diseño hidraulico de drenaje de carretera
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Diseño de alcantarillasTRANSCRIPT
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CUNETAS, ALCANTARILLAS TRANSVERSALES E IMBORNALES
CUNETAS
Son canales de drenaje de escorrentia que estan ubicado en el extremo de la calzada y paralela a
esta, que tiene como función la recoleción de las aguas pluviales canalizarla y conducirlas hasta el
punto de recoleccion para su destino final, estas aguas pluviales proceden de la propia calzada y
de la escorrentia superficial de los cortes realizados.
Las cunetas pueden ser en tierra y revestida, la desición de revestir o no, dependera de la
velocidad con la cual circula el flujo que dependera de la pendiente de la cuneta, que
generalmente la pendiente de la cuneta con incide con la pendiente de la via, la velocidad de la
cuneta no debe superar la velocidad maxima permisible, ya que causara eroción y daños , se
recomienda que apatir de una velociada de 4.5 m/seg, la cuneta sea revestida preferiblemente de
hormigon.
SECCION TRANSVERSAL DE LA CUNETA
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UBICACION
Generalmente las cunetas suelen ubicarse lateralmente y paralela a la calzada, pero también se
pueden ubicar en la parte mas alta de corte o desmonte, a estas cunetas se llaman de diferente
formas , entre ellas podemos citar, cuneta de coronación de corte o desmonte ,fozo , contrafozo,
zanja de ladera, etc.
cuneta decoronacion decorte
cuneta decoronacion deterraplen
cuneta de pie decorte
Las carreteras son susceptibles al daño causado por el agua, por lo que resulta de vital
importancia conocer los posibles factores hidrológicos e hidráulicos que afectan el
comportamiento del agua frente a los diferentes drenaje, existen tres elementos fundamentales
para garantizarla funcionalidad y durabilidad: Diseño Hidrológico, Diseño Hidráulico, Diseño
Estructural Tanto en el diseño hidrológico como hidráulico es necesario tener en cuenta aspectos
como coeficientes de escorrentía,intensidad de la lluvia, tiempos de concentración, períodos de
retorno, tipos de flujo, velocidad de flujo, coeficientes de rugosidad, sección transversal y forma
de las obras de drenaje.
DISEÑO HIDROLOGICO
En el diseño hidrológico de obras de drenaje para carreteras es necesario estimar con certeza el
caudal máximo de escorrentía del área tributaria a la obra de drenaje para un periodo de retorno
dado. Los estudio hidrológico debehacerse primero.
� Tiempo de concentración � Intensidad � Período de retorno � Coeficiente de Escorrentía � Caudal Pico de diseño
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PERIODO DE RETORNO
ESTRUCTURA PERIODO DE RETORO (AÑOS)
CUNETAS 5
ALCANTARILLAS TRANSVERSALES 10
IMBORNALES 10
PUENTES 50
CUNETAS COMO UN CANAL ABIERTO
TIPO DE FLUJO
En canales abiertos el flujo se clasifica en función al cambio del nivel del flujo considerando el
tiempo y espacio. De acuerdo al tiempo se clasifica como permanente o no permanente y respecto
al espacio en uniforme o variado. y estado del flujo lo determinamos por el Número de Froude.
Cuando:
hn > hc ⇒ Fr < 1 Flujo subcrítico.
hn = hc ⇒ Fr = 1 Flujo crítico crítica.
hn < hc ⇒ Fr > 1 Flujo supercrítico.
Donde:
hn- Tirante normal, hc- Tirante Critico.
Energia Especifica
Está definida como la energía que posee un fluido en una sección determinada. Cuando la energía
específica tiene su valor minimo es estado del flujo es crítico.
� = h + � v�2
DISEÑO HIDRAULICO DE CUNETAS
Para el diseño hidraulico de cunetas debemos partir, de que la cuneta es un canal de drenaje de
aguas de escorrentia, por lo cual esta vinculado al caudal que aporta una area tributaria
determinada, este caudal de escorrentia lo vamos a determinar por el metodo racional, ya
determinado este caudal , la capacidad de conductividad de la cuneta se va a determinar por la
ecuación de Manning.
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El caudal de escorrentia por el Metodo Racional.
� = ���360
Donde:
Q - Caudal (m3/seg.)
C- Coeficiente de Escorrentia
I- Intensidad de Lluvia (mm/h)
A- Area Tributaria (hect.)
Tambien podemos usar la siguiente formula solo que el area tributaria se introduce en kilometro
cuadrado( Km2).
� = 0.278���
Para establecer el flujo en la cuneta se puede usar la ecuación de Manning.
Ecuación de Manning
� = 1� ���/����/�
� = 1� ����/����/�
Donde:
Q - Caudal
� - Velocidad en la cuneta.
n - Coeficiente de Rugosidad de Manning.
R - Radio Hidraulico.
S - Pendiente de la cuneta.
A - Area Hidraulica de la cuneta.
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CAPACIDAD DE CONDUCCION
Para calcular la capacidad de conducción de una cuneta es necesario conocer la intensidad de
lluvia y el area tributaria y desde luego el coeficiente de escorrentia . Una forma adecuada y
sencilla es determinar el caudal que entra a la cuneta por metro lineal, este aporte lo podemos
determinar por la siguiente expresión. Luego pedremos aplicar la ecuación de Manning.
� = ���360
Donde:
C- Coeficiente de escorrerntia, I- Intensidad de lluvia (mm/h), A- Area tributaria Unitaria (hect.).
Las Zanjas de ladera también llamada fosos o contrafosos (contra cunetas) son canales de drenaje
de escorrentia con la función de llevar las aguas de las laderas hacia las obras de arte, para
conducirla a su destino final. Estos canales su diseño hidraulico tambien es realizado por la
ecuacion de manning y también con el Metodo Racional para el calculo del Caudal de escorrentia.
El calculo de conducción de una cuneta, se refiere al diseño hidraulico, para este es necesario
conocer todos los parametros que se requieren estos son:
a) datos de lluvias, intensidad de precipitación, b) areas tributarias, c) tipos de suelos en el area del
proyecto.
Con estos datos se puede determinar los caudales de escorrentia,
escorrentia, podemos elegir el tipo de cuneta, determinar el coe
Cuando se tiene todos los datos y parametros podemos proceder a realizar los calculos hidraulicos
de la cuneta aplicando las ecuaciones ya mencionadas.
EJEMPLO
Se tiene una intensidad de lluvia de 25 mm/hr con un tiempo de
un periodo de 10 años de retorno, el coeficiente de rugosidad de Manning es de 0.028, para una
cuneta en tierra y el coeficiente de escorrentia es de C = 0.75
CALCULO DE CONDUCCION
El calculo de conducción de una cuneta, se refiere al diseño hidraulico, para este es necesario
conocer todos los parametros que se requieren estos son:
ntensidad de precipitación, b) areas tributarias, c) tipos de suelos en el area del
Con estos datos se puede determinar los caudales de escorrentia, determinar los coeficientes de
escorrentia, podemos elegir el tipo de cuneta, determinar el coeficiente de rugosidad.
Cuando se tiene todos los datos y parametros podemos proceder a realizar los calculos hidraulicos
de la cuneta aplicando las ecuaciones ya mencionadas.
Se tiene una intensidad de lluvia de 25 mm/hr con un tiempo de concntración de 20 minutos para
un periodo de 10 años de retorno, el coeficiente de rugosidad de Manning es de 0.028, para una
cuneta en tierra y el coeficiente de escorrentia es de C = 0.75
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El calculo de conducción de una cuneta, se refiere al diseño hidraulico, para este es necesario
ntensidad de precipitación, b) areas tributarias, c) tipos de suelos en el area del
determinar los coeficientes de
ficiente de rugosidad.
Cuando se tiene todos los datos y parametros podemos proceder a realizar los calculos hidraulicos
concntración de 20 minutos para
un periodo de 10 años de retorno, el coeficiente de rugosidad de Manning es de 0.028, para una
Los elementos de la sección los vamos a determinar por
Perimetro Mojado
Area Hidraulica
Radio hidraulica
Ancho de Superficie Libre ( B )
DATOS Coeficiente de Escorrentia C = 0.65
Intensidad de Precipitación I = 22 mm/hr
Area Tributaria por metro Lineal
Caudal por metro Lineal Q =
Talud Cuneta (m )
Talud Cuneta ( Z )
Rugosidad dd Manning
Los elementos de la sección los vamos a determinar por las siguientes ecuaciones.
= ! "#1 +$� +#1 +%�&
� = 12 !�'$ + %(
�)*+,
- = '! ∗ $ + ! ∗ %( C = 0.65
I = 22 mm/hr
Area Tributaria por metro Lineal A = 16 m2
6.35556E-05 m3
0.33 3 0.03
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El caudal por metro lineal se calcula por la Ecuación Racional.
Por la Ecuación de Manning vamos a calcular los parametros hidraulicos de la cuneta.
TIRANTE PER. MOJADO AREA HIDR RADIO HIDR
h P AH
0.3 1.2645963 0.14985 0.118496
0.3 1.2645963 0.14985 0.118496
0.3 1.2645963 0.14985 0.118496
0.25 1.0538302 0.104063 0.098747
0.25 1.0538302 0.104063 0.098747
0.25 1.0538302 0.104063 0.098747
Las Alcantarillas Transversales son estructuras que son utilizadas para la descarga de las aguas de
escorentia en los sistemas viales, para garantizar que las vias sean seguras para transitarlas,
también le brinda proteción a la via de socavación y agr
escorentias.
Las Alcantarillas Transversales trabajan
podrian trabajar a sección completa, pero el desarrollo de su calculo hidraulico seran
considearadas como CONDUCTOS PARCIALMENTE LLENOS
FLUJO PARCIALMENTE LLENOS
El Flujo Parcialmente Llenos significa que trabaja a superficie libre, esto quiere decir que el flujo
actua la gravedad y que esta en contacto con la atmosfera. En tipo de flujo es necesario
establecer el estado del flujo, es decir saber si el flujo es Supercritico, Subcritico o si
para esto es necesario conocer el valor del Numero Froude.
Para analizar las alcantarillas transversales debemos hacerlo de dos forma, la primera flujo con
control de entrada y flujo con control de salida.
metro lineal se calcula por la Ecuación Racional.
Por la Ecuación de Manning vamos a calcular los parametros hidraulicos de la cuneta.
RADIO HIDR PEND. CUNETA RH 2/3
VELOCIDAD CAUDAL
RH S RH 2/3
V Q
0.118496 0.01 0.24471 0.815688 0.1222
0.118496 0.065 0.24471 2.079604 0.3116
0.118496 0.02 0.24471 1.153557 0.1729
0.098747 0.01 0.21696 0.72321 0.0753
0.098747 0.07 0.21696 1.913433 0.1991
0.098747 0.02 0.21696 1.022773 0.1064
ALCANTARILLAS TRANSVERSALES
Las Alcantarillas Transversales son estructuras que son utilizadas para la descarga de las aguas de
escorentia en los sistemas viales, para garantizar que las vias sean seguras para transitarlas,
también le brinda proteción a la via de socavación y agrietamiento por efectos de las aguas de
Las Alcantarillas Transversales trabajan como conductos parcialmente llenos, en algunos casos
podrian trabajar a sección completa, pero el desarrollo de su calculo hidraulico seran
NDUCTOS PARCIALMENTE LLENOS.
significa que trabaja a superficie libre, esto quiere decir que el flujo
actua la gravedad y que esta en contacto con la atmosfera. En tipo de flujo es necesario
establecer el estado del flujo, es decir saber si el flujo es Supercritico, Subcritico o si
para esto es necesario conocer el valor del Numero Froude.
Para analizar las alcantarillas transversales debemos hacerlo de dos forma, la primera flujo con
control de entrada y flujo con control de salida.
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Por la Ecuación de Manning vamos a calcular los parametros hidraulicos de la cuneta.
DIST. MAX. DE DESCARGA
DMAX.
0.1222 1923.212074
0.3116 4903.247947
0.1729 2719.832598
0.0753 1184.145482
0.1991 3132.954462
0.1064 1674.634601
Las Alcantarillas Transversales son estructuras que son utilizadas para la descarga de las aguas de
escorentia en los sistemas viales, para garantizar que las vias sean seguras para transitarlas,
de las aguas de
conductos parcialmente llenos, en algunos casos
podrian trabajar a sección completa, pero el desarrollo de su calculo hidraulico seran
significa que trabaja a superficie libre, esto quiere decir que el flujo
actua la gravedad y que esta en contacto con la atmosfera. En tipo de flujo es necesario
establecer el estado del flujo, es decir saber si el flujo es Supercritico, Subcritico o si es Critico,
Para analizar las alcantarillas transversales debemos hacerlo de dos forma, la primera flujo con
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CONTROL A LA ENTRADA
Ocurre cuando el conducto de la alcantarilla tiene la capacidad de conducir más flujo del que puede recibir a la entrada. La profundidad crítica se da proximo a la entrada, y el régimen de flujo inmediatamente aguas abajo es supercrítico. Lascaracterísticas hidráulicas aguas abajo de la sección decontrol no afectan la capacidad de la alcantarilla. Sin embargo la cabeza a la entrada y la geometría de laentrada son los mayores controles de flujo. CONTROL A LA SALIDA Sucede cuando la alcantarilla no es capaz de conducir el flujo que puede recibir la entrada. La sección de control, para el flujo de control a la salida de una alcantarilla, puede estar ubicada a la salida del conducto o en un punto aguas abajo de ésta. En conductos de alcantarillas con estas condiciones se presenta un flujo subcrítico y podria tamben ser un flujo a presión. ESQUEMAS DE CONTROLES DE FLUJO EN ALCANTARILLAS
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FACTORES QUE AFECTAN LOS CONTROLES DE UNA ALCANTARILLA
ELEMENTOS QUE COMPONEN UNA ALCANTARILLA
Los elementos que componen una alcantarilla son: el ducto (tuberia ), los cabezales, los muros de
ala en la entrada y salida, y otros auxiliares que permitan mejorar las condiciones del
escurrimiento y eviten la erosión regresiva debajo de la estructura.
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Tipos de Alcantarillas
De acuerdo con la forma de la sección transversal del ducto, las alcantarillas pueden ser:
circulares, rectangulares (tipo cajon), de arco, bóvedas ó de ductos múltiples.
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ESPACIAMIENTO MINIMO PERMITIDO
MATERIALES PARA LA CONSTRUCCION DE ALCANTARILLAS
Los materiales que se utilizan en la construcción de las alcantarillas son: Hormigón Armado,
Cloruro de Polivinilo PVC , Rib Loc, Rib Steel y lámina de acero; aunque las alcantarillas metálicas
son de fácil instalación, en zonas de alto potencial corrosivo, se debe preferir el uso de
alcantarillas de hormigón.
LEVANTAMIENTO DE LA INFORMACION
Reunir la mayor cantidad de información posible es de gran importacia , por que a myor
información mejor diseño y mejor funcionamiento de la estructura. Entre las informaciones que
se debe de levantar en el lugar de ubicación de las alcantarillas son , levantamiento topograficos,
registros de lluvias, datos de las caracteristicas fisica del suelo, delimitación de la cuenca (cuenca
de drenaje)
DISEÑO DE LA ALCANTARILLA
Para el dieño de una alcantarilla transversal como sistema de drenaje en sistemas viales, debemos
considerar el diseño en dos etapas, el analisis hidrologicos en la zona y el diseño hidraulica de
obra.
Con el analisis hidrologico nos permite conocer los valores maximos de Intensidad de Precipitación
y conocer escurrimiento, también establecer el periodo de retorno de acuerdo a la finalidad e
importacia y condiciones de la estructura.
El analisis y diseño hidraulico nos permite establecer las dimenciones, forma y tipo de alcantarilla,
para garantizar un escurrimiento adecuado y eficiente de los caudales proporcionado por las
lluvias.
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UBICACION DE LA ALCANTARILLA
una ubicación correcta es importante para dimensionar y definir una seccion optima y eficiente, para conservación de la estructura y el posible colapso del cuerpo de la carretera. Los factores más importantes para la eficiencia y seguridad de las estructuras: la alineación y la pendiente.
Las alcantarillas deberán instalarse o construirse, en lo posible, siguiendo la alineación, pendiente
y cotas de nivel del cauce de la corriente, facilitando de esta manera que el agua circule
libremente sin interrupciones y reduciendo, al mínimo, los riesgos de erosión.
ALINEACION DE LA ALCANTARILLA
La alineación óptima de una alcantarilla consistirá en proporcionar a la corriente una entrada y
una salida directas. Se deberá tener presente que es conveniente evitar que el cauce cambie
bruscamente de dirección, en cualquier de los extremos de la alcantarilla, puesto que se retardaría
el flujo de la corriente, provocando un embalse excesivo y, posiblemente, hasta el colapso del
terraplén.
PENDIENTE DE LA ALCANTARILLA
La pendiente ideal para una alcantarilla es aquella que no produzca sedimentación, ni velocidades
excesivas y erosión, y que, a su vez, permita la menor longitud de la estructura, para evitar la
sedimentación, la pendiente mínima será 0,5 por ciento.
LONGITUD DE LA ALCANTARILLA
La longitud necesaria de una alcantarilla dependerá del ancho de la corona de la carretera, de la
altura del terraplén, de la pendiente del talud, de la alineación y pendiente de la alcantarilla y del
tipo de protección que se utilice en la entrada y salida de la estructura.
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VELOCIDAD DEL FLUJO EN LA ALCANTARILLA
Las alcantarillas por su características, generalmente, incrementan la velocidad del agua con respecto a la de la corriente natural. Las altas velocidades en la salida son las más peligrosas y la erosión potencial en ese punto es un aspecto que deberá tenerse en cuenta. Para establecer la necesidad de protección contra la erosión, la velocidad a la entrada y/o salida
deben compararse con la máxima velocidad permisible (no erosiva) del material del cauce,
inmediatamente aguas arriba y/o aguas abajo de la estructura.
SELECCIÓN DEL TIPO DE ALCANTARILLA
En la selección del tipo de alcantarilla intervienen la funcionalidad hidráulica y estructural, así como el aspecto económico, y esta relacionada con los siguientes factores: altura del terraplén, forma de la sección del cruce, características del subsuelo, materiales disponibles en la zona y tipificación de las estructuras y sus dimensiones. Para definir el proyecto longitudinal de la subrasante se deberá tener presentar que, tanto tubos como bóvedas, requerirán de un relleno mínimo de protección entre 0,60 m y 1,00 m, por encima de los mismos; en cambio, la losa superior de los cajones puede quedar,
en ocasiones, al nivel de la subrasante del camino.
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CABEZALE Y MUROS EN ALCANTARILLAS
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DISEÑO HIDRAULICO
El análisis hidráulico de una estructura de drenaje se basa en la aplicación de ecuaciones
fundamentales de la hidráulica, estas escuaciones son, la ecuación de continuidad, energía y
cantidad de movimiento. Estos principios y ecuaciones son igualmente válidos en conducciones
forzadas o a superficie libre; sin embargo, en este último caso, es necesario considerar, además,
las condiciones inherentes al flujo, debido a que el tirante de la sección tiene la libertad de variar
su magnitud de acuerdo con las características geométricas é hidráulicas a lo largo de la
conducción.
Las alcantarillas que trabajan a sección total o parcialmente llena, con presiones nulas se clasifican
como canales y tienen todas las características de los mismos; por el contrario, cuando las
alcantarillas trabajan a presión se analizan como conductos cerrados. Por lo tanto, desde el punto
de vista hidráulico es importante establecer si la alcantarilla trabajará o nó a presión, para poder
estimar sus dimensiones.
Es importante establecer el comportamiento del escurriemiento de la alcantarilla. El flujo en una
alcantarilla se manifiesta por formas típicas de escurrimiento: 1) con control de entrada y 2) con
control de salida.
El cálculo dimensional de una alcantarilla se efectuará con base al caudal máximo de diseño, a la
pendiente establecida y a la verificación de la velocidad máxima y/o el remanso en la entrada.
CAUDAL DE DISEÑO
El cálculo del caudal de diseño, para un periodo de retorno establecido, dependerá de la
información hidrológica disponible, de la importancia de la estructura que se diseña y del servicio
de drenaje que prestará.
Un método adecuado y ampliamente utilizado para estimar el caudal máximo en cuencas pequeñas, es el denominado “Método Racional” que permite determinar el caudal en función de los datos de precipitación pluvial en el lugar, del área de la cuenca, de la topografía y del tipo de suelo.
La ecuación de Metodo Racional se expresa de la siguiente forma
� = ���360
Donde: Q- Caudal Máximo Probable, m3/seg. I- Intensidad de Precipitación, mm/hr. A- Area Tributaria, ha
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Para analizar y establecer la capacidad de conducción de la alcantarilla, el método más adecuado, es usando la Ecuación de Manning.
� = 1� ����/����/� Donde:
Q - Caudal n - Coeficiente de Rugosidad de Manning. R - Radio Hidraulico. S - Pendiente de la cuneta. A - Area Hidraulica de la cuneta.
ORDEN DEL DISEÑO A PATIR DE CONTROR DE SALIDA
Estableciendo la ecuación de energía entre la entrada y la salida de la alcantarilla, tenemos como resultado la siguiente ecuación.
/01 = / +/02 − 4 ∗ �
Donde: Hwe - Nivel de agua a la entrada de la alcantarilla. H- Carga en la alcantarilla. Hws- Nivel de agua a la salida de la alcantarilla. L - Longitud de la alcantarilla. S - Pendiente del conducto de la alcantarilla.
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La carga en la alcantarilla se puede deterninar por la siguiente expresión. / = !5 + !1 +!6 Donde: H - Carga en la alcantarilla. hv - Carga de la velocidad. he - Perdida de la carga a la entrada de la alcantarilla. hf - Perdida de la carga por fricción a lo largo de la alcantarilla. La carga de la velocidad sera.
!5 = ��2
La perdida a la entrada sera.
!1 = 71 ��2
La perdida por fricción sera. !6 = �6 ∗ 4 Donde: Sf - Perdida unitaria , perdida por metro lineal de tuberia.
�6 =�����8/�
Donde: v - Velocidad en la alcantarilla. n - Coeficiente de rugosidad de Manning. R - Radio hidraulico. La perdida por fricción también se puede determinar por la siguiente expresión.
!6 = 2��4�8/� ��2
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Finalmente la carga en la alcantarilla H, sera la suma de hv, he y hf, y la podemo determinar por la siguiente expresión.
/ = 91 +71 +2��4�8/� : ��2
El tirante critico es necesario determinarlo, por que con podemos establecer el nivel de agua a la salida de la alcantarilla. El nivel de agua a la salida de la alcantarilla lo vamos a determinar por la siguiente expresion. si la alcantarilla es se sección circular la ecuación tiene la siguiente forma.
/02 = !; + <2
Si la alcantarilla es de tipo cajon, la ecuación sera de la siguiente.
/02 = !; + /2
Donde: Hws - Nivel de agua a la salida. hc - Tirante Critico. D - Diametro de la tuberia. H - Carga en la alcantarilla.
Para poder determinar el nivel de agua a la salida (Hws), es necesario encontrar el tirante critico, el cual lo podemos encontrar con la Ecuación del Estado Critico. =�� = ��-
Donde:
a- Coeficiente de Corolis.
Q - Caudal de Conducción de la alcantarilla. g - Gravedad. A - Area Hidraulica. B - Ancho de la Superfice Libre. Con la ayuda de esta ecuación graficamente podemos determinar el tirante critico de una alcantarilla de sección transversar cualquiera.
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Cuando la alcantarilla es de tipo Cajon, es decir de forma rectangular el tirante critico se puede encontrar por la siguiente expresión, y podemos no usar la ecuación del estado critico.
!;> = ?=��@
Donde: q- Es el caudal especifico.
a- Coeficiente de Carolis.
g- Gravedad. El caudal especifico se puede determinar por la siguiente expresión.
� = �A
Siendo Q- el caudal de diseño, b- es el ancho de la base de la alcantarilla. En el caso de que la alcantarilla sea de cualquier otra sección, circular, ovalada o de tipo boveda, entoces es necesario aplicar la ecuación del estado critico. Entoces es necesario encontrar los elementos de la sección de la alcantarilla. Comunmente las alcantarillas suelen ser de forma circular, entoces los elemento de la sección seran los de un conducto parcialmente lleno.
Los elementos de la sección cuando BC > 0.5, se pueden determinar de la siguiente manera.
Area Hidraulica
�) = <�4 "G −H2 +IJ�KH2 &
Perimetro Mojado
L = <2 '2G − H(
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Radio Hidraulico
�) =<4 M1 + IJ�KH'2G − H(N
Ancho de la Superficie Libre - = 2#2!O −!� Tirante hidraulico ! = O "1 + PKI H2&
Los elementos de la sección cuando BC ≤ R. S, se pueden determinar de la siguiente manera.
Area Hidraulica �) = 0.5'H − IJ�KH(O� Perimetro Mojado L = OH Radio Hidraulico
�) =O'H − IJ�KH(2H
Ancho de la Superficie Libre - = 2#2!O −!� Tirante hidraulico ! = O "1 − PKI H2&
Las Alcantarillas Transversarles se deben diseñar de tal manera que el tirante supere la mitad del conducto, por que de lo contrario podria resultal anti-economico. Por eso para el calculo
usaremos las ecuaciones cuando BC > 0.5.
Entoces usando la Ecuación de Estado Critico, construyendo su grafico, podremos determinart el valor del tirante critico, para luego poder determinar el valor del nivel a la salida (Hws). La grafica tiene la siguiente forma.
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DISEÑO DE CONTROL DE ENTRADA
ESQUEMA TIPICO PARA DISEÑO CON CONTROL DE ENTRADA
Para el diseño con control de entrada se requiere dar los sigientes pasos. 1- Al igual que en controlo de salida, partimos de Caudal de Diseño. 2- Se elige un tipo de alcantarilla en forma y dimension tambien la condición a la entrada. 3- Se calcula el valor de Hwe. 4- La pendiente generalmente es mayor a la pendiente Critica 5- El estado de flujo generalmente es supercritico.
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EJEMPLO DISEÑO DE ALCANTARILLA
DATOS CAUDAL DE DISEÑO 1.25 m3/seg
ELEVACION DE ENTRADA 101.5 msnm
ELEVACION DE SALIDA 101.44 msnm
ELEVACION DE CALZADA 103.51 msnm
RUGOSIDAD DE MANNING 0.013 VELOCIDAD PERMISIBLE
m/seg
COEFICIENTE DE ENTRADA 0.7 TIPO DE ALCANTARILLA CIRCULAR DIAMETRO DE CONDUCTO 0.9144 m
LONGITUD DE LA
ALCANTARILLA 12 m
LA RELACION aQ2/g 0.15927625
RELACION Qn/(S)1/2 0.2298097
h r f A A3 B A3/B Rh AR2/3
0.4572 0.4572 3.14159265 0.32834645 0.03539949 0.9144 0.03871335 0.2286 0.12397 A partir del valor de Qn/(S)1/2 = 0.229 y AR2/3 = 0.123 , podemos decir que el tirante en la alcantarilla esta a más de la mitad del tubo.
TABLA PARA TIRANTE h≥ 0.5D
h r f A A3 B A3/B Rh AR2/3
0.5 0.4572 2.95409151 0.36742497 0.04960278 0.91038453 0.05448553 0.2414 0.14381
0.6 0.4572 2.50629062 0.45676697 0.09529807 0.86865413 0.10970772 0.2645 0.1899
0.697 0.4572 2.03734435 0.53710334 0.15494357 0.77853144 0.19902031 0.2767 0.23002
0.66 0.4572 2.2224375 0.50751175 0.13071888 0.81952181 0.15950628 0.2734 0.21562
0.85 0.4572 1.07440895 0.63630127 0.25762521 0.46793162 0.55056167 0.2672 0.2663
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PARAMETRO DE ALCANTARLLA
TIRANTE CRITICO hc 0.66 m
VALORES PARA TIRANTE NORMAL
ANGULO ffff 2.03734435 rad CARGA DE VELOCIDAD hv 0.2766 m
VELOCIDAD 2.32946473 m/seg PERDIDA A LA ENTRADA he 0.1936 m
AREA HIDRAULICA Ah 0.53710334 m PERDIDA POR FRICCION hf 0.0608 m
TIRANTE NORMAL hn 0.697 m
RADIO HIDRAULICO 0.2766888 m
PENDIENTE RADIO HIDRAULICO CARGA SALIDA ENTRADA NUMERO DE
FROUDE
S Rh H Hws Hwe Fr
0.005 0.276688845 0.5309538 0.7872 1.258154 0.890851359
La curva para determinar el tirante critico y la curva de descarga para la alcantarilla tendran la siguiente forma.
CURVA PARA TIRANTE CRITICO
CURVA DE DESCARGA
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 0.1 0.2 0.3
A3/B
h
AR2/3
h
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DIMENSIONAMIENTO DE PUENTE Los puente son estructura para facilitar el transito vehicular atraves de un cause y de algun tipo de depresión, deben cumplir con garantizar estabilidad y resistencia estatica como tambien deben garantizar que por debajo de el haya capacidad de conducción de crecida para evitar su colapso, por eso es necesario su dimensionamiento desde un puntode vista hidraulico. Para el dimensionamiento hidraulico de puentes debemos tomar en cuenta los siguiente parametros. 1- Area de la cuenca del cause aguas arriba del puente. 2- Topografia de la zona, secciones transversales del cause aguas arriba y aguas abajo, pendiente del cause. 3- Caudal de escorrentia, para un periodo de retorno de 25 a 50 años. 4- Dimensiones , elevaciones y cantidad de pilas del puente analizado ó proyectado. El caudal de escorrentia se puede determinar por el Metodo Racional para cuenca no muy grande. Luego debemos analizar el comportamiento de de la conducción atraves del cause, para luego poder definir las dimensiones y la ubicación del puente de manera que tenga la capacidad de conducir la crecida sin que afecte la estructura del puente, la crecida debera ser conducidad por debajo del tablero del puente. En el caso de que sea un puente existente se debe levantar la geometria del puente, para poder verificar si tiene capacidad de conducción. La conducción del flujo la podemos analizarla con la ecuación de Manning, para determinar los niveles que puede llegar la superficie libre en el cause.
ESQUEMA DE NIVELES EN EL CAUSE CON HEC-RAS
La conducción del flujo a traves del puente puede ser analizado como un vertedor de cresta ancha. Este tipo de analisis por tener secciones transversales de forma inrregular, se recomienda usar programas para el analisis de cause, uno de estos software es HEC-RAS, con el cual se puede hacer modelar la conducción de un cause y atraves de un puentes.
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ESQUEMA DE UN ANALISIS CON HEC- RAS
DRENAJE URBANO Para la recoleción de las aguas pluviales en zona urbanas es necesario establecer un sistema de Alcantarillado Pluvial, se necesita establecer el caudal circulante en las vias urbanas (calles), el cual se puede determinar por la ecuación modificada de Manning ó la Formula de Izzard y también es necesario determinar el caudal de escorrentia usando el Metodo Racional. ALCANTARILLADO PLUVIAL El Alcantarillado Pluvial es el conjunto de tuberias y sus diferentes partes que conjuntamente recojen las aguas de escorrentia producto de precipitaciones y tormentas. Un sistema de Alcantarillado Pluvial esta compuesto por: a- Coelectores, b- Registros, c- imbornales, c- Colector Emisor. COLECTORES Los Colectores son tuberias que trabajan como conducto parcialmente lleno, aunque se pueden considerar que trabajan a sección llena, pero no a presión y para su diseño es necesario tener en cuenta su comportamiento y la forma en que trabajan. La conduccion del flujo y la capacidad de conducción se establece por la ecuación de Manning.
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La Ecuación de Manning se expresa.
� = 1� ��/����/�
� = 1� ����/����/�
Donde:
Q - Caudal � - Velocidad en el colector.
n - Coeficiente de Rugosidad de Manning.
R - Radio Hidraulico.
S - Pendiente del colector.
A - Area Hidraulica del colector.
Esquema de los tubos , para un alcantarillado pluvial
Los colectores son tuberias que varian segun el material del cual estan construidas, los materiales
mas comunes para tuberias de alcantarillado pluvial son Hormigon, Rib-Loc, PVC, etc.
La elección del tipo de tuberia para los colectores, son diversas , influye lo economico, metodo de
construcción y las condiciones propia de ejecución del trabajo.
VELOCIDAD MINIMA Y VELOCIDAD MAXIMA
La velocidad minima sera una velocidad que garantice la no acumulación de los sedimentos en la
tuberias (colectores), y esta velocidad minima estara relacionada con la pendiente minima
permisible, entoces la velocidad minima permisible sera 0.6 m/seg, que es una velocidad
adecuada para la no colmatación de los colectores ó la no acumulación de sedimentos.
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La velocidad maxima en el alcantarillado pluvial va a depender del material en cuál está construida
la tuberia para los colectores.
TABLA DE VELOCIDADES MAXIMAS
MATERIAL TUBERIA VELOCIDAD MAXIMA (m/seg)
Hormigon Simple 3.0
Hormigon Armado 210 kg/cm2 3.5
Cloruro de Polivinilo PVC 6.0
Rib - Loc 6.0
REGISTROS Los Registros son estructuras de mantenimiento del alcantarillado pluvial, su ubicación se establece estrategicamente y los lugares mas adecuados para poder realizar un trabajo adecuado de limpienza y mantenimiento adecuado. Los puntos en donde se debe colocar un registro son los siguientes: a- en interseciones, b- en giros y cambio de dirección, b- en cambio de pendiente. Y para garantizar un adecuado regimen de limpieza en tramos recto de tuberia los registro deben colocarse a nos mas de 100 metros de distancia. La construcción de los registros generalmente es de forma conica y circular, usando hormigon armado y ladrillo para registro de mamposteria.
IMBORNALES Los imbornales son las obras de captación de las aguas de escorrentia atraves de las vias urbanas, para conducirlas hacia los colectores y llevarlas a su destino final. Para diseñar los imbornales es necesario analizarlo de dos formas.
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Primero imbornal trabajando como vertedero y segundo imbornal trabajando como desague de fondo. Para el diseño de los imbornales se debe establecer el caudad de circulación a traves de la via, este caudal se puede determianar por el Metodo Racional y la ecuación de Manning modificada. La ecuación del Metodo Racional se expresa de la siguiente manera.
� = ���360
Donde: Q- Caudal Máximo Probable, m3/seg. I- Intensidad de Precipitación, mm/hr. A- Area Tributaria, ha La ecuación modificada de Manning ó la formula de Izzard se expresa de la siguiente forma.
� = 7T %�UV/��W�/�
% = 1IX
Donde: Ku- Coeficiente de Izzard Ku= 0.377 n - Coeficiente de rugisidad de Manning Sx - Pendiente Transversal de via ó Bombeo SL - Pendiente Longitudinal de la via. d - Tirante frente al bordillo ó Conten.
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Tambien esta ecuación se puede expresar de la siguiente manera
� = 7T� �X�.YZ�W�/���.YZ
El ancho de la lamina de agua a, sera. � = M [\]^_a.bc_da/eN
f.�Zg y el tirante frente al conten
U = ��X TIPOS DE IMBORNALES a- Imbornal de rejilla, b- Imbornal buzon, c- imbornal mixto ( rejilla-buzon) y d- Imbornal caz
Imbornal tipo rejilla
Imbornal tipo buzon
Imbornal Mixto (rejilla-buzon) Imbornal caz
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Construcción tipica de un imbornal
La captación de de los imbornales se analiza de dos formas tipicas, se debe analizar como un
vertedero y como un desague de fondo, ya que los imbornales pueden trabajar como un vertedor
y como un desague de fondo, esto va a depender del tirante en la rejilla del imbornal, osea si la
lamina de agua inunda o no la estructura de capatación .
Para analizarlo como un vertedor usamos la ecuación para un vertedor de cresta ancha y para
analizarlo como desague de fondo usamos la ecuación de los orificios.
para cada tipo de imbornal la ecuación tiene una pequeña variación basicamente en su
coeficiente de descarga.
Por ahora solo vamos plantear la captación para imbornales tipo rejilla.
Para un imbornal tipo rejilla la captación cuando este trabajando como un vetedor, se realiza
mediante la ecuación para vertedores de cresta ancha.
� = �h 4!�/�
Donde:
Cd - Coeficiente de descarga, Cd = 1.66
L - Longitud frontal de la rejilla.
h - Tirante frente al bordillo ó Conten
Q - Caudal de captación.
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Cuando el imbornal tipo rejilla trabaje como un desague de fondo, se analiza a través de la
ecuación de los orificios. � = �h �>#2!
Donde:
Cd - Coeficiente de descarga, Cd = 0.67
Ar - Area de la rejilla.
g - Gravedad.
h - Tirante en la rejilla.
Q - Caudal de captación.
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Ejemplo.
Tenemos una via de 8 metros de ancho y ambos lados tiene una acera de 2 metros, hacer
los calculos para drenar esta via.
Datos previos:
Intensidad de lluvia 68 mm/h, ancho de la media calzada y la acera 6 metros, pendiente
longitudinal de la via 2%, Pendiente lacteral de la via (bombeo) 2%, coeficiente de
rugosidad del asfalto 0.016, coeficiente de escorrentia 0.85 y la via tiene un kilometro de
longitud.
1- Caudal de escorrentia de la media calzada.
� = ���3600
� = f.VgXYVXYfff�Yff = 96.3 lit/seg
2- Caudal circulante y el tirante en bordillo. Ku = 0.377 �2 = ]\ %UV/��W�/� y % = �_`= 50
�2 = f.�ZZf.f�Y �50�UV/��0.02�/�, de aqui despejando a d tenemos.
U = " [i�YY.gj&�/V y Qs = 96.3 lit/seg = 0.0963 m3/seg., entoces d = 0.061 m = 6.1 Cm.
3- La lamina de agua sera igual. U = ��X y � = h_` = f.fY�f.f� = 3.05$
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4- El caudal de captación del imbornal, se calcula en este caso como un vertedor, el
coeficiente de descarga Cd = 1.66
�;kl =�h4U�/� = 1.66�0.6�0.061�/� = 0.015$�/IJ = 15mno/IJ
5- Calcular el diametro del colector de la via.
El caudal de toda la via sera, dos veces el caudal de la media calzada.
entoces Qcolector = 2 x 0.0963 = 0.1926 m3/seg. , la velocidad máxima permisible, para
tubos de hormigón 3.5 m/seg., y el coeficiente de rugosidad del hormigón 0.014
Para un tubo de 15 pulgadas.
1- La velocidad la calculamos con la ecuación de Manning.
� = ��/���/��
Concideremos el tubo lleno, pero no a presión, entoces.
� = <4 = 0.3814 = 0.0953$
entoces la velocidad.
� = 0.0953�/��0.02�/�0.014 = 2.14$/IJEntoceselcaudalqueconduceeltuboes� = �� = ~Xf.�V�8
� �2.14=0.243m3/segQcolector = 2 x 0.0963 = 0.1926 m3/seg < 0.2430.2430.2430.243m3/segEntoceseltubode15pulgadasesadecuado.Para el tubo de descarga del imbornal, en analisis es similar, aunque estos tubosbienendadosporlacaracteristicasdelpropioimbornal.
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BIBLIOGRAFIA
Manual del Diseñador De Construcciones Hidrote cnicas G. V. Zheleznyakov, Yu. I Ibadzade, P. M. Ibanov. Manual de Hidráulica D. V. Shterenlijt Manual de Hidráulica Acevedo Álvarez Hidráulica de Tubería y Canales Arturo Rocha Hidráulica de Canales Abiertos Ven Te Chow Hidrología Aplicada Ven Te Chow Ingineria Hidraulica, Drenaje Urbano Manual de Dieño Federal Highway Administration. Normas de Diseño de Drenaje en Carretera Obras Publica R-19 Diseño Hidraulico de Alcantarilla de Carretera Federal Highway Administration
PARA, MONOGRAFICO DE SEGURIDAD VIAL Y DRENAJE VIAL
MODULO DE HIDRAULICA, IMPARTIDO POR: iNG. MAXIMO TERRERO DE LA ROSA.