obras en drenaje ingeniería civil
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UNIVERSIADAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
INTRODUCCION
El drenaje se origina con los holandeses a través de los “polders” en el siglo XIX (cavidades dedonde se bombea el agua).Siglo XIX Darc Dupuit establecen la teor!a del "lujo de agua hacia los po#os$ en el siglo XX%oth aplica las teor!as de Darc Dupuit hacia el drenaje$ &' aos ms tarde “*ooghoudt”evoluciona la ciencia del drenaje haciendo intervenir la relaci+n agua,suelo,planta$ sobre todopara suelos homogéneos en "orma mu restringida para suelos heterogéneos.
-riginalmente$ las obras de drenaje se denominaban alcantarillas$ se empleaban tres "ormasgeométricas para construirlas circular$ rectangular abovedada. /a circulares$ estabanconstituidas por tubos de hormig+n en masa de reducidas dimensiones. /as rectangulares$ msconocidas como tajeas$ alcan#aban dimensiones maores a las de los tubos. 0inalmente$ lasabovedadas$ reali#adas com1nmente de "brica de ladrillo$ alcan#aban grandes dimensiones$hasta incluso tener la envergadura de puentes pe2ueos. 3osteriormente se utili#+ el acerocorrugado$ el cual permit!a tanto las "ormas circulares como las abovedadas$ aun2ue estematerial est caendo en desuso en Espaa. En la actualidad predominan las obras de drenaje
reali#adas en hormig+n armado$ tanto circulares como rectangulares (marcos) o abovedadas(b+vedas)$ construidas bien in situ o bien pre"abricadas.
Debido a los avances tecnol+gico, cient!"ico$ el desarrollo del mundo ha evolucionado por locual a diario se presentan nuevos retos para el ingeniero de este siglo. El ingeniero civil actualse ve en la necesidad de dar una soluci+n 2ue este a la par de todo este "en+meno de lamoderni#aci+n.
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DEFINICIÓN
4na obra de drenaje es un dispositivo utili#ado para dar paso al agua$ restituendo la
continuidad de la traectoria de los cauces interceptados principalmente por las obras lineales
carreteras$ "errocarriles$ etc.
FUNCIONALIDAD DE LAS OBRAS DE DRENAJE
/as obras de drenaje se construen de acuerdo al caudal de re"erencia 2ue se espera 2ue
reciban (establecido por el per!odo de retorno) al riesgo de obstrucci+n 2ue pueda
presentarse por los cuerpos arrastrados por la corriente. El buen "uncionamiento de una obra
de drenaje se basa en 2ue la velocidad 2ue el agua alcan#a en su interior no supere el umbral
2ue provo2ue al desaguar la erosi+n del cauce$ 2ue el nivel del agua no alcance la
in"raestructura lineal 2ue atraviesa el cauce$ 2ue la inundaci+n 2ue provoca la disposici+n de
la obra de drenaje sea admisible (no tenga consecuencias catastr+"icas).TIPOS
/os drenajes vienen en varias "ormas medidas$ incluendo las redondas$ el!pticas$ de "ondo
plano$ en "orma de pera o de caja. 3odemos mencionar algunos.
Sistema de drenaje
Drenaje subterrneo
5lcantarillado
Desag6e
UBICACION
/os r!os$ arroos$ barrancos$ vaguadas$ etc.$ son interceptados por las obras lineales7 es por
tanto l+gico 2ue la disposici+n de las obras de drenaje se e"ect1e en cada una de las
interrupciones 2ue se produ#can sobre la red de drenaje natural e8istente en el terreno. De
esta manera$ se restitue el "uncionamiento natural de los cauces con la m!nima inter"erencia
posible.
5l margen de la geometr!a del cauce$ de las "ormas de su recorrido$ las obras de drenaje
cru#an las in"raestructuras lineales con su eje en direcci+n recta$ a sea perpendicular o
esviada respecto a la carretera$ tratando de hacer coincidir el desag6e con el cauce natural. En
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lo 2ue respecta a la pendiente interior del conducto$ las obras de drenaje se suelen construir
tratando de ajustarse al per"il longitudinal del lecho del cauce.
SISTEMAS DE DRENAJE
/a "unci+n principal de un sistema de drenaje es la de permitir la retirada de las aguas 2ue se
acumulan en depresiones topogr"icas del terreno$ causando inconvenientes a sea a la
agricultura o en reas urbani#adas o carreteras.
El origen de las aguas puede ser
3or escurrimiento o escorrent!a super"icial
3or la elevaci+n del nivel "retico$ causado por el riego$ o por la elevaci+n del nivel deun r!o pr+8imo
Directamente precipitadas en el rea.
-tra "unci+n sumamente importante del sistema de drenaje es la de controlar$ en los per!metros
de riego$ la acumulaci+n de sales en el suelo$ lo 2ue puede disminuir drsticamente la
productividad.
3rincipalmente$ el sistema de drenaje est compuesto por una red de canales 2ue recogen
conducen las aguas a otra parte$ "uera del rea a ser drenada$ impidiendo al mismo tiempo$ la
entrada de las aguas e8ternas. 9!picamente estos sistemas se hacen necesarios en los ampliosestuarios de los grandes r!os en los valles donde el drenaje natural es de"iciente.
/a red de canales o a#arbes debe ser peri+dicamente limpiada$ eliminando el "ango 2ue se
deposita en ellos las male#as 2ue crecen en el "ondo en los taludes$ caso contrario mu
"cilmente el "lujo del agua se modi"icar!a se perder!a la e"iciencia del sistema.
:undo los terrenos 2ue deben ser drenados estn todos a una cota superior a la obra o
recipiente donde se 2uiere llevar el agua drenada$ se puede aprovechar la declividad natural
del terreno el sistema "unciona per"ectamente con la "uer#a de la gravedad. :aso contrario
deber implementarse una estaci+n de bombeo.
:uando la #ona a ser saneada se encuentra a una cota in"erior a las circundantes$ esta
disponible un r!o con un considerable transporte s+lido$ se puede provocar el llenado de los
terrenos bajos$ para permitir el dep+sito de los sedimentos as! elevar su nivel.
Esta operaci+n se ha hecho mucho en el pasado$ eliminando de esa "orma e8tensas reas de
tierras bajas. /a concepci+n actual a no considera conveniente este tipo de intervenci+n.
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En algunos casos se debe recurrir al bombeo de las aguas mete+ricas$ pues no e8iste la
posibilidad de 2ue estas salgan naturalmente. /as primeras instalaciones de este tipo se dieron
en el siglo XIX$ en Europa$ con bombas movidas a vapor.
/a introducci+n de los motores de combusti+n interna posteriormente los motores eléctricos
modi"icaron sustancialmente la capacidad las caracter!sticas de los sistemas de drenaje 2uese hicieron cada ve# ms "le8ibles potentes. En el siglo XX$ la necesidad de ampliar la
"rontera agr!cola la necesidad de contrarrestar las en"ermedades endémicas 2ue "lagelaban la
poblaci+n de las #onas costeras bajas han dado gran impulso a la implementaci+n de sistemas
de drenaje$ generaron la construcci+n de importantes sistemas de drenaje 2ue permitieron el
drenaje de vastas reas
:omponentes
/os componentes de un sistema de drenaje t!pico son
:anales de campo o drenes enterrados7
:anales secundarios principales$ estos canales se caracteri#an por ser generalmente
pro"undos$ su "ondo se encuentra a cotas in"eriores a las cotas del terreno
circundante. ;eneralmente los canales de drenaje no son revestidos$ o si deben
revestirse para consolidad los taludes$ el revestimiento debe ser permeable$ de manera
a no obstaculi#ar la entrada del agua contenida en el suelo al canal7
-bras de protecci+n de las mrgenes de los canales$ principalmente en las con"luencias
en las curvas7
-bras de control de la erosi+n en el "ondo de los canales (saltos de "ondo)
Estaciones de bombeo (no siempre necesarias)
DRENAJE SUBTERRANEO
El drenaje subterrneo$ en la agricultura$ es la prctica de bajar el nivel "retico del aguasubterrnea (la tabla de agua) en campos agr!colas mediante un sistema de drenaje con elobjetivo de promover la producci+n de los cultivos
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3armetros de drenaje en el control de la napa "retica
El prop+sito del drenaje subterrneo es de bajar la pro"undidad de la napa "retica (0igura <) demodo 2ue no haa inter"erencia negativa con la labran#a delsuelo laproducci+n agr!cola (0igura =). El drenaje se practica en campos agr!colas 2ue originalmenteeran demasiado h1medos o 2ue ten!an niveles del agua subterrnea demasiado elevados parapermitir una agricultura rentable. 5dems$ el drenaje puede ser instrumental en el control dela salinidad del suelo$ véase suelo salino.
El desarrollo de criterios de drenaje& es necesario para establecer una meta para el diseo manejo del sistema de drenaje en cuanto al mantenimiento de un nivel +ptimo del "retico.
DISE>-
El diseo de sistemas de drenaje en cuanto a ubicaci+n$ pro"undidad espaciamiento de losdrenes se hace con ecuaciones de drenaje usando parmetros como la pro"undidad de la tablade agua$ la pro"undidad conductividad hidrulica del suelo$ la descarga. /a descarga sedetermina de un balance h!drico.
/os clculos se pueden hacer mediante un programa de computador como EnDrain.
:%I9E%I-S DE D%E?5@E S4A9E%%5?E-
<. El sistema de drenaje in"lue esa pro"undidad. /a relaci+n entre el diseo del sistema dedrenaje la pro"undidad del "retico se puede describir con la ecuaci+n de drenaje en lacual el re2uerimiento de drenaje se determina de un balance h!drico del suelo
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5/:5?95%I//5D- DE 35%IS
/a red de alcantarillado se considera un servicio bsico$ sin embargo la cobertura de estasredes en las ciudades de pa!ses en desarrollo es !n"ima en relaci+n con la cobertura delas redes de agua potable. Esto genera importantes problemas sanitarios. Durante muchotiempo$ la preocupaci+n de las autoridades municipales o departamentales estaba msocupada en construir redes de agua potable$ dejando para un "uturo inde"inido la construcci+nde las redes de alcantarillado. 5ctualmente la e8istencia de redes de alcantarillado es unre2uisito para aprobar la construcci+n de nuevas urbani#aciones en la maor!a de los pa!ses.
SISTEMAS DE ALCANTARILLADO ! DRENAJE
/os alcantarillados se puede construir de dos modos
redes unitarias las 2ue se proectan construen para recibir en un 1nico conducto$me#clndolas$ tanto las aguas residuales (urbanas e industriales) como las pluvialesgeneradas en el rea urbana cubierta por la red.
redes separativas o redes separadas constan de dos canali#aciones totalmente
independientes7 una$ la red de alcantarillado sanitario$ transporta las aguas residualesdomésticas$ comerciales e industriales hasta una estaci+n depuradora7 la otra$ la redde alcantarillado pluvial$ conduce las aguas pluviales hasta el receptor$ 2ue puede serun r!o$ un lago o el mar.
/as redes de saneamiento surgieron en las ciudades europeas durante el siglo XIX enrespuesta a los problemas sanitarios epidemiol+gicos generados por la de"iciente evacuaci+nde las aguas "ecales. En a2uel momento la maor!a de estas ciudades dispon!an a de un
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sistema de cloacas destinadas a la evacuaci+n de las aguas de lluvia residuales$ pero sincone8i+n a éstas de las bajantes de los edi"icios. /as aguas residuales se vert!an a la calle lalluvia las arrastraba a las cloacas$ desde donde iban a una cauce.
Desde mediados del siglo XX empe#aron a construirse redes separativas$ tras la aparici+n de
los primeros sistemas de depuraci+n$ con base en los siguientes argumentos
la separaci+n reduce los costes de depuraci+n simpli"ica los procesos$ puesto 2ue elcaudal tratado es menor $ lo 2ue es incluso ms importante$ ms constante7
la separaci+n reduce la carga contaminante vertida al medio receptor por los episodiosde rebosamiento del alcantarillado unitario.
Siendo correctos los argumentos anteriores$ e8isten también una serie de inconvenientes delalcantarillado separativo$ del cual desde "inales de los aos <HH' se est incrementando suuso$ principalmente en redes de nueva implantaci+n (la separaci+n de redes unitariase8istentes pronto se vio como econ+mica técnicamente inviable). cita requeridaJ
3ara el buen "uncionamiento de las redes separadas debe prestarse mucha atenci+n a losaspectos 2ue siguen
Debe e8istir un estricto control de vertidos para evitar 2ue se acometan caudalesresiduales a la red de pluviales (2ue ir!an directamente al medio natural sin depurar) viceversa. Esto 1ltimo redundar!a en una e8plotaci+n ms compleja costosa de la redde alcantarillado sanitario.
/a separaci+n completa implica redes interiores separativas en los edi"icios$ conduplicaci+n de las bajantes. En este "rente los costes de instalaci+n son importantes.
/as aguas pluviales urbanas no son aguas limpias$ si no 2ue suelen estar sucias$ por lo2ue su vertido directo al cauce puede generar una contaminaci+n apreciable.
/a red de pluviales de una red separativa puede permanecer$ en climas secos$ sin aguadurante periodos de tiempo e8tensos$ sin la autolimpie#a de los conductos en tiempo delluvia$ por lo 2ue puede llegar a ser necesaria la descarga de caudales de agua limpiapor la red (ar2uetas de descarga en las cabeceras del saneamiento)$ reduciendo lasventajas de ahorro e"iciencia.
En comparaci+n con las redes unitarias$ los principales problemas son
El coste de instalaci+n es mu superior$ entre <$C = veces la red unitaria e2uivalente.
/os grandes cambios en el caudal di"icultan mucho la operaci+n de las plantas detratamiento. 0recuentemente en los periodos de lluvias intensas las plantas detratamiento son simplemente Kb,pasadasK$ vertiendo los e"luentes directamente sintratamiento en los cuerpos receptores o construendo balsas de retenci+n para guardardurante unos d!as el e8ceso de aguas llegadas$ mientras se van depurando.
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Tendencias act"ales
5 partir de la 1ltima década del siglo XX se aprecia$ en general$ una preocupaci+n de losgobiernos para disminuir la brecha e8istente entre la cobertura de las redes de abastecimientode agua las redes de alcantarillado sanitario. Simultneamente a no se acepta pensar en
alcantarillado si no se integra también el tratamiento adecuado$ en "unci+n de la categori#aci+ndel receptor$ de las aguas servidas recogidas. (En Europa es obligatorio en poblaciones de msde C''' habitantes).
*abiendo casi siempre restricciones de carcter presupuestario$ salvo casos e8cepcionales$ lasautoridades competentes dan prioridad a las redes de alcantarillado sanitario sobre las redesde recolecci+n de aguas de lluvia.
En muchos pa!ses$ las caracter!sticas de las redes de alcantarillado se han normali#ado.nota <
Alcantarillado sanitario
Inicialmente las redes de alcantarillado sanitario se construian con tubos de cemento$ "ibrocemento7 en algunos casos se utili#aron tubo degres7 actualmente$ el material msutili#ado es el 3L:.
5 partir de la década de <HH' cada ve# se hace ms "recuente el dimensionamiento de lastuber!as considerando no solamente la velocidad m!nima del agua en la tuber!a sino 2uetambién se considera la "uer#a de arrastre del "lujo. Esta variante permite trabajar conpendientes menores$ lo 2ue se constitue en una ventaja en #onas mu llanas.
Alcantarillado #l"$ial
/as redes de alcantarillado pluvial tienen varias concepciones di"erentes. 0recuentemente sonredes enterradas$ pero se combinan con tramos constituidos con canales abiertos.
En la concepci+n de las redes de alcantarillado pluvial juegan un papel mu importante$adems de la topogra"!a$ 2ue domina también en el alcantarillado sanitario$ el régimen deprecipitaciones en la #ona.
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COMPONENTES
:omponentes principales de la red
/os componentes principales de una red de alcantarillado$ descritos en el sentido de circulaci+ndel agua$ son
las acometidas$ 2ue son el conjunto de elementos 2ue permiten incorporar a la red lasaguas vertidas por un edi"icio o predio. 5 su ve# se componen usualmente de
o una ar2ueta de arran2ue$ situada a en el interior de la propiedad particular$ 2ue separa la red de saneamiento privada del alcantarillado p1blico7
o
un albaal$ conducci+n enterrada entre esa ar2ueta de arran2ue la red de lacalle7
o un entron2ue$ entre el albaal la red de la v!a$ constituido por una ar2ueta$po#o u otra soluci+n técnica.
las alcantarillas (en ocasiones también llamadas Fcolectores terciariosG)$ conductosenterrados en las v!as p1blicas$ de pe2uea secci+n$ 2ue transportan el caudal deacometidas e imbornales hasta un colector7
los colectores (o Fcolectores secundariosG)$ 2ue son las tuber!as de maor secci+n$"recuentemente visitables$ 2ue recogen las aguas de las alcantarillas las conducen a los
colectores principales. Se sit1an enterrados$ en las v!as p1blicas.
los colectores principales$ 2ue son los maores colectores de la poblaci+n re1nengrandes caudales$ hasta aportarlos a su destino "inal o aliviarlos antes de suincorporaci+n a un emisario.
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los aliviaderos de tormentas$ 2ue son dep+sitos donde se retiene el agua procedente delos colectores cuando esta es mu caudalosa por e"ecto de la lluvia$ para evitarinundaciones.
los emisarios interceptores o simplemente interceptores$ 2ue son conducciones 2uetransportan las aguas reunidas por los colectores hasta la depuradora o su vertido almedio natural$ tras ser su caudal a regulado por el aliviadero.
5guas abajo$ a "uera de lo 2ue convencionalmente se considera red dealcantarillado$ se situar!a la estaci+n depuradora el vertido "inal de las aguas tratadas
mediante un emisario$ llevadas a un r!o o arroo.
vertidas al mar en pro8imidad de la costa7
vertidas al mar mediante un emisario submarino$ llevndolas a varias centenas demetros de la costa7
reutili#adas para riego otros menesteres apropiados.
-tros elementos complementarios
En todas las redes de alcantarillado e8isten$ adems otros elementos menores
/as cunetas$ rigolas caces$ 2ue recogen concentran las aguas pluviales de las v!as de los terrenos colindantes7
los imbornales$ tragantes o sumideros$ 2ue son las estructuras destinadas a recolectarel agua pluvial de baldeo del viario7
los po#os de inspecci+n$ 2ue son cmaras verticales 2ue permiten el acceso a lasalcantarillas colectores$ para "acilitar su mantenimiento.
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estructura$ as! reali#ar todas las obras necesarias$ antes$ durante después de laconstrucci+n.
:alles aledaas con curvas de nivel a cada <metro.
O)ras com#lementarias
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3ara 2ue una estructura de drenaje "uncione correctamente es necesario 2ue se realicen obrascomplementarias en la entrada salida del drenaje$ éstas se reali#an para proteger laestructura principal$ de la erosi+n del suelo$ arrastre de material del cauce$ el paso de "aunamarina$ protecci+n de taludes$ también para darle mantenimiento e"ectivo.
3ara evitar la erosi+n de los suelos en la estructura$ se reali#an muros de concreto en laentrada salida$ necesitando en algunas ocasiones$ muros aleros$ para encau#ar las aguas aldrenaje #ampeados de concreto o piedra para evitar la socavaci+n disipar la energ!a de lasaguas en la entrada salida del drenaje. 9ambién se deben reali#ar las entradas de cunetas alos cabe#ales de una "orma gradual.
0-9-S DE 5/;4?5S -A%5S DE D%E?5@E.
As#ectos t*cnicos del drenae a&r+cola ,-ona norte #er"ana.
Dren colector abierto
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Polinos antiguos evacuando el agua de drenaje de los p+lderes interiores al r!o entre di2ues
Aoca de tormenta estilo americano de cunetas de obras viales.
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Sistemas abiertos de drenes arti"iciales(tipo canal).
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