Victor Miguel Ponce
Febrero 2018
7. DRENAJE SUPERFICIAL
7.1 Drenaje longitudinal
El agua que fluye sobre la plataforma de una carretera es aportada ya sea por los taludes superiores adyacentes, o por el escurrimiento local. Este flujo debe ser encauzado de tal manera que no se produzcan daños a la carretera ni se afecte su transitabilidad. En esta sección se detallan los distintos tipos de obras necesarios para captar y eliminar las aguas, asegurando así la estabilidad, durabilidad, y transitabilidad de la carretera.
7.2 Criterios de diseño Las obras viales se diseñan para durar la vida útil, es decir el tiempo (en años) que debe permanecer la plataforma de la carretera y sus obras accesorias (obras de arte) en servicio y sin falla. Para un determinado caudal de diseño Q, el período de retorno es el tiempo transcurrido entre dos eventos para los cuales este caudal Q es excedido.
en la cual R = riesgo admisible (en fracción de 1), T = período de retorno (años), y n = vida útil de las obras (años). Una vez seleccionado el valor del riesgo admisible (probabilidad, usualmente un valor entre 0.01 y 0.99), el período de retorno correspondiente a la vida útil es:
El período de retorno apropiado para el diseño de diversas obras ha sido examinado por Ponce (2010). El siguiente ejemplo muestra el cálculo del período de retorno.
La velocidad del agua sobre la plataforma de la carretera debe estar
comprendida entre límites apropiados; ni muy baja que produzca obstrucciones
por la sedimentación de materiales acarreados, y ni muy alta
que produzca cualquier tipo de erosión.
Con el fin de propiciar la autolimpieza
y evitar la erosión, la pendiente transversal debe fijarse en el rango de
La Tabla 29 muestra valores de velocidades máximas admisibles de agua para varios tipos de superficie.
7.3 Cunetas Las cunetas son zanjas longitudinales ubicadas a ambos lados de la carretera o, en su defecto, a un solo lado, revestidas o no revestidas, con el objeto de captar, conducir, y evacuar en forma adecuada los flujos de agua superficial. Las cunetas se proyectan para todos los tramos ubicados al pie de los taludes de corte, y/o en los lugares donde se esperen flujos considerables de agua que puedan interferir con la transitabilidad de la carretera. La sección transversal puede ser triangular, trapezoidal, or rectangular; en la práctica, la cuneta triangular es la más usada. El ancho a se mide desde el borde de la cuneta adyacente a la plataforma, hasta la vertical que pasa por el vértice inferior. La profundidad d se mide verticalmente desde el nivel del borde de la rasante hasta el fondo o vértice de la cuneta triangular (Fig. 115). El talud interior z1 de una cuneta (z1 H : 1 V) es función de la velocidad y volumen de tráfico de la carretera, como se indica en la Tabla 30 (Ministerio de Transportes y Comunicaciones, Perú). El talud exterior z2 usualmente sigue la inclinación del talud del corte adyacente.
7.4 Sección transversal de una cuneta
La Sección 3.4.4: Cálculo del flujo uniforme de este manual describe el cálculo en un canal trapezoidal, con pendientes de lado iguales. En el caso de una cuneta típica, con pendientes de lado diferentes, el procedimiento de cálculo se explica a continuación.
Dadas las pendientes de lado z1 y z2 a ambos lados de la
cuneta (Fig. 115), el valor promedio z,
es decir:
La profundidad y (representada como d en la Fig. 115) se calcula
utilizando la Ec. 222 con los siguientes datos:
(1) caudal o descarga Q;
(2) ancho de fondo b;
(3) taludes z1 y z2
La Ecuación 222 se puede
resolver utilizando el método de aproximación de Newton
descrito en la
La calculadora
CUNETA EN LÍNEA calcula las dimensiones de una cuneta
triangular, dados: (1) caudal o descarga Q; (2) pendiente del lado
z1;
En el caso típico de cuencas
pequeñas, con áreas tributarias menores a
La profundidad óptima de una cuneta es aquélla que pueda pasar el caudal de diseño Q estando la cuneta llena de agua. La velocidad media correspondiente al caudal de diseño debe ser menor o igual a la velocidad máxima admisible de agua correspondiente al tipo de superficie (Tabla 29); de lo contrario, será necesario revestir la cuneta con mampostería o concreto. El revestimiento de concreto deberá tener una resistencia a la compresión f´c = 175 kg/cm2 y un espesor de 7.5 cm.
La Tabla 31 muestra las dimensiones mínimas de cunetas de sección triangular.
La descarga de agua de las cunetas se efectúa mediante alcantarillas de alivio.
7.5 Zanjas de coronación
Una zanja de coronación (o cuneta de coronación) se construye en la parte superior de un talud de corte, con el objeto de colectar las aguas que bajan por las pendientes naturales y conducirlas hacia el área de descarga más próxima del sistema general de drenaje, evitando de este modo la erosión del terreno, particularmente en zonas con pendiente pronunciada (Fig. 116).
Las zanjas de coronación son normalmente de forma rectangular, pero también pueden ser trapezoidales, si se requiere un mayor tamaño. Es recomendable sembrar especies naturales a ambos lados de la zanja (pastos, ichu, maleza, raíces, o árboles). También pueden incluirse ramas cortadas amarradas entre sí en forma de estructuras alargadas. Éstas se entierran o se colocan como estacas siguiendo el contorno de un talud, para evitar que el agua erosione bajo la cuneta y ésta se obstruya con sedimentos.
En el caso en que la pendiente longitudinal
sea mayor de 2%, es necesario que la zanja o canal
tenga un recubrimiento de concreto simple o enrocado.
Para pendientes mayores, las zanjas deben ser escalonadas
con emboquillado de piedra bajo la caída (Fig. 117).
Las zanjas de coronación suelen no ser necesarias en taludes de suelos resistentes a la erosión, con declives de 2 H : 1 V o menores, o donde se hayan adoptado medidas efectivas de control de erosión.
Las bajantes o rápidas son una serie de
pequeñas canaletas prefabricadas
alineadas formando un canal de fuerte pendiente,
con el propósito de
evacuar en forma controlada
el flujo de las zanjas de coronación
Fig. 118 Ejemplos de bajante.
7.6 Zanjas de drenaje
Las zanjas de drenaje se construyen en la parte inferior de los taludes de relleno en forma longitudinal, lateral, o transversal al alineamiento de la carretera. Esta zanjas colectan las aguas que bajan por el talud y terrenos adyacentes, y las conducen hacia la quebrada o descarga más próxima del sistema general de drenaje, evitando de este modo la erosión del terreno (Fig. 119). Normalmente las zanjas de drenaje son de forma rectangular, pero también pueden ser trapezoidales, si se requiere una mayor dimensión.
7.7 Cunetas de banqueta
Las cunetas de banqueta se ubican al pie del talud inclinado de cada banqueta, las cuales consisten en la construcción de una o más terrazas sucesivas con el objetivo de estabilizar un talud (Fig. 120). Estas cunetas pueden tener sección triangular, rectangular o trapezoidal, de acuerdo al caudal que transportará. Su descarga se efectuará hacia un curso natural o mediante caidas escalonadas hacia las cunetas.
7.8 Bordillos
Los bordillos son elementos que interceptan y conducen el agua que por efecto del bombeo discurre sobre la plataforma de la carretera. Los bordillos descargan el agua mediante aliviaderos ubicados en sitios adecuados, con el objetivo de evitar la erosión de los taludes de terraplenes que estén conformados por material erosionable. Los bordillos se construyen en los terraplenes mayores de 1.5 m de altura. Se emplazan en el lado exterior de la plataforma y generalmente tienen una sección trapezoidal con base inferior de 0.2 m, base superior de 0.15 m y altura de 0.40 m, sobresaliendo de la superficie de rodadura 0.15 m (Fig. 120). Son usualmente de concreto, reforzados con varillas de construcción de 3/8" de diámetro, espaciados cada 0.20 m en forma de malla simple (Fig. 121). En los tramos en tangente, debe dejarse un espacio libre para la descarga del escurrimiento hacia aliviaderos ubicados a una distancia de 50 a 100 m.
7.9 Canales de drenaje
El sistema de drenaje superficial de una vía debe interceptar con efectividad todo el escurrimiento directo superficial y de la cuenca, y conducirlo a través de canales que tengan la capacidad adecuada para su descarga final en los cursos de agua naturales.
Las redes de drenaje se proyectan para
captar y evacuar las aguas acumuladas. Éstas pueden presentarse
en Una red de drenaje consiste de los siguientes elementos:
Los canales de drenaje pueden ser de concreto fraguado en el terreno o de concreto prefabricado.
8. DRENAJE SUBTERRÁNEO
8.1 Subdrenaje El subdrenaje consiste en la evacuación de aguas subsuperficiales por medio de conductos entubados colocados debajo de la superficie. El diseño de obras de subdrenaje depende de la posición del nivel freático y su variación estacional, la pendiente del terreno, el tipo de suelo, y las condiciones climáticas locales. La necesidad de obras de subdrenaje se determina a partir de observaciones directas en el campo y muestreos del terreno. Estas obras deben considerarse cuando la carretera se encuentre cerca o esté influenciada por una o más de las siguientes condiciones:
El subdrenaje convencional está constituido por zanjas excavadas a mano o con retroexcavadora, rellenas de material filtrante, y provistas de tubos perforados con el fin de captar y transportar el agua que llegue a los tubos. Los subdrenes se colocan de la siguiente manera:
8.2 Cajas de registro En los drenes longitudinales, se recomienda usar, a intervalos regulares, cajas de registro o buzones de registro que permitan controlar el buen funcionamiento del subdrenaje y sirvan para evacuar el agua recogida por la tubería del subdren, ya sea a un colector principal, a una cuneta situada, por ejemplo, al pie de un terraplén, a un curso natural, o a otros dispositivos de desagüe. Asimismo, deberán colocarse cajas de registro o buzones en todos los cambios de alineación de la tubería de drenaje. La distancia entre dos cajas o buzones consecutivos oscilará en general entre 80 m y 100 m, dependiendo de la pendiente longitudinal del tubo y de su capacidad de desagüe, de la disposición general del subdrenaje y de los elementos naturales existentes. En el caso de salida libre de la tubería de desagüe de la caja de registro o el buzón a una cuneta, se tendrá en cuenta que el nivel de la salida quede lo suficientemente alto y con las protecciones necesarias para impedir su obstrucción o inundación.
8.3 Drenes de penetración Un dren de penetración consiste de una tubería perforada colocada a través de una masa de suelo (o talud), mediante una perforación profunda subhorizontal (ligeramente inclinada), con el objeto de abatir el nivel freático hasta un nivel que aumente la estabilidad del talud (Fig. 123). La principal ventaja de los drenes horizontales es que son rápidos y simples de instalar, lográndose incrementar el factor de seguridad del talud en forma eficaz.
El diámetro de las perforaciones es de 3 a 4 pulgadas, dentro de las cuales se colocan tuberías perforadas. Los tubos utilizados son metálicos, de polietileno o policloruro de vinilo (PVC), usualmente de 2 ó 3 pulgadas de diámetro. La tubería se perfora con orificios circulares, los cuales tienen diámetros de 1.5 a 5.0 mm, con una densidad de 15 a 30 agujeros por metro de tubería. A menudo los subdrenes se diseñan para recolectar agua solamente en el sector cercano a la punta interior. La longitud restante de tubo es inyectada con un impermeabilizante para impedir que el agua captada cerca a la punta se reinfiltre nuevamente en la trayectoria de salida. Debe hacerse un estudio previo de las características del régimen de aguas subterráneas con el fin de determinar la ubicación correcta de los drenes. La colocación de piezómetros de control permitirá medir el abatimiento del nivel freático y proporcionará información sobre la necesidad de aumentar la cantidad de subdrenes. Debe estudiarse el efecto de construir algunos drenes bastante profundos, a la alternativa generalmente menos costosa y en ocasiones más efectiva, de colocar una mayor cantidad de drenes poco profundos.
8.4 Drenaje del pavimento En terrenos permeables, el drenaje del pavimento puede efectuarse mediante drenes enterrados prolongando la capa permeable hasta los taludes de los terraplenes, con descarga hacia las cunetas o zanjas. Con este fin, la subrasante debe tener una pendiente transversal adecuada para drenar el flujo esperado. En terreno impermeables, debe evitarse que el agua de lluvia que se filtra a través de la base y subbase se acumule bajo la superficie de rodadura y forme una bolsa de agua que pueda amenazar eventualmente la integridad del pavimento. En caso de un flujo de subdrenaje excesivo, puede ser necesario revestir la cuneta con el fin de controlar la posible erosión. Para evitar la acumulación del agua, deben considerarse las siguiente acciones:
En los casos de construcción sobre terreno llano y con nivel freático elevado, debe procederse al abatimiento de la napa freática, pudiéndo utilizarse métodos tales como zanjas laterales, drenes enterrados, etc. Si no es posible evacuar el agua al sistema de drenaje, debe considerarse elevar el nivel de la rasante. El material del terraplén debe ser tal que su humedad de equilibrio disminuya rápidamente con la distancia al nivel freático. Debe tenerse en cuenta que el terraplén se construirá sobre un terreno saturado de agua, sin capacidad para resistir esfuerzos de compactación elevados. La protección del terraplén puede efectuarse mediante la colocación de membranas bituminosas, el tratamiento de la superficie con sustancias hidrófobas, o mediante el uso de geotextiles (Fig. 125). Los métodos para la protección del terraplén dependerán de la naturaleza y estado del terreno y del material disponible para la construcción.
Las diferencias de humedad en el suelo bajo la calzada y bajo las bermas facilitan los movimientos capilares y, al aumentar el contenido de humedad del suelo de la subrasante bajo la calzada, disminuyen su capacidad resistente. Para evitar esta disminución, la cual puede llevar a asentamientos diferenciales, deben utilizarse alguna de las siguientes técnicas:
Tanto la membrana impermeable como las zanjas anticapilares deberán construirse hasta una profundidad de 1.20 m bajo la superficie de las bermas. Pueden utilizarse como zanjas anticapilares las que sirvan para el drenaje del pavimento, cuidando de que el material filtro rompa la continuidad entre el agua situada a un lado y otro de la misma.
Debe colocarse una capa de material drenante cuando se eleve el terraplén de la carretera sobre un terreno saturado con agua.
Esto es con el fin de
evitar que por capilaridad el agua pueda subir a través del terraplén hasta la superficie
de rodadura.
Esta capa deberá estar constituida por gravas y/o arenas, con un espesor mínimo de
BIBLIOGRAFÍA
Ministerio de Transportes y Comunicaciones, Perú.
Manual de Drenaje: Hidrología, hidráulica, y drenaje.
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