ft (m)f:factor de resistencia de DarcyFr:Nmero de FroudeG:Nmero de diferentes materiales (rugosidades) en el permetro de un conductocon rugosidad compuestag:Aceleracin de la gravedad, 32.2 ft/s/s (9,81 m/s/s)

HGL:Lnea de gradiente hidrulicoh:Altura de la lnea de gradiente hidrulico por encima de la lnea central del eje,ft (m)hf:Prdida de cabeza por friccin, ft (m)ho:Altura de la lnea de gradiente hidrulico anteriormente por encima de la bateade salida, ft (m)ht:Altura de la cabeza de salida por encima de la corona de la va sumergida, ft(m)H:Suma de prdida de entrada, la prdida por friccin y carga de velocidad enuna alcantarilla, ft (m)

HL: Energa total requerida para que pase una descarga dada a travs de unaalcantarilla, ft (m)Hb:Prdida de cabeza en curva, ft (m):Cabeza especfica a la profundidad crtica (dc + VC 2/2g), ft (m)He:Prdida de cabeza a la entrada, ft (m)Hf:Prdida de cabeza por friccin en la alcantarilla, ft (m)Hg:Prdida de cabeza en rejillas de barras, ft (m)Hj:Prdida de cabeza en las uniones, ft (m)Hl:Prdida de carga por friccin en las entradas biseladas, ft (m)Ho:Prdida de cabeza a la salida, ft (m)Hv:Cabeza de velocidad = v^2/2g, ft (m)HW:Profundidad desde la batea de entrada hasta la lnea gradiente de energatotal aguas arriba, ft (m)HWa:Profundidad admisible de cabeza de entrada, ft (m)HWb: Profundidad de la cabeza de entrada por encima de la batea de seccincurva, ft (m)


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HWc:Profundidad de la cabeza de entrada por encima de la cresta del vertedero,ft (m)HWd:Profundidad de diseo de la cabeza de entrada, ft (m):Profundidad de la cabeza de entrada por encima de la batea de la seccincon control de entrada, ft (m)

HWf:Profundidad de la cabeza de entrada por encima de la batea frontal de laentrada de la alcantarilla, ft (m)HWo:Profundidad de la cabeza de entrada por encima de la salida invertida de laalcantarilla, ft (m)HWr:Cabeza total de flujo sobre el terrapln, ft (m) (Medido desde la cresta de lacalzada hasta el nivel de la superficie de la corriente)HWt: Profundidad desde la batea en garganta hasta la lnea de gradiente deenerga aguas arriba, ft (m)I:Tasa de entrada en una cuenca de almacenamiento, ft^3/s (m^3/s) o Intensidad

de las precipitaciones, in/hrk:Constante de flujo para un orificio, Q = kah^0.5, ft^0.5/s (m^0.5/s)ke:Coeficiente de prdida de entradakt:Factor de correccin por sumersin aguas abajo durante el desbordamiento dela calzada:Coeficiente para la ecuacin de control de entrada no sumergidaKb:Presin efectiva adimensional para el control de la seccin curvaKf: Valor adimensional de la presin para el control de la seccin frontal deentradaKg: Factor de forma de barra adimensional para el clculo de las prdidas de

cabeza en rejillasKt:Presin efectiva adimensional para el control de entrada de la gargantaL:Longitud real de la alcantarilla, ft (m)La: Longitud aproximada de la alcantarilla, incluyendo entrada cnica, pero conexclusin de las aletas, ft (m)Lr:Ancho de la cresta prismtica de la calzada, ft (m)L1, L2, L3, L4:Medidas relativas a las entradas biseladas, ft (m):Exponente en la ecuacin de control de entrada no sumergidan:Coeficiente de rugosidad de Manningnc:Los valor n de Manning compuestos o ponderadosN:Nmero de barrilesO:Tasa de flujo de salida de una cuenca de almacenamiento, ft^3/s (m^3/s)p:Permetro mojado, ft (m)pf:Permetro mojado de la cara de la entrada biselada, ft (m)pt:Permetro mojado de la garganta de la entrada biselada, ft (m)P:Longitud de la cresta de la depresin hasta el frente de la alcantarilla, ft (m)q0:Descarga sobre un segmento de terrapln, ft^3/s (m^3/s)


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Descarga, ft^3/s (m^3/s)Qb:Flujo de alcantarillas opuesto al flujo sobre el terrapln, ft^3/s (m^3/s)Qc:Descarga a la profundidad crtica, ft^3/s (m^3/s)Qd:Descarga de diseo, ft^3/s (m^3/s)Qo:Descarga de rebosamiento sobre la longitud total del terrapln, ft^3/s (m^3/s)

Qp:Taza de flujo pico, ft^3/s (m^3/s)Qr:Flujo mximo reducido, ft^3/s (m^3/s)Qt:Total de Qb + Qo, ft^3/s (m^3/s)Q50:Descarga para el perodo de retorno de 50 aos (similar para otros perodosde retorno), ft^3/s (m^3/s)R: Radio hidrulico = rea de la seccin transversal de flujo a travs de laalcantarilla o canal dividido por el permetro hmedo, ft (m)RCB:Cajn de concreto reforzadoRCP:Tubos de concreto reforzado

s:Almacenamiento en un depsito de almacenamiento, ft^3 (m^3):Pendiente del barril de la alcantarilla, ft/ft (m/m)Se:Pendiente del terrapln o de la cara de la excavacin, expresado como Se: 1,horizontal: vertical, ft/ft (m/m)SD: Pendiente de la depresin en la entrada de la garganta de la alcantarilla,expresado como SD: 1, horizontal: vertical, ft/ft, (m/m)Sf:Friccin de la pendiente de flujo completo de la HGL, ft/ft (m/m)So:Pendiente del lecho del canal, ft/ft (m/m)t:Tiempo, min o seg.ti:Tiempo de concentracin para la ecuacin racional, min

tp:Tiempo pico de un hidrograma de escorrenta, min o segT:La depresin de la seccin de control de entrada por debajo del lecho del ro,medida desde el lecho del rio hasta encontrar la batea de la alcantarilla conentrada biselada, ft (m) o Duracin de la lluvia, min (TIEMPO DECONCENTRACION)Tc:Duracin tormenta crtica, minTP:Ancho del prisma de flujo, ft (m)TAPER:Cotangente del ngulo de las paredes laterales biseladas en la entradacon respecto a una extensin de las paredes laterales de la alcantarilla, ft/ft (m/m)TW: Profundidad de cabeza de salida medida desde la batea a la salida de laalcantarilla, ft (m)V:Velocidad promedio de flujo, ft/s (m/s)Vc:Velocidad a la profundidad crtica, ft/s (m/s)Vd:Velocidad del canal aguas abajo de la alcantarilla, ft/s (m/s)Vg:Velocidad de flujo entre las rejas de una rejilla, ft/s (m/s)Vo:Velocidad en la salida de la alcantarilla, ft/s (m/s)Vu:Velocidad de aproximacin aguas arriba de la alcantarilla, ft/s (m/s)


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w:Ancho de la seccin transversal mxima de las barras que enfrentan el flujo, ft(m)W:Longitud de la cresta del vertedero para las entradas biseladas en pendientecon caras rasuradas, ft (m)Wp:Longitud de la cresta del vertedero de la cada, con exclusin de los lados de

la depresin, ft (m)WW:Aleta de la entrada de la alcantarillax:Espacio libre mnimo entre las barras o rejas, ft (m)X1, X2, X3:Longitudes de tramos de desbordamiento a lo largo del terrapln, ft(m)y:Profundidad de flujo, ft (m)y:Cambio en la lnea de gradiente hidrulico a travs de una unin o conexin, ft(m):Trmino aditivo en la ecuacin de control de entrada sumergida

Yh:Profundidad hidrulica = Ap/Tp, ft (m)Z: Diferencia de altura entre la seccin de la cresta y la seccin frontal de unaentrada biselada en pendiente con cara ranurada, ft (m)g:ngulo de la rejilla de barras con respecto a la horizontal, gradoss: ngulos de las paredes laterales de la entrada biseladas con respecto a laextensin de la pared lateral de la alcantarilla, gradost:ngulo de salida de la losa superior de un plano paralelo a la losa de fondo,gradosw: ngulo de las aletas con respecto a la extensin de la pared lateral de laalcantarilla, grados

j:ngulo entre la cada de salida y lateral en un cruce o una unin, grados


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ARGUMENTACIN

Primera Edicin

La primera edicin de esta serie sobre el diseo hidrulico se public en 1985(FHWA - IP - 85 -15). Los autores fueron J.M. Normann, R. J. Houghtalen y WJJohnston con Jerome M. Normann y Asociados, Norfolk, VA. El gerente delproyecto de la FHWA fue John M. Kurdziel y los asistentes tcnicos fueron PhilThompson, Dennis Richards y Sterling Jones.

Segunda Edicin

La segunda edicin fue publicada en 2001 (FHWA - SNS - 01 - 020). Esta edicincorrige errores menores, agreg varios nuevos grficos de diseo y proporciondos unidades para toda ecuacin y grficos. No hubo cambios en el contenidotcnico y se retuvo la autora original. El editor de esta edicin fue Johnny Morriscon Ayres Associates Inc., Fort Collins, CO El gerente del proyecto de la FHWAfue Phil Thompson. En 2005 una versin revisada de la segunda edicin fueimpresa para corregir errores menores relacionados con algunos de losnomogramas.

RENUNCIA

La mencin de un fabricante, registrada o nombre comercial no constituye unagaranta o la garanta del producto por parte del Departamento de Transporte delos EE.UU. o de la Administracin Federal de Carreteras y no implica suaprobacin y/o respaldo a la exclusin de otros productos y/o fabricantes quetambin pueden ser adecuados.


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GLOSARIO

Lista de trminos relacionados con el sistema hidrulico de alcantarillas, carreterasy el entorno del ro, se proporciona a continuacin:

Abrasin: Eliminacin del material debido al sedimento arrastrado, hielo,escombros o el roce contra el lmite.

Agradacin:Acumulacin general y progresiva del perfil longitudinal de un lechodel canal debido a la deposicin de sedimentos.

Cabeza de entrada permisible: Mxima cabecera posible, o encharcamiento, enel lado de aguas arriba de una alcantarilla.

Corriente aluvial: Corriente que ha formado su canal en materiales cohesivos ono cohesivos que han sido y pueden ser transportados por la corriente.

Inundacin anual: Caudal mximo de 1 ao (puede ser diaria o instantneo).

AOP: Paso de organismos acuticos, se refiere al diseo de estructurashidrulicas a fin de no impedir el movimiento o la supervivencia de especiesacuticas

Delantal: Material protector colocado sobre un lecho para resistir socavacin.

Armadura o acorazamiento: Colocar una capa al lecho del canal, los bancos, ola pendiente del terrapln para resistir la erosin y socavacin. (A) El procesonatural mediante el cual se forma una capa resistente a la erosin de partculasrelativamente grandes en un lecho debido a la eliminacin de partculas ms finaspor el flujo de la corriente; (B) colocacin de una cubierta para resistir la erosin.

Colchn articulado de concreto: Losas de hormign rgido que pueden moversesin separarse a medida que ocurre la socavacin; generalmente articuladas entres con los sujetadores de cables resistentes a la corrosin, colocadosprincipalmente para proteger las orillas inferiores.

Velocidad promedio: Velocidad en una seccin transversal dada determinadividiendo la descarga por rea de seccin transversal.

Relleno: El material utilizado para rellenar una zanja u otra excavacin, o elproceso de hacerlo.


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Remanso: Aumento de la superficie del agua relativa a la elevacin que ocurreen los canales naturales y de las condiciones de inundacin. Es inducida por unaalcantarilla, puente u otro que impida o constrie el libre flujo de agua en un canal.

rea de remanso: Tierras localizadas en la parte baja adyacentes a una corrienteque pueden inundarse debido al remanso.

Orilla: Lados de un canal entre el cual el flujo es normalmente limitado.

Orilla, izquierda (derecha): Lados de un canal segn se ve en direccin aguasabajo.

Caudal a flujo lleno: Descarga que en promedio llena el canal hasta el punto de

desbordamiento.

Proteccin de las orillas: Obras de ingeniera con el fin de proteger las orillas dela erosin.

Revestimiento de la orilla: Materiales resistentes a la erosin colocadosdirectamente en las orillas de la corriente para protegerlas de la erosin.

Barra: Depsito alargado de aluvin dentro de un canal, no hay vegetacin deforma permanente.

Llanura o planicie de inundacin base: Llanuras de inundacin asociadas a lainundacin con un perodo de retorno de 100 aos.

Lecho: El fondo del canal delimitado por las orillas.

Forma del lecho: Caracterstica de alivio reconocible en el lecho de un canal,como una onda, duna, lecho plano, antidunas, o barra. Las formas de lecho sonuna consecuencia de la interaccin entre las fuerzas hidrulicas (esfuerzo cortantelmite) y el sedimento en el lecho.

Carga del lecho: Los sedimentos que se transportan en una corriente medianterodamiento, arrastre, o saltacin a lo largo del lecho o muy cerca de l,considerado estar dentro de la capa dela lecho (carga de contacto).


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Descarga de la carga del lecho (O carga del lecho): Cantidad de carga dellecho que pasa a una seccin transversal de un corriente en una unidad detiempo.

Material del lecho: Material que se encuentra en y sobre el lecho de una corriente

(puede ser transportado como carga del lecho o en suspensin).

Lecho rocoso: Roca slida expuesta en la superficie de la tierra o cubierta porsuelos y material no consolidado.

Fuerza constante de corte del lecho (Fuerza tractiva): Fuerza por unidad derea ejercida por un fluido que fluye ms all de un lmite.

Pendiente del lecho: Inclinacin del fondo del canal.

Manta: Material que cubre la totalidad o una parte de las orillas de la corrientepara prevenir la erosin.

Rajn o bolos: Fragmento de roca, cuyo dimetro es mayor de 10 pulgadas (250mm)

Corriente trenzada: Es la corriente cuyo flujo se divide en niveles normales porpequeas barras de sedimentos cerca del canal o pequeas islas; el anchoindividual de las barras y las islas son menores aproximadamente tres veces el del

nivel de agua; una corriente trenzada tiene el aspecto de un canal grande ysencillo dentro del cual se encuentran canales subordinados.

Propietario del puente: Cualquier agencia federal o estatal u otra entidadresponsable de una estructura definida como un puente de carretera por lasnormas nacionales de Inspeccin de puentes.

Alcantarilla lomo partido: Alternativa a una alcantarilla muy inclinada al romperla pendiente de la alcantarilla en secciones ms inclinadas y ms planas.

Mamparo o muro de proteccin: Es una pared vertical, o casi vertical, quesoporta una orilla o un terrapln; tambin puede servir para proteccin contra laerosin.

Cuenca u hoya hidrogrfica: Veacuenca de drenaje.

Calzada elevada: Roca o relleno en tierra que lleva una va a travs del agua.


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Tubificacin: El colapso de la orilla causado por la socavacin debida a la accindel agua que fluye.

Colchn de bloques celulares: Bloques de concreto, interconectados con

cavidades regulares, colocados directamente en las orillas de la corriente o filtropara resistir la erosin. Las cavidades pueden permitir el drenaje de las orillas y elcrecimiento de la vegetacin donde no se utiliza filtro de tela sinttica entre lasorillas y el colchn.

Canal: Lecho y las orillas que confinan el lecho superficial de la corriente.

Rectificacin: Rectificacin y profundizacin de un canal natural con cortesartificiales, nivelacin, medidas de control de flujo, o desviacin de flujo en un

canal artificial.

Desviacin del canal: Remocin de los flujos por medios naturales o artificialesdesde la longitud natural del canal.

Patrn de canales:Aspecto de un canal de corriente visto en planta, con especialreferencia al grado de sinuosidad, trenzado, y con ramificaciones.

Presa de chequeo: Presa de bajo nivel o vertedero a travs de un canal utilizadopara controlar el nivel de agua o la degradacin.

Restriccin o contraccin fuerte (de flujo): Constriccin excesiva de flujo quepuede causar severos efectos de remanso.

Arcilla (mineral): Partculas cuyo dimetro est en el intervalo de desde 0,00024hasta 0,004 mm.

Guijarro o arena: Fragmento de roca, cuyo dimetro est en el intervalo de 2,5 a10 pulgadas (de 64 a 250 mm).

Revestimiento de concreto: Losas de concreto simple o reforzado, colocados enel lecho del canal o las orillas para protegerlas de la erosin.

Confluencia: Unin de dos o ms corrientes.


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Constriccin: Seccin de control natural o artificial, tales como los cruces de lospuentes, un tramo de canal, con capacidad de flujo limitada en la que la elevacinde la superficie del agua aguas arriba est relacionada con la descarga.

Corrosin: Reaccin qumica o electro-qumica entre el suelo y/o agua y el

material de la alcantarilla o puente.

Medidas de proteccin: Medidas destinadas a evitar, retrasar o reducir lagravedad de los problemas hidrulicos.

Esfuerzo de corte crtico: Importe mnimo de esfuerzo de corte requerido parainiciar el movimiento de las partculas del suelo.

Seccin transversal: Seccin normal a la tendencia de un canal o flujo.

Corriente actual: El agua que fluye a travs de un canal.

Medidor de corriente: Instrumento utilizado para medir la velocidad de flujo.

Pared de corte: Muro, por lo general de tablestacas o de concreto, que seextiende hacia abajo como material resistente a la socavacin o por debajo de laprofundidad de socavacin esperada.

Descarga diaria: Descargapromediopromediada en 1 da (24 horas).

Escombros: Material flotante o sumergido, como troncos, vegetacin, o basura,transportado por una corriente.

Degradacin (lecho): Descenso del canal del lecho general o progresivo (a largoplazo) debido a la erosin, en una longitud de canal relativamente largo.

Depresin: El descenso de la entrada o la garganta de una alcantarilla paraaumentar la cabeza efectiva en la seccin de control de flujo.

Profundidad de socavacin: Distancia vertical del lecho de la corriente, quedesciende por debajo elevacin de referencia de socavacin.

Caudal de diseo (Avenida de diseo): Descarga que se selecciona como labase para el diseo o la evaluacin de una estructura hidrulica.


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Descarga: Volumen de agua que pasa a travs de un canal durante un tiempodeterminado.

Cuenca de drenaje: Espacio confinado por las divisiones de drenaje, a menudocon slo una salida para la descarga (captacin, cuenca).

Material de arrastre: Trmino alternativo para "escombros" vegetales.

Corriente de pendular: Es un movimiento del fluido tipo Vrtice que fluyecontrario al flujo de la corriente principal, tales como el movimiento circular delagua que se produce cuando el flujo principal se separa de la orilla.

Alcantarilla incrustada o embebida: Es una alcantarilla que est por debajo delnivel del lecho para crear un fondo natural, a menudo en relacin con el diseo

AOP.

Corriente encajonada: El corte de la corriente en el lecho rocoso o depsitosconsolidados.

Corriente efmera: Corriente o tramo de la corriente que no fluye en algunosperiodos del ao. Tal como se utiliza aqu, el trmino incluye corrientesintermitentes con flujos inferiores al perenne.

Erosin:Desplazamiento de las partculas del suelo debido a la accin del agua o

del viento.

Estera de control para la erosin: Esteras fibrosas (por ejemplo, yute, papel,etc.) colocados o distribuidos en la orilla de la corriente con el propsito de resistirla erosin o proporcionar estabilizacin temporal hasta que se establezca lavegetacin.

Bolsa creto: Colchn de lechada utilizado para la proteccin de las orillas.

Pendiente del terrapln: Pendiente lateral o final de un relleno en tierra. Cuandola pendiente del relleno forma la cara hacia la corriente de un estribo de paso atravs de l, que se considera como parte del estribo.

Filtro: Capa de tejido (geotextiles) o material granular (arena, grava o rocagraduada) colocado entre revestimiento de la orilla (o proteccin del lecho) y elsuelo para los siguientes propsitos: (1) Evitar que el suelo se mueva portubificacin, la extrusin, o erosin; (2) Evitar que el revestimiento se hunda en el


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suelo, y (3) Permitir la filtracin natural de la orilla de la corriente, evitando laacumulacin de exceso de presin hidrosttica.

Capa filtrante: Capa de arena graduada y grava colocada entre material de granofino y escollera para servir como un filtro.

Tela de filtro (tela): Tejido geosinttico que sirve para el mismo propsito que unacapa de filtro granular.

Carga de sedimentos finos: Esa parte de la carga total de sedimentos que secompone de tamaos de partculas ms finas que aquellas que representan ellecho (carga de lavado). Normalmente, la carga de sedimento fino es ms fina de0.062 mm para los canales de lecho arenoso. Limos, arcillas y arenas podranconsiderarse carga de lavado en los canales de grava gruesa y cantos rodados de

lecho.

Corriente de cambio rpido: Corriente caracteriza por los rpidos cambios denivel de ascenso y descenso, segn lo indicado por un hidrograma con pico bienpronunciado. Por lo general asociado con corrientes de montaa o de cuencas decaptacin altamente urbanizada. La mayora de las corrientes de cambio rpidoson efmeras, pero algunas son perennes.

Curva de frecuencia y avenida: Grfico que indica la probabilidad de que ladescarga anual de inundacin sea superior a una magnitud dada, o el intervalo de

recurrencia correspondan a una magnitud dada.

Planicie de inundacin: Tierras bajas aluviales casi planas que bordean lacorriente, que est sujeta a frecuentes inundaciones por las precipitaciones.

Geomorfologa fluvial: Ciencia que trata de la morfologa (forma) y la dinmicade los ros y corrientes.

Borde libre: Distancia vertical por encima de un nivel de diseo que se le permitea las olas, las mareas, la deriva y otras contingencias.

Nmero de Froude: Nmero adimensional que representa la relacin de inercia afuerzas gravitatorias en el flujo de canal abierto.

Gavin:Cesta o contenedor rectangular en compartimentos hechos de malla dealambre. Cuando se llena con cantos rodados u otra roca de tamao adecuado, el


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gavin se convierte en una unidad flexible y permeable con la cual se puedenconstruir estructuras de control de flujo y erosin.

Socavacin general: La socavacin general es un descenso del lecho del cauceo la seccin de desage en el sitio de la alcantarilla o el puente. Este descenso

puede ser uniforme o no uniforme a travs del lecho. Es decir, la profundidad deerosin puede ser ms profunda en algunas partes de la seccin transversal. Lasocavacin general puede ser consecuencia de la contraccin del flujo o de otrascondiciones de erosin general, tales como el flujo alrededor de una curva.

Geomorfologa/morfologa: Ciencia que se ocupa de la forma de la Tierra, laconfiguracin general de su superficie, y los cambios que se producen debido a laerosin y depositacin.

Estructura de control de nivel (Presa de chequeo): Estructura colocada deorilla a orilla a travs del flujo de la corriente (por lo general cuando su eje centrales perpendicular al flujo) con el propsito de controlar la pendiente del lecho yprevenir la socavacin o corte del talud.

Grava: Fragmento de roca, cuyo dimetro vara de 2 a 64 mm.

Lechada: Mezcla fluida de cemento y agua o de cemento, arena, y agua utilizadapara llenar juntas y vacos.

Corte de cabeza: Degradacin del canal asociado a cambios bruscos en laelevacin del lecho (corte de cabeza) que por lo general migra en direccin aguasarriba.

Cabeza de entrada: La elevacin de la superficie del agua en el lado aguas arribade una alcantarilla que proporciona la energa para forzar el agua a travs de laalcantarilla.

Hidrulica: La ciencia aplicada que evala el comportamiento y el flujo delquidos, especialmente en tuberas, canales, estructuras y el suelo.

Modelo hidrulico: Pequea escala de representacin fsica o matemtica deuna situacin de flujo.

Radio hidrulico: Seccin transversal de una corriente dividida por su permetromojado.


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Estructuras hidrulicas: Las instalaciones utilizadas para incautar, albergar,transportar o controlar el flujo de agua, como presas, vertederos, tomas de agua,alcantarillas, canales y puentes.

Hidrograma: El grfico de los niveles de descarga versus tiempo.

Hidrologa: Ciencia que estudia la ocurrencia, distribucin y circulacin del aguaen la tierra.

Corriente talladora: La corriente que ha profundizado su canal a travs del lechodel piso del valle, por lo que la planicie de inundacin es una terraza.

Control de entrada: Uno de los dos tipos bsicos de control de flujo en el sistemahidrulico de alcantarillas donde el barril de la alcantarilla es capaz de transportar

ms caudal del que la entrada va a aceptar.

Batea: El punto ms bajo de la seccin transversal del canal o en los dispositivosde control de flujo, como vertederos, alcantarillas, o presas.

Erosin lateral: Erosin en la que la eliminacin de material se extiendehorizontalmente en contraste con la degradacin y erosin, en una direccinvertical.

Jarillon: Es un terrapln o relleno de tierra que generalmente va en direccin de la

parte superior de las orillas, que limita el flujo durante los perodos de altasavenidas, evitando as el desbordamiento en tierras bajas.

Carga (o carga de sedimentos): Cantidad de sedimento que mueve la corriente.

Socavacin local: La remocin del material alrededor de las pilas, estribos,espigones, y diques causada por una aceleracin del flujo y vrtices resultantesprovocados por obstrucciones en el flujo.

Alcantarilla luz larga: Una alcantarilla que supera el tamao mximo para unaforma tpica determinada, con aberturas que son de 20 a 40 pies (7-14 m) deancho o mayores.

Perfil longitudinal: Perfil de una corriente o canal dibujado a lo largo de lalongitud de su eje. En la elaboracin del perfil, las elevaciones de la superficie delagua o de la vaguada o thalweg se grafica frente a la distancia medida desde laboca o desde un punto inicial arbitrario.


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Cruce de aguas bajas: Un cruce diseado para proveer pas seguro duranteflujos bajos, a menudo con pequeas alcantarillas, pero que es desbordado aflujos altos y por lo tanto se debe cerrar el trfico.

Orilla de menor nivel: Es la parte de una orilla de la corriente la cual tiene unacota o elevacin menor que la cota o la elevacin media de la corriente.

Modelo matemtico: Representacin numrica de una situacin de flujoutilizando ecuaciones matemticas (tambin modelo de ordenador).

Colchn: Manta o revestimiento de materiales entretejidos o atados de otramanera y se colocan para cubrir un rea sujeta a socavacin.

Corrientes meandricas: Corriente que tiene una sinuosidad mayor que algnvalor arbitrario. El trmino tambin implica un grado moderado del patrn desimetra, impartida por la regularidad de tamao y la repeticin de los bucles demeandro. El canal presenta generalmente un proceso caracterstico de la erosinde las orillas y la deposicin de barras puntuales asociados con la desviacioncambiantes sistemtica de meandros.

Dimetro medio: El dimetro de partcula del percentil 50 en una curva dedistribucin de tamao de tal forma que la mitad de las partculas (en peso,nmero o volumen) son ms grandes y la otra mitad son menores (D50).

Migracin: Cambio en la posicin de un canal por la erosin lateral de un banco yla acumulacin simultnea de la orilla opuesta.

Lodo: Una mezcla suave y saturada principalmente de limo y arcilla.

Canal no aluvial: Canal cuya frontera est en lecho de roca o material noerosionable.

Etapa normal: Fase de agua que prevalece durante la mayor parte del ao.

Control de salida: Uno de los dos tipos de control de flujo en el sistema hidrulicode alcantarillas en el que el barril no es capaz de transmitir tanto el flujo como laabertura que aceptara la entrada.

Flujo de rebosamiento: El movimiento del agua que rebasa la margen debida alnivel de la corriente o a la escorrenta de aguas superficiales en el terreno.


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Curva de rendimiento: Un dibujo de la profundidad de cabeza de entrada oelevacin versus la tasa de flujo para una alcantarilla dada.

Corriente perenne: Corriente o tramo de una corriente que fluye de forma

contina durante la totalidad o la mayor parte del ao.

Tubificacin: Retiro de material del suelo a travs del flujo subsuperficial deaguas de infiltracin que desarrollan los canales o "tubos" dentro de la orilla delsuelo.

Avenida mxima probable: El valor de descarga de avenida es muy raro,calculado por los mtodos hidrometeorolgicos, por lo general en relacin con lasprincipales estructuras hidrulicas.

Piedra de una cantera: Piedra que se recibe de la cantera sin tener en cuenta losrequerimientos de gradacin.

Reduccin rpida: Descenso del agua en la orilla con mayor rapidez que lo quela orilla pueda drenar sin llegar a ser inestable.

Tramo: Segmento de longitud de la corriente que est delimitado arbitrariamentecon fines de estudio.

Intervalo de recurrencia: Es el inverso de la probabilidad anual de excedencia deun evento hidrolgico (tambin periodo de retorno o intervalo de excedencia).

Puente de alivio: Una abertura en un muro de contencin o en un terrapln deuna planicie de inundacin para permitir el paso del flujo de rebosamiento.

Revestimiento:Acorazamiento rgido o flexible colocado para evitar la socavaciny erosin lateral.

Rpidos:rea de flujo natural y de poca profundidad que se extiende a travs dela corriente en el cual la superficie del agua que fluye, se rompe por ondas uondulaciones. Por lo general, los rpidos alternan con piscinas a lo largo de uncanal de la corriente.

Ribereo: Perteneciente a todo lo relacionado con o junto a las orillas de unacorriente (corredor, vegetacin, zona, etc.)


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Escollera: Capa de roca o de concreto roto colocado para proteger una estructurao un terrapln de la erosin; tambin la roca o concreto roto conveniente para taluso. La escolera tambin se ha aplicado a casi todos los tipos de armadura,incluyendo escolleras encerradas en alambre, escollera lechada, escolleraparcialmente con lechada, concreto en sacos, y placas de concreto.

Coeficiente de rugosidad: Medida numrica de la resistencia de friccin al flujoen un canal, como en las frmulas de Manning o de Chzy.

Escombros de construccin: Escombros de construccin fragmentos irregularesde materiales de tamao aleatorio, utilizados para retardar la erosin. Losfragmentos pueden estar constituidos por losas rotas de hormign, de obra, o deotros desechos adecuados.

Escorrenta: Parte de la precipitacin que aparece en las corrientes superficialesde forma perenne o intermitente.

Arena: Fragmento de roca, cuyo dimetro est en el intervalo de 0,062 a 2,0 mm.

Socavacin: Erosin del lecho o material de las orillas debido al agua que fluye, amenudo considerada como erosin local, erosin por contraccin o socavacintotal.

Descarga de sedimentos: Cantidad de sedimentos que se llevan ms all de

cualquier seccin transversal de una corriente por unidad de tiempo. La descargapuede ser limitada a ciertos tamaos de sedimentos o de una parte especfica dela seccin transversal.

Carga de sedimentos: Cantidad de sedimento que se mueve por una corriente.

Filtracin: Movimiento lento de agua a travs de pequeas grietas y poros delmaterial de la orilla o mrgenes.

Esfuerzo cortante: Vea fuerza unitaria de corte

Limo: Partculas cuyo dimetro est en el intervalo de 0,004 a 0,062 mm.

Sinuosidad: Relacin entre la longitud vaguada y la longitud del valle de uncorriente.


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Pendiente (de canal o de corriente): La cada de nivel por unidad de longitud alo largo de la lnea central del canal o de la vaguada.

Proteccin del talud: Cualquier medida como la escollera, pavimentacin,vegetacin, revestimiento, maleza u otro material destinado a proteger una ladera

de la erosin, deslizamiento o crcavas, o para soportar la presin hidrulicaexterna.

Desprendimiento: Desliz o colapso de material que esta por encima; mismoefecto que tiene las crcavas, pero por lo general ocurre cuando una orilla o unestrato subyacente est saturado.

Mtodo de rea-pendiente: Mtodo de estimacin de los caudales de avenida nomedidos en un tramo de canal uniforme, utilizando los niveles altos de aguas

observados.

Cada: Deslizamiento repentino o colapso de una orilla, por lo general en ladireccin vertical y se limita a una corta distancia, probablemente debido al estratoinferior que se lava, convirtindose incapaz de soportar el peso por encima de l.

Suelo-cemento: Mezcla diseada de suelo y cemento Portland compacta con uncontenido de agua apropiado para formar un revestimiento o una estructura quepueda resistir la erosin.

Zapata o cimentacin contina: Cimentacin de la pila o estribo que transfiere lacarga directamente al terreno.

Canal estable: Situacin que se produce cuando una corriente tiene unapendiente del lecho y la seccin transversal que permite su paso para transportarel agua y los sedimentos liberados de la cuenca aguas arriba sin agradacin,degradacin o erosin de las orillas (corriente clasificada o equilibrada).

Nivel: Elevacin del agua en la superficie de una corriente con respecto a unaelevacin de referencia.

Diseo de simulacin de la corriente: Mtodo de diseo AOP que simula lascondiciones de la corriente natural dentro de la alcantarilla.

Escollera de piedras: Adoquines, piedras naturales, o rocas arrojadas ocolocadas como proteccin contra la erosin.


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Corriente: Cuerpo de agua que puede variar en tamao desde un ro grande a unpequeo riachuelo que fluye en un canal. Por extensin, el trmino algunas vecesse aplica canales naturales o curso de drenaje ya sea que fluya con agua o no.

Erosin de las orillas de la corriente: La eliminacin de las partculas de suelo o

una masa de partculas de la superficie de la orilla, debido principalmente a laaccin del agua. Otros factores como condiciones climticas, abrasin causadapor escombros y el hielo, las reacciones qumicas, y los cambios en el uso delsuelo tambin pueden directa o indirectamente conducir a la erosin de la orilla.

Falla de la orilla de la corriente: Colapso sbito de la orilla debido a unacondicin inestable, como la remocin de material en la pata de la orilla desocavacin.

Proteccin de la orilla de la corriente: Cualquier tcnica que se utiliza paraprevenir la erosin o la falla de la orilla de la corriente.

Descarga de sedimentos suspendidos: Cantidad de sedimentos que pasan atravs de una seccin transversal de la corriente por encima de la capa de lechopor unidad de tiempo suspendido por la turbulencia de flujo (carga suspendida).

Flujo subcrtico o supercrtico: Condiciones de flujo de canal abierto con elnmero de Froude menor y mayor que la unidad, respectivamente.

Cabeza de salida: Profundidad del agua en el lado aguas abajo de unaalcantarilla medida desde la solera o la cota de batea de salida, y un factorimportante en la hidrulica de alcantarillas con control a la salida.

Entrada biselada: Transicin ms gradual en una alcantarilla proporcionada pordos diseos estndar, ya sea una entrada acampanada o biselada.

Vaguada: Lnea que se extiende hacia abajo, canal que sigue la cota ms baja dellecho.

Parte ms baja de la orilla (Pata de la orilla): Parte de una seccin transversalde flujo de la corriente, donde termina la orilla ms baja y donde comienza el fondodel canal o la orilla opuesta ms baja.

Carga total de sedimentos: Suma de la carga suspendida y carga del fondo dellecho y carga de lavado de una corriente (carga total).


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Lloraderos: Agujeros de una pared o revestimiento impermeable para aliviar elesfuerzo neutral o la presin de poro en el suelo.


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CAPTULO 1

INTRODUCCIN

1.1 GENERAL

El propsito de esta publicacin es proporcionar informacin para la planificacin yel diseo hidrulico de alcantarillas (Figuras 1.1 y 1.2). El captulo 2 ofrece unresumen de las consideraciones de diseo, incluyendo la hidrologa, los datos y laevaluacin del sitio. El Captulo 3 proporciona informacin detallada sobre eldiseo hidrulico del conducto (tamao, forma, material) y la configuracin deentrada (Los extremos de la tubera cabezote, aletas, biseles y acampan-amiento).El Captulo 4 ofrece una visin global de los conceptos de diseo sobre el paso deorganismos acuticos (AOP). En el captulo 5 se resume una amplia gama de

temas de diseo incluyendo curvas, erosin, sedimentacin, modificaciones delsitio, consideraciones estructurales, alcantarillas de lomo partido, transito dealmacenamiento, y los modos de fallo. Finalmente, el captulo 6 discute lareparacin y rehabilitacin de alcantarillas.

Figura 1.1. Alcantarilla tpica con tubo pequeo de metal corrugado (de WI DOT).

Figura 1.2. Alcantarilla en cajn tpica de concreto.


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La metodologa de diseo en esta publicacin ofrece un enfoque simple yconsistente para el diseo de alcantarillas. Se asume que el diseadorexperimentado comprender la variedad de condiciones de flujo que son posiblesen las estructuras hidrulicas y har los ajustes apropiados segn sea necesario.El diseador sin experiencia y aquellos no familiarizados con los fenmenos

hidrulicos deben usar esta publicacin con precaucin. Todos los lectores sebeneficiaran si estn familiarizados con los fundamentos bsicos de la hidrulicaque se encuentran en la serie de Diseo Hidrulico numero 4 (HDS 4),Introduccin a la hidrulica de carreteras (FHWA 2008a).

Las listas de chequeo, cartas de diseo, y los formatos de clculo en estapublicacin le proporcionarn al diseador todas las herramientas necesarias paraejecutar un amplio rango de anlisis y diseo hidrulico de alcantarillas. Sinembargo, es importante reconocer que el diseo integral de un cruce de

alcantarilla implica muchas consideraciones diversas ms all del diseohidrulico. Otros factores incluyen la ubicacin y la alineacin adecuada, la cargade escombros, la estabilidad del canal y los movimientos de sedimentos, laminimizacin de los requerimientos de mantenimiento a largo plazo, la proteccindel canal de salida, seguridad, estructurales, costos econmicos y ciclo de vida delproyecto.

Se puede completar el diseo hidrulico integral de una alcantarilla utilizando lainformacin necesaria proporcionada en este documento, con informacindisponible de otros documentos de la Administracin Federal de Carreteras

(FHWA). Estos otros documentos incluyen el numero 9 Ingeniera HidrulicaCircular (HEC-9), Las Estructuras de Control de Escombros, Evaluacin y Medidasde Proteccin (FHWA 2005a); HEC-14, Diseo hidrulico de disipadores deenerga para alcantarillas y canales (FHWA 2006a); HEC-20, La Estabilidad deCorriente en Estructuras de Carreteras (FHWA 2012a), y HEC-26, Diseo de

Alcantarilla para el paso de organismos acuticos (FHWA 2010a). La Figura 1.3 esun diagrama de flujo general que identifica las principales opciones de diseoconsideradas en el diseo de una alcantarilla. Otras consideraciones incluyen eltrnsito de almacenamiento, alcantarillas de lomo partido, disipadores de energa,etc.


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Figura 1.3. Diagrama de flujo para el diseo de una alcantarilla.

1.2 COMPARACIONES ENTRE ALCANTARILLAS, PUENTES y DRENAJE

PLUVIAL

Alcantarillas, puentes y drenajes de precipitacin, todos sirven para la gestin y eltransporte de la escorrenta de aguas de corriente a travs del sistema decarreteras. El diseador debe decidir cul enfoque de anlisis va a utilizar en uncruce o alternativa de diseo. Para la mayora de los cruces de carreteras, laseleccin esta entre una alcantarilla y un puente. Algunas veces se requiere elanlisis de drenaje de aguas pluviales y esto se discute al final de esta seccin.

La comparacin de las alcantarillas a los puentes que el diseador debedeterminar es qu tipo de estructura es la mejor para un lugar determinado y, acontinuacin, decidir la forma de analizar el cruce. Por ejemplo, en muchosaspectos, una alcantarilla grande con seccin rectangular comienza a parecerse aun puente de pequeo luz con estribos de paredes verticales, y as:

Cul prefiere desde el punto de vista hidrulico, esttico y econmico?


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Cmo se debera analizar la estructura (como un puente con el flujo desuperficie utilizando conceptos de flujo libre y gradualmente variado o comouna alcantarilla con cabeza de entrada basado en el anlisis tradicional deuna alcantarilla)?

Las alcantarillas se utilizan:

Donde no se requieren hidrulicamente los puentes Donde son tolerables los escombros y el potencial de hielo Donde es ms econmico que un puente (incluyendo barandas de

seguridad)

Los puentes se utilizan:

Dnde la alcantarilla no es prctica Donde es ms econmico que una alcantarilla Para satisfacer los usos del suelo y de acceso Para mitigar las preocupaciones ambientales que no es satisfecha por una

alcantarilla Para evitar las invasiones en la planicie de inundacin Para evitar cada de hielo y grandes escombros

Tradicionalmente, las consideraciones econmicas eran de importancia primordialpara decidir entre el uso de un puente o una alcantarilla en cruces de corrientes

donde se va a satisfacer requerimientos hidrulicos y estructurales. El costo inicialpara una alcantarilla es por lo general menos que el de un puente ya que el uso dela cabeza de entrada aumentada en una instalacin de una alcantarillanormalmente permite el uso de una abertura ms pequea (Figura 1.4), encomparacin con un puente que normalmente est diseado con un galibo de aire.Sin embargo, esta ventaja debe equilibrarse con los posibles daos de lasinundaciones asociadas con el aumento de la cabeza de entrada, especialmenteen las descargas ms altas, y ms recientemente contra los problemas de AOP,que a menudo obligan a tener una mayor apertura y una solera o batea natural.

Los costos de mantenimiento de alcantarillas pueden ser resultado de la erosindel canal en la entrada y la salida, la erosin y el deterioro de la solera de laalcantarilla, la sedimentacin, la acumulacin de hielo y escombros, y lareparacin del terrapln en caso de rebosamiento. El mantenimiento del puentesuele ser ms costoso, sin embargo, incluyendo aspectos tales como elmantenimiento del tablero del puente y la superestructura, la erosin alrededor depilas y estribos, y la posible acumulacin de sedimentos y escombros.


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Las consideraciones de seguridad y estticas tambin estn implicadas en laeleccin de un puente o alcantarilla. Consideraciones de seguridad paraalcantarillas incluyen el uso de barandas o rejas de seguridad. Es importanteconocer que las alcantarillas que excedan un ancho de luz de 20 pies (6,1 m) (ya

sea como un conducto simple o el ancho total de un cruce de conductos mltiples)son considerados puentes en las Normas Nacionales de Inspeccin de Puentes(NBIS) y por lo tanto estn sujetos a la inspeccin rutinaria de acuerdo con losrequisitos de la entidad NBIS. Los tableros de puentes a menudo restringen losanchos de las bermas y los separadores y algunos estn sujetos a la formacin dehielo que puede presentar problemas de seguridad de trfico. Un puente se puedeconsiderar ms esttico al atravesar un valle o un can pintoresco.

Figura 1.4. Puente versus alcantarilla en la misma ubicacin.

Existen diferencias en las hiptesis hidrulicas y los anlisis utilizados paraalcantarillas y puentes. El estudio de canales abiertos en cualquier estructura sepuede basar en hiptesis de profundidad normal simple o en clculos de flujogradualmente variado ms complicados. La condicin de la cabeza de salida en elcanal aguas abajo de una alcantarilla se basa normalmente en un anlisis deprofundidad normal. Adems, el anlisis de la alcantarilla a menudo asume que no

hay ninguna velocidad de acceso a la alcantarilla o en el canal inmediatamenteaguas abajo de la alcantarilla, lo cual sobreestima las prdidas de energa deentrada y salida. En contraste, el anlisis hidrulico de puentes se basatpicamente en clculos de flujo gradualmente variado que proporcionan un perfilms preciso de la superficie del agua a travs del cruce, y que puede tener encuenta la velocidad de llegada de acceso y de salida de la estructura.


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En ltima instancia, las grandes alcantarillas con flujo de superficie libre a travsde la estructura (es decir, no hay cabeza de entrada) suelen ser mejor analizadassobre la base de los conceptos de flujo de canal abierto gradualmente variado,que se utilizan en los anlisis de puentes mejor que los procedimientos de clculoque se detallan en esta publicacin. Las estructuras ms pequeas se disean

ms fcilmente basadas en el anlisis y procedimientos hidrulicos para unaalcantarilla. Basados en las regulaciones NBIS, as como temas hidrulicos, unagua razonable es utilizar el modelo basado en puentes para una alcantarillasimple con una luz de 20 pies (6,1 m) o ms, dado que ambas estructuras suelenoperar con un flujo de superficie libre. Para los pequeos cruces de corrientes quepodran utilizar grandes tamaos del conducto, tales como las alcantarillas AOP, lamodelacin hidrulica basada en puentes es probablemente ms apropiado dadoque las condiciones esperadas son de flujos de superficie libre.

Por otro lado, cundo una alcantarilla comienza a parecerse a un sistema dedrenaje de aguas pluviales "corto"? Si hay varios puntos de entrada de flujo a lolargo de la alcantarilla (tales como entradas de calzadas o separadores), mltiplescambios geomtricos (curvas, cambios de tamao de la tubera, los cambios dependiente, etc.), o los posibles cambios en el rgimen de flujo dentro del conducto,para esos casos se prefieren los anlisis computacionales o anlisis de un colectorde aguas pluviales ms robusto que podran ser preferibles a la utilizacin de losprocedimientos de anlisis de alcantarilla que se describen en esta publicacin.

La informacin presentada en todo el resto de este documento que supone que la

decisin ha sido tomada para disear una alcantarilla, en lugar de un puente, yque la alcantarilla a ser diseada o analizada no es tan grande para serconsiderada un puente, ni tan largo o complicado que debe ser considerado comoun colector de aguas pluviales. Para obtener informacin detallada sobre lahidrulica del puente y el anlisis se refieren a HDS 7, "Diseo hidrulico dePuentes Seguros" (FHWA 2012b). Para obtener informacin detallada sobre eldiseo de drenaje pluvial ver HEC-22, Diseo de Drenaje Urbano (FHWA 2009a).

1.3 RESUMEN DE ALCANTARILLAS.

Una alcantarilla es un conducto que transporta el flujo de corriente a travs de unterrapln o de algn otro tipo de obstruccin de flujo. Las alcantarillas seconstruyen a partir de una variedad de materiales y estn disponibles en muchasformas y configuraciones diferentes. Factores de seleccin de alcantarillasincluyen perfiles de carretera, las caractersticas del canal, evaluaciones de daos


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por inundaciones, los costos de construccin y mantenimiento, y las estimacionesde vida til.

1.3.1 Formas

Las formas de seccin transversal son numerosas y estn disponibles tanto parael conducto cerrado y alcantarillas de fondo abierto. Las formas de conductoscerrados ms comunes son circulares, caja (rectangular), elptica, y el tubo dearco (Figura 1.5a). Estas formas tpicas de alcantarillas manufacturadas tienen elmismo material en todo el permetro. Una forma de seleccin se basa en el costode la construccin, la limitacin de la elevacin de la superficie del agua aguasarriba, la altura del terrapln de la carretera, y el rendimiento hidrulico. Estasformas pueden ser construidas en encajonamiento que es una depresin pordebajo del lecho tanto de la solera de entrada como la de salida. Ayudas de

diseo slo se proporcionan en el anexo de formas circulares y caja. Tpicasformas de alcantarilla de fondo abierto, en la figura 1.5b se muestran las diversasconfiguraciones de alcantarillas en cajn y arco. Las formas de seccin transversalmostradas en las figuras 1.5a y b junto con una forma definida por el usuariocomprenden estn disponibles en el programa computacional de diseo dealcantarillas HY-8 de la FHWA.

Figura 1.5a. Formas de alcantarillas comnmente utilizadas.

Figura 1.5b. Formas de alcantarillas de fondo abierto comnmente utilizadas.


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1.3.2 Materiales

La seleccin de un material de alcantarilla puede depender de la resistenciaestructural, la rugosidad hidrulica, durabilidad (resistencia a la abrasin y la

corrosin), y la factibilidad de construccin. Los materiales de alcantarilla mscomnmente utilizados son el hormign o concreto (tanto reforzado y noreforzado), de metal corrugado (aluminio o acero) y de plstico (polietileno de altadensidad (HDPE) o cloruro de polivinilo (PVC)). Una alcantarilla de concreto y untubo de metal corrugado se representan en las figuras 1.6 y 1.7, respectivamente.Los materiales comnmente menos usados incluyen arcilla, piedra y madera,como se podra encontrar en las estructuras de alcantarillas histricas. Losmateriales para alcantarillas se siguen desarrollando y en el futuro podran incluirvarios tipos de plsticos, fibra de vidrio y materiales compuestos. Las alcantarillas

tambin pueden estar revestidas con otros materiales para inhibir la corrosin y laabrasin, o para reducir la resistencia hidrulica. Por ejemplo, las alcantarillas demetal corrugado pueden ser revestidas con concreto asfltico o de un materialpolimrico.

Figura 1.6. Alcantarilla de caja o box culvert.

Figura 1.7. Tubera de metal corrugado.


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1.3.3 Entradas

Diferentes configuraciones de entrada se utilizan en los conductos de los barrilesde la alcantarilla. Estas incluyen tanto prefabricadas e instalaciones in situ. Las

configuraciones de admisin comnmente usadas incluyen conductos dealcantarillas salientes, cabezotes de concreto colado en el sitio, seccionesprefabricadas, y con terminaciones biseladas en la alcantarilla para ajustarse a lapendiente de relleno (Figura 1.8). El rendimiento hidrulico, estabilidad estructural,esttica, control de la erosin, y la retencin del relleno son consideraciones en laseleccin de diversas configuraciones de admisin.

Figura 1.8. Cuatro de tipos de entrada estndar.

La capacidad hidrulica de una alcantarilla puede mejorarse por la seleccinapropiada de entrada. El canal es a menudo ms ancho que el conducto de laalcantarilla, provocando una contraccin en la entrada de la alcantarilla que puedeser el control de flujo primario. La provisin de una transicin de flujo ms gradualdisminuir la prdida de energa y por lo tanto creara una condicinhidrulicamente ms eficiente a la entrada (Figura 1.9). Los bordes biselados sonpor lo tanto ms eficiente que los bordes cuadrados.

Figura 1.9. Contraccin de entrada.


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Entradas biseladas laterales o con pendiente, comnmente conocidas comoentradas biseladas o acampanadas, reducen an ms la contraccin del flujo. Lafigura 1.10 ilustra entradas biseladas laterales y una entrada con endienteacampanada. La depresin puede aumentar el caudal efectivo de la seccin de

control de flujo, lo que aumenta an ms la eficiencia de la alcantarilla. Ladepresin puede ser depresin a la entrada o la depresin en la garganta.

a. Entrada biselada. b. Entrada acampanada en pendiente.

Figura 1.10. Esquema de entradas biseladas laterales y acampanadas.

Al considerar el uso de una entrada biselada o acampanada el diseador debeevaluar el aumento del costo de la construccin del barril versus el ahorro en elcosto del conducto. Adicionalmente, si el AOP es importante, el tamao mspequeo posible del barril con una entrada ahusada por lo general no es unaalternativa de diseo aceptable. Sin embargo, cuando las entradas biseladas sonfactibles, la mejora en el rendimiento hidrulico puede ser importante en algunos

casos. Un ejemplo tpico podra ser una alcantarilla relativamente larga en unapendiente fuerte y sin problemas de AOP, como podra ocurrir en un rea urbana.Otra aplicacin podra ser un proyecto de ampliacin de la calzada donde el barrilexistente est en buenas condiciones, pero de tamao insuficiente comoconsecuencia de la urbanizacin que ha incrementado la descarga de diseo. Enlugar de la sustitucin de la alcantarilla existente con el costo asociado y lainterrupcin del trfico, una entrada biselada podra ser diseada como parte de la


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extensin de la alcantarilla para mejorar la eficiencia hidrulica. La rehabilitacinde una alcantarilla debajo de un relleno alto es otro ejemplo donde una alcantarillacon entrada biselada o acampanada podra ayudar a compensar un revestimientoque reduce el rea de entrada y el tamao del barril.

1.3.4 Las alcantarillas embebidas y de fondo abierto

Las alcantarillas embebidas proporcionan una solera o batea natural, que puedeser deseable por una variedad de razones. Por ejemplo, alcantarillas embebidas yde fondo abierto son comnmente utilizadas en los cruces diseados para abordarlos problemas de AOP. Una batea o solera natural tambin puede ser preferible enlos canales con un alto transporte de sedimentos, especialmente con losmateriales de la capa que est encima del lecho (gravas y guijarros) donde laabrasin causada por los sedimentos en movimiento puede destruir rpidamente

la solera de la alcantarilla. Otras razones para una solera o batea natural puedeincluir la esttica.

Una alcantarilla de fondo abierto es a menudo una caja o forma de arco construidosobre la cimentacin de la pared vertical (Figura 1.11). La fundacin debe serdiseada teniendo en cuenta el potencial de socavacin del cauce que puedaerosionar la estructura, que es un modo de fallo comn para este tipo dealcantarillas. Existe poca informacin sobre la socavacin de flujo paralelo a unapared, como podra presentarse a lo largo de la fundacin de una alcantarilla defondo abierto. Una gua de diseo para la proteccin de escollera para alcantarillas

de fondo abierto est disponible en HEC-23 (FHWA 2009b). Sin embargo, si elpotencial de socavacin es grande, una opcin menos riesgosa de una alcantarillade fondo abierto puede ser una alcantarilla incrustada.

Una alcantarilla incrustada puede ser de cualquier forma, pero es ms a menudocircular, caja o un arco de tubera que ha sido enterrado en la tierra por lo general20 a 40% de su altura (Figura 1.12). Una de las ventajas de una alcantarillaembebida es la solera de la alcantarilla que puede proporcionar un control de nively la proteccin contra la socavacin extrema frente a una alcantarilla de fondoabierto.


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Figura 1.11. Alcantarilla de fondo abierto.

Figura 1.12. Alcantarilla embebida (de WI DOT)

El creciente inters en las alcantarillas de fondo abierto e embebidas,particularmente para aplicaciones de AOP, ha dado lugar a una investigacin

adicional sobre sus caractersticas hidrulicas. Esta investigacin incluye unproyecto llevado a cabo por el Programa Nacional Cooperativo de Investigacin deCarreteras (NCHRP Proyecto 15-24) para refinar coeficientes de prdidashidrulicas existentes y desarrollar nuevos coeficientes de prdidas hidrulicaspara instalaciones de alcantarillas tradicionales y ambientalmente sensibles alambiente (NCHRP 2011). La investigacin incluy la evaluacin de coeficientes deprdida de entrada y salida de alcantarillas embebidas y alcantarillas que han sidore-alineadas o revestidas (Apndice A). Tambin incluy la evaluacin de losmtodos de prdida hidrulicos compuestos para alcantarillas de fondo abierto y

alcantarillas embebidas que tienen diferente rugosidad entre la solera y el materialde la alcantarilla. El Captulo 3 proporciona el mtodo tradicional para determinarla rugosidad compuesta que fue confirmado por la investigacin NCHRP.

1.3.5 Cruces de niveles de agua baja


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Un cruce de poca profundidad est diseado para proporcionar un paso segurodurante flujos bajos, pero se rebosara a altos flujos, por lo que se debe cerrar eltrfico. Los cruces de corrientes de agua baja pueden proporcionar alternativasrentables y seguras para los cruces de puentes y alcantarillas para ciertascarreteras de bajo volumen de trnsito, cuando son convenientes siempre que el

caudal y las condiciones de utilizacin en la carretera lo permitan. En el Manual deDiseo (FHWA 2008b) se proporcionan normas y criterios para el desarrollo deproyectos y en las publicaciones del Servicio Forestal de EE.UU. (USFS) crucesde poca profundidad: son consideraciones ingenieriles de diseo geomrfica ybiolgica (USFS 2006).

Estas normas definen dos clases de cruces de baja profundidad, cruces ventiladosy cruces sin ventilacin. Un cruce de ventilacin tiene una apertura hidrulica pordebajo de la carretera para caudales bajos, mientras que un cruce no ventilado no

tiene esa abertura. Un cruce de bajamar sin ventilacin es esencialmente un vadoque podra tener una simple inmersin en la calzada para que coincida con laelevacin del cauce, o puede ser un poco elevado sobre el lecho de la corriente. Amenudo se utilizan en climas ridos donde los cauces fluviales estn secos lamayor parte del ao (Figura 1.13). Un cruce de poca profundidad con ventilacines esencialmente una alcantarilla dimensionada para permitir el paso del flujobajo, pero reboza la calzada cuando el nivel es alto (Figura 1.14). Segn sedise, el cruce operar como una alcantarilla para flujos hasta la descarga dediseo de flujo bajo, y como un vertedero de cresta amplia combinada con un flujode la alcantarilla para las descargas ms grandes. Durante los eventos de

escorrenta significativos de la corriente, ya sea en un cruce de poca profundidadsin ventilacin o con ventilacin puede ser lo suficientemente fuerte como paraarrastrar los vehculos en sentido de la corriente aguas abajo. Las seales deadvertencia a la llegada del cruce son importantes y lo ideal sera restringir laentrada cuando el agua supera una profundidad especificada, podra seridentificado por una seal vertical en el sitio o cerca el cruce.

La proteccin de la calzada y el terrapln de la erosin y socavacin durante eldesbordamiento es un elemento constructivo fundamental para un cruce de pocaprofundidad. La cada potencial en la elevacin de la superficie del agua y laaceleracin del flujo a medida que el flujo rebosa la calzada puede crear erosin ysocavar el lado aguas abajo de la calzada requiriendo algn tipo de proteccin, porlo general se debe colocar una escollera de roca a lo largo del terrapln o construirel terrapln con pavimento. Otra cuestin que se debe considerar son los impactospotenciales sobre los AOP.

1.3.6 Paso de Organismos Acuticos (AOP)


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Tradicionalmente, las alcantarillas fueron diseadas sobre la base de conduccinhidrulica y la capacidad de inundacin. El objetivo principal era el dimensionar laalcantarilla para mantener un nivel aceptable del empozamiento aguas arriba de lacalzada tal como se define por la elevacin permisible de la cabeza de entrada.

Normalmente, esto se tradujo en una estructura de cruce que fuesignificativamente ms pequea y ms estrecha que el canal de la corriente, quecontrae el flujo y aumenta la velocidad y la socavacin potencial.

Figura 1.13 Cruce con nivel de agua bajo.

Figura 1.14. Ventilacin de un cruce con bajo nivel de agua.

Esta contraccin del flujo altera el rgimen de flujo natural creando barreras almovimiento de los peces en o al lado adyacente de la alcantarilla. Laspreocupaciones sobre el efecto de estas barreras, en particular con los pecesmigratorios, iniciaron nuevos conceptos de diseo de alcantarilla sobre la base delas caractersticas y el comportamiento de los peces en varias etapas de la vida.

Aunque gran parte del enfoque original fue el paso de peces, pronto se reconocique muchos otros organismos en el ambiente acutico (por ejemplo, ranas,


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salamandras, tortugas) se vieron afectados y el problema se convirti en cmomejorar el paso de organismos acuticos (AOP).

Criterios deseables para una alcantarilla AOP, inicialmente se centraron en reduciral mnimo la cantidad de contraccin en la entrada, manteniendo velocidades

razonables y profundidades de flujo dentro de la alcantarilla, evitando cambiosbruscos en la pendiente o la elevacin, y manteniendo el fondo del canal natural.Como el conocimiento creci, la atencin se centr en la simulacin del canalnatural a travs de la alcantarilla en la medida posible. El procedimiento de diseoFWHA AOP para crear mejor este tipo de condiciones se detalla en HEC-26(FHWA 2010a). Un resumen de esta informacin se proporciona en el Captulo 4.

Cuando los problemas de AOP son de inters, la alcantarilla tpicamente debe sermayor que la necesaria para cumplir con las normas de diseo de transporte

hidrulico y capacidad de inundacin. Mientras que la alcantarilla le costar ms alprincipio, tiene el potencial para reducir los costos de mantenimiento durante lavida til de la instalacin de alcantarillas. El procedimiento de la FHWA enfatiza eluso de alcantarillas sobredimensionadas y embebidas que proporcionan unasolera natural, pero tambin permite algunas medidas del control del nivel en lasolera de la alcantarilla. Tambin se pueden utilizar otros tipos y configuracionesde estructuras.

1.3.7 Alcantarilla de luz larga.

Las alcantarillas de luz larga estn mejor definidas sobre la base de los aspectosde diseo estructural que sobre la base de consideraciones hidrulicas. Deacuerdo con las especificaciones para puentes de carreteras, las estructuras deplaca estructural de luz grande (AASHTO 2002):

1. Exceden ciertos tamaos mximos definidos para tuberas, tubo-arco y arcos, o2. Pueden ser formas especiales de cualquier tamao que implican un gran radiode curvatura en la corona o en las placas laterales.

Las formas especiales incluyen elipses verticales y horizontales, pasos inferiores,y los arcos de bajo y alto perfil. En general, las luces de las alcantarillas con luzlarga oscilan entre 20 y 40 pies (7m a 14m). En la figura 1.5b se ilustran variasformas tpicas de alcantarilla de luz larga. Una instalacin tpica de luz larga semuestra en la Figura 1.15.


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Figura 1.15. Alcantarilla de luz larga.

Alcantarillas luz larga dependen de la interaccin con el terrapln para laestabilidad estructural. Por lo tanto, la seleccin adecuada de la conformacin y lacompactacin de la cama o base de la estructura del relleno son de suma

importancia. Para estructuras de mltiples conductos, se debe tener cuidado paraevitar cargas desequilibradas durante el relleno. Algunos fabricantes dealcantarillas de luz grande no vendern sus productos a un cliente a menos que eldiseo y la instalacin sean supervisados por sus ingenieros. Si esto no esnecesario, el proyecto debe coordinarse con el personal de ingeniera delfabricante.

Varios fabricantes utilizan diferentes tcnicas para lograr la configuracin deseadaluz larga. En algunos casos, se utiliza la armadura para reforzar la estructura. En

otros casos, especialmente se instalan rigidizadores estructurales diseadoslongitudinales instalados en la parte superior del arco. La armadura y losrigidizadores que se proyectan en el barril pueden aumentar la resistenciahidrulica, particularmente si los elementos son perpendiculares al flujo.

Se requiere anclaje en los extremos de las alcantarillas de longitud larga paraevitar la flotacin o daos debido a las altas velocidades a la entrada. Esto esespecialmente cierto para las entradas ranuradas. No se recomiendan alcantarillassesgadas y entradas ranuras.

Los mismos principios hidrulicos se aplican al diseo de alcantarillas de grandesluces como a otras alcantarillas. Sin embargo, dado su tamao rara vez tienen unflujo que exceda la parte superior del barril y, a menudo fluyen parcialmente llenosa la descarga de diseo. En consecuencia, los clculos del remanso para flujo decanales normales abiertos a menudo es el mejor enfoque analtico para evaluar eldesempeo o rendimiento hidrulico. Para cualquiera de las formas de fondo


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abierto, el diseo y la proteccin para la socavacin a lo largo de la cimentacin sedeben tener en cuenta.

1.3.8 Funcin de la Alcantarilla

La alcantarilla realiza una amplia gama de funciones hidrulicas y no hidrulicas.La funcin hidrulica ms comn es proporcionar drenaje transversal de un canalde corriente, tal como se presenta en este captulo. Otras funciones hidrulicasincluyen el alivio a la planicie de inundacin, donde una alcantarilla puede sercolocada en la orilla ms alta de una planicie de inundacin ancha paraproporcionar drenaje de la zona de orilla durante los eventos de gran avenida.Tales alcantarillas suelen no tener ningn canal definido aguas arriba o aguasabajo del barril y pueden estar secos durante aos. Las estructuras de alcantarillaspequeas a menudo funcionan para proporcionar alivio para zanjas de drenaje a lo

largo de la calzada, desviando parte de la descarga de la zanja. Las alcantarillastambin se incorporan a menudo en las estructuras de control de salida para losestanques de detencin y en las diversas estructuras de gestin del agua. Lasfunciones no hidrulicas incluyen estructuras de cruce para el trfico humano oanimal, como un paso de peatones o sendero, pas de ganado, acceso amaquinaria agrcola y cruces diseados para facilitar el movimiento de la vidasilvestre.

1.4 HIDRULICA DE ALCANTARILLA

Un anlisis terico completo de la hidrulica de una alcantarilla es basada enecuaciones fundamentales y pueden ser complejas. Las condiciones de flujovaran con el tiempo para cualquier alcantarilla dada. El barril de la alcantarillapuede fluir lleno o parcialmente lleno, dependiendo de las condiciones aguasarriba o aguas abajo, las caractersticas del can, y la geometra de entrada. Estatoma de conciencia y la falta de una metodologa de diseo de alcantarillascondujeron a la investigacin realizada por la Administracin Federal deCarreteras (FHWA), anteriormente la Oficina de Caminos Pblicos (BPR), en loslaboratorios a partir de la dcada de 1950 en la Oficina Nacional de Normas(NBS). Esta investigacin dio lugar a una serie de siete informes de investigacin ylas ecuaciones presentadas en el Apndice A. Las ecuaciones se utilizaron paradesarrollar nomogramas para evaluar el sistema hidrulico de alcantarillas(Apndice C). Estos monogramas son la base de los procedimientos de diseo dealcantarillas que fueron publicadas por primera vez en el HEC-5 (FHWA 1965),HEC-13 (FHWA 1972a), y ahora en esta publicacin.


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El enfoque bsico presentado en HEC-5 fue analizar una alcantarilla de variostipos de control de flujo y luego disearla para el control que produce elrendimiento mnimo. El diseo para la eficiencia mnima no tiene en cuenta lascondiciones transitorias que podran resultar en perodos de mayor rendimiento.Los beneficios de disear para la eficacia mnima son la facilidad de diseo y la

garanta de un desempeo adecuado en las condiciones hidrulicas menosdesfavorables.

1.4.1 Condiciones de flujo

El conducto del barril de una alcantarilla puede tener un fluir lleno o parcialmentelleno a lo largo de toda su longitud. El flujo lleno en un barril de una alcantarilla esraro. Generalmente, al menos una parte del barril fluye parcialmente lleno. Elclculo del perfil de la superficie del agua es la nica manera de determinar con

precisin que tan lleno fluye el barril.

a) Flujo lleno. La condicin hidrulica en una alcantarilla que fluye llena sedenomina flujo a presin. Si se aumenta el rea de seccin transversal dela alcantarilla con flujo a presin, el rea de flujo se

diseno hidraulico de alcantarillas para carreteras - fhwa 2012

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