OBRAS DE DRENAJE LONGITUDINAL

Alcantarillas

Una alcantarilla es un conducto hidráulicamente corto que sirve para proveer las facilidades

necesarias para el paso de las aguas de un lado al otro de la vía manteniendo, en lo posible,

las condiciones naturales del drenaje.

Estas aguas, provenientes principalmente de lluvias, pueden escurrir por ríos, quebradas o

correderos de invierno y aún provenir de la captación de las precipitaciones por cunetas y

escurrir paralelamente por la superficie aledaña a la calzada.

Para caudales de mayor magnitud y para cruces de mayor ancho los puentes resultan ser

más apropiados dependiendo de otros factores tanto geológicos, estructurales como

económicos.

De no utilizarse las alcantarillas como conductos de paso para las aguas bajo el terraplén, se

puede ocasionar la inundación de la calzada, su debilitamiento por acciones como la

filtración, erosión, y depositación de materiales sólidos pétreos o arbustos y hasta árboles

de gran tamaño, causando graves perjuicios a los servicios que prestan las vías de

comunicación llegando a provocar la reconstrucción de las mismas.

Hidráulicamente, las alcantarillas se definen como conductos cerrados ya que pueden

operar con una línea de carga de la corriente de agua por encima de su corona y, por

consiguiente, trabajar a presión. Si no opera a caudal lleno es considerada como un canal a

superficie libre. La Figura 5.1 presenta las características del flujo en una alcantarilla.

Las alcantarillas pueden ser construidas de diferentes formas: redondas, ovaladas,

abovedadas, cuadradas, rectangulares o la combinación de las mismas geometrías.

Los materiales podrán ser concreto reforzado o sin reforzar, mampostería de piedra o metal

corrugado.

El diseño de alcantarillas requiere de una serie de estudios previos que pueden agruparse

en:

- Hidrológicos,

- Topográficos,

- Hidráulicos,

- Geotécnicos,

- Estructurales

- Económicos

- Estéticos, y

- Medio Ambientales

Los estudios hidrológicos, tratados anteriormente predicen las condiciones de Caudales

Máximos, sus Períodos de Retorno y, en casos de obtener suficiente información confiable

sobre precipitaciones y caudales en estaciones fluviales, se podrá conseguir la distribución

de los mismos en el tiempo, es decir su hidrograma, que servirá para "transitar" los picos y

examinar las condiciones de atenuación de los mismos por efectos del represamiento

natural dado por las características del cauce aguas arriba o impuestas en el diseño por

lagunas de detención de avenidas.

La información topográfica será necesaria para definir los cursos de agua y su efecto en la

localización de la vía. Siendo las alcantarillas estructuras hidráulicas operando

generalmente como canal las características de pendiente longitudinal y secciones

transversales son necesarias; algunos otros factores morfológicos de los ríos como cambios

de sección y meandros es también importante definirlos topográficamente como así

también los elementos de la naturaleza o construidos por el hombre que puedan interferir en

las condiciones normales de flujo en avenidas extremas.

La precisión de la información topográfica dependerá de la etapa del estudio, sea

prefactibilidad, factibilidad o diseño final, para lo cual se utilizan fotografías aéreas,

investigaciones preliminares de campo, hojas cartográficas o levantamientos topográficos

de precisión.

La extensión de la información topográfica, referida a aguas arriba, aguas abajo y secciones

transversales, dependerá de las características geométricas particulares del curso de agua, es

decir cambios de pendiente y secciones disímiles, existencia de tributarios y/o

ramificaciones, etc. En algunas circunstancias, para desniveles muy bruscos será necesario

realizar el levantamiento hasta la descarga final de los caudales en sitios muy aguas abajo

de las alcantarillas, por ejemplo en zonas montañosas que requieran protección de taludes

por medio de torrenteras. Los niveles de aguas máximas deben ser levantados, ya sea

definidos por marcas de avenidas anteriores o referencias de moradores cercanos.

Estos elementos topográficos auxiliarán a los proyectistas viales a definir tipos de

alcantarillas, emplazamiento, y los niveles de operación de las mismas con respecto a los

niveles del terraplén.

Las condiciones hidráulicas en las que operará incidirán fundamentalmente en el

comportamiento de los flujos en las inmediaciones de la alcantarilla, ya que ésta produce un

estrechamiento de la sección del cauce ocasionando un remanso hacia aguas arriba,

aumentando la velocidad dentro del conducto y a la salida de la misma, provocando acarreo

de sedimentos y eventualmente deteriorando la estructura misma por la erosión violenta de

sus paredes.

Los criterios de análisis consistirán por lo tanto en determinar las velocidades y niveles que

se darán para las diferentes condiciones de caudal.

La finalidad del diseño hidráulico de las alcantarillas será encontrar el tipo y tamaño de las

mismas que permitan dar pasaje al flujo de diseño de la manera más económica y sin

repercusiones en la estructura misma o en la vialidad.

Los elementos de geotecnia incidirán en la determinación de las condiciones de soporte del

suelo por acción del peso propio de la alcantarilla, altura del terraplén y las cargas debidas

al tráfico. Los efectos de estas cargas también permitirán analizar las posibilidades de

asentamiento de la alcantarilla. La distribución de los esfuerzos en la interacción suelo-

alcantarilla determinarán, en conjunto con las condiciones hidráulicas, la forma y material a

utilizar y podrá aplicarse un criterio de decisión final teniendo en cuenta el factor riesgo /

costo.

El análisis de las condiciones del suelo y su efecto sobre las alcantarillas se determinará

mediante la Teoría de Marston aplicada por Spangler. Para cada tipo de alcantarilla,

dependiendo de la forma y el material, se dan tablas de cargas máximas de terreno que se

pueden aplicar.

En lo que respecta a los aspectos estéticos, en un origen las alcantarillas eran consideradas

como las "obras de arte" de las carreteras; realmente una estructura de este tipo bien

concebida, diseñada y construida mostrará la madurez técnica de los autores, máxime en

Honduras donde la prevalencia de fallas de las vías son producto de las deficiencias del

drenaje.

En cuanto a los criterios ambientales, las alcantarillas se ubican directamente en el medio

de transporte del agua y en relación con aquellos seres o elementos de la naturaleza que se

verán perturbados por la construcción de las obras o su operación.

Todos los análisis de impacto ambiental tienen que estar en consonancia con la legislación

ambiental vigente y hasta con los vecinos de las comunidades aledañas.

También la calidad del agua incidirá en la decisión de instalar o no una alcantarilla

metálica, por los efectos de la corrosión.

Finalmente, el juicio, criterio y aptitudes del proyectista tendrán un efecto complementario

a los parámetros descritos por lo que para mejorar el discernimiento de los diseñadores y

constructores la evaluación continua de las alcantarillas ya existentes es un factor

importante, alcanzando esta actividad el grado de investigación por parte de los organismos

responsables.

Selección del Tipo de Estructura más Conveniente

El diseño hidráulico de una alcantarilla requiere la evaluación de una gran cantidad de datos

como se ha descrito anteriormente.

La selección del tipo de estructura más conveniente dependerá finalmente de un estudio

económico en el cual todas las variables hidrológicas, hidráulicas y estructurales

convergirán en soluciones de máxima economía, utilidad y seguridad, en función de los

costos anuales de construcción, mantenimiento y riesgos de falla de la alcantarilla y la vía.

Cabe señalar que las condiciones hidráulicas de operación de la alcantarilla no deben ser

sacrificadas por aspectos de reducción de costos.

Aspectos Físicos

Localización- Una alcantarilla debe localizarse, preferiblemente, en el trayecto o

alineamiento de un curso de agua y en su proyección vertical lo más conformada con el

lecho del río o quebrada, para evitar excavaciones estructurales mayores o trabajos de

mejoramiento del cauce (ver Figura 5.2).

No siempre se encuentran en la práctica condiciones ideales de localización de alcantarillas;

los casos de la Figura 5.3 son una muestra de la variedad de dichas condiciones, de forma

tal que en ciertos casos es mejor desviar el curso para lograr entrar lo más perpendicular

posible a la vía, evitando en lo posible estructuras para direccionar el flujo o extender la

longitud de las alcantarillas.

En el plano vertical las opciones dependerán del tipo de desplante de la vía, sea relleno o

corte, de la altura del terraplén y de la pendiente del cauce. La figura 5.4 ilustra diferentes

condiciones de emplazamiento vertical.

Los criterios de localización horizontal de alcantarillas dependerán en algunos casos de las

características morfológicas de los cauces, tal como se indica en la figura 5.5.

Es importante anotar que existe un ajuste de factores que producen un balance natural, de

los cuales los más importantes son la pendiente, velocidad y capacidad de transporte de

sedimentos y cualquier alteración a uno de ellos será compensado por el cambio de alguno

de los otros.

Curso de Agua

La instalación de una alcantarilla para conducir el agua a través del terraplén significa una

contricción drástica del cauce natural. Para predecir las consecuencias de esta alteración,

deben ser levantados datos precisos del cauce y de su planicie en las inmediaciones de la

alcantarilla.

Estos datos incluyen: i) sección transversal, ii) pendiente, iii) características de resistencia

hidráulica (rugosidad) tanto del cauce como de sus riberas, hasta un ancho de referencia

como se tenga información de niveles de aguas máximos alcanzados; iv) cualquier otra

restricción que pueda afectar el paso del agua por la alcantarilla o desbordes laterales que

afecten otros sectores de la vía, poblaciones o sembrados.

Al menos tres secciones deben ser levantadas para determinar la pendiente del río y

preferentemente en la localización de la entrada y salida de la alcantarilla y al centro del

terraplén; las secciones no deben de ser espaciadas a más de 30 mts aguas arriba y abajo de

la alcantarilla. Las secciones deben ser suficientemente largas a efectos de analizar,

mediante el método de sección, pendiente y rugosidad del cauce y su planicie, el caudal

para avenidas máximas.

Las secciones deben especificar al menos la sección mojada, el punto más bajo del cauce y

los cambios de pendiente transversal en la planicie.

Las secciones se tomarán viendo el cauce hacia aguas abajo, de izquierda a derecha, lo cual

es una convención que tiene que ser atendida cuando se utilicen modelos de simulación

hidráulica como el HEC-2.

Rugosidad del cauce

El coeficiente de resistencia hidráulica debe ser evaluado para el cauce principal y sus

planicies; varios métodos pueden ser aplicados para tal fin. No obstante, comúnmente el

coeficiente de resistencia hidráulica (referido como valor "n" de Manning) se encuentra en

tablas como la siguiente:

También orientan en la determinación del valor "n" las fotografías de casos típicos que se

encuentran en los Manuales de Hidráulica de Canales anotados en la bibliografía.

Otro método utilizado es el de Sección y Pendiente: aforando el río en un tramo recto y de

sección uniforme y aplicando después la ecuación de Manning, se despeja el valor de la

rugosidad.

Finalmente la calibración por medio de modelos computacionales de avenidas registradas o

niveles máximos ocurridos dan lugar a un proceso más acorde con las actuales

disponibilidades de instrumentos de análisis ingenieril.

Datos de la Vía

Las características de la vía afectan los costos de la alcantarilla, su capacidad hidráulica y

alineamiento. Del reconocimiento de campo y de los planos correspondientes se pueden

obtener la planta y el perfil de la vía y su sección transversal, en el punto exacto donde se

cruza el cauce. Esta sección está por lo general es viada respecto al cauce.

De los datos de vía se obtendrá la longitud de la alcantarilla, la cota de la invertida a la

entrada y a la salida, y la cota del nivel de aguas máximas permitidas. Estas elevaciones y

la longitud son aproximadas porque se requerirán los cálculos hidráulicos específicos para

las acotaciones finales.

Los puntos bajos de los perfiles longitudinales de la vía próximos a la alcantarilla son

importantes para evitar derrames alternos.

Alcantarillas de Tuberías

Las conducciones de agua de forma circular son las más comunes por la eficiencia de su

sección, sus facilidades de fabricación en diferentes materiales y la forma práctica de

instalación. Su análisis hidráulico corresponde fácilmente a una sección prismática de

manera que nomogramas y fórmulas explícitas pueden describir sus variables hidráulicas.

Los materiales para estas conducciones circulares podrán ser de concreto, PVC en

pequeños diámetros y metal corrugado (tipo ARMCO).

Tuberías de Concreto

Las tuberías de concreto fabricadas en el país de acuerdo a las especificaciones ASTM son:

También en estructuras de concreto se pueden fabricar "in situ" alcantarillas de forma

rectangular o cajas, a veces sencillas de una sola unidad, otras dobles y hasta triples,

pudiendo ser utilizadas como una alternativa de sustitución de puentes.

En algunos casos son necesarias tuberías de pequeño diámetro para pasaje de caños de agua

potable o caudales de riego; en tales casos pueden emplearse materiales plásticos.

Para PVC, con especificación ASTM para drenaje D-3034, la fabricación local es en los

diámetros siguientes:

En relación a la eficiencia de la sección siempre la de forma circular tendrá la mayor

eficiencia hidráulica aunque habrá circunstancias limitantes, como ser altura del terraplén,

en las que secciones ovaladas pueden ser más convenientes.

La rugosidad de las alcantarillas de concreto es menor que para alcantarillas metálicas. La

Tabla 5.4 muestra las comparaciones entre las alcantarillas de concreto y las de acero

corrugado:

Hidráulica de Alcantarillas

Un análisis exacto del flujo en alcantarillas es extremadamente complejo debido a que el

mismo es usualmente no uniforme con transiciones entre flujo gradualmente variado hasta

rápidamente variado, incluyendo fenómenos de vórtices, resaltos hidráulicos, caídas y

remansos.

Las variables que intervienen son típicas en la hidráulica de canales: pendiente, forma,

rugosidad de los conductos, condiciones de aguas abajo y aguas arriba de la alcantarilla y el

tipo de entrada a la misma.

Un diseño apropiado requerirá compatibilidad entre el flujo pasante y la carga de agua

permitida para condiciones normales y extremas.

La carga de agua permitida en la entrada dependerá fundamentalmente de criterios del

análisis de riesgo de daño a propiedades adyacentes, daños a la alcantarilla y a la vía,

interrupción del tráfico, daños a la vida humana y daños a las condiciones naturales del

cauce y a su medio ambiente.

Un criterio comúnmente adoptado consiste en que el máximo nivel deberá garantizar un

borde libre mínimo de 0.40 m entre la superficie del agua y el nivel de la subrasante de la

carretera, considerando siempre los efectos hacia aguas arriba sobre propiedades y

personas.

La condición del nivel de agua aguas arriba de la alcantarilla ofrece la energía que permite

el flujo a través de la misma. Esta energía toma la forma de carga o columna de agua

medida desde la invertida a la entrada.

El nivel del agua a la salida podrá ser el nivel normal de flujo aguas abajo, y este podrá

verse incrementado por las condiciones de rugosidad del cauce y por obstrucciones.

La velocidad a la salida es siempre importante de conocer, ya que una vez concentrado el

flujo la velocidad será más alta que las normales aguas arriba y determinará las condiciones

de erosión, la necesidad de mejoramiento del cauce en las inmediaciones de la salida o la

necesidad de disipadores de energía.

El problema de análisis consiste en definir las condiciones de caudales máximos, geometría

y materiales de las alcantarillas y sus dispositivos de entrada y salida.

Con lo anterior, las condiciones hidráulicas del diseño estarán siempre definidas por el

nivel de agua en la entrada, regulado éste por las características de control hidráulico a la

entrada o a la salida, entendiéndose como control aquella sección donde existe una relación

única entre el caudal y la profundidad, es decir una sección crítica, donde el valor del

número de Froude es igual a la unidad.

Mientras que la profundidad del flujo en la alcantarilla sea menor que el valor crítico la

alcantarilla operará bajo control a la salida. Si la profundidad de flujo alcanza su valor

crítico o mayor dominará el control a la entrada.

La elevación del agua en la entrada que permita el mayor caudal, analizando las secciones

de control a la entrada y a la salida, será la condición de diseño y expresará la situación más

adversa de comportamiento hidráulico de la alcantarilla.

Para examinar las variables dependientes de los controles de operación (entrada y salida) de

las alcantarillas, se incluye la Tabla 5.5:

Los esquemas presentados en la Figura 5.6 expresan las diferentes condiciones del efecto

del control en el diseño.

Procedimientos de Cálculo

El procedimiento de cálculo en las alcantarillas estará definido por:

1. Determinar preliminarmente el tamaño de una alcantarilla, teniendo como datos el

caudal y el tipo de sección transversal de conducto.

2. Analizar las condiciones de caudal; pendiente; máxima elevación de agua permitida a la

entrada y los dispositivos de mejoramiento en la entrada de la alcantarilla, mediante los

gráficos de la Oficina de Vías Públicas (Bureau of Public Roads) de los Estados

Unidos.

3. Si los rangos de aplicación de los gráficos fueran excedidos, se utilizarán los criterios

hidráulicos para investigar detenidamente la condición de operación, sea con control a

la entrada o a la salida.

Alcantarillas de Paso para Accesos

La forma más simple de alcantarilla es la que consiste en la continuación de una cuneta

para permitir el acceso de peatones o vehículos a una propiedad, condición en la cual no se

prevén grandes caudales; generalmente la capacidad de la alcantarillas debe ser igual o

ligeramente mayor que la capacidad de la cuneta.

Donde:

d= profundidad del flujo

D= Diámetro de la tubería

b= ancho de la base de la cuneta

z= inversa del talud de la cuneta

Con la relación de d/b y el valor de la inversa del talud de la cuneta se encuentra la relación

de d/D para una tubería o dos y luego se despeja el valor del diámetro.

La máxima profundidad permitida en la tubería corresponde al 95% del diámetro.

Pronunciada Alta Media Suave Despreciable

50% 20% 5% 1%

Impermeable 0.80 0.75 0.70 0.65 0.60

Semipermeable 0.70 0.66 0.60 0.55 0.50

Permeable 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30

Impermeable 0.70 0.65 0.60 0.55 0.50

Semipermeable 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40

Permeable 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20

Impermeable 0.65 0.60 0.55 0.50 0.45

Semipermeable 0.55 0.50 0.45 0.40 0.35

Permeable 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15

Impermeable 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40

Semipermeable 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30

Permeable 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10

Impermeable 0.55 0.50 0.45 0.40 0.35

Semipermeable 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25

Permeable 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05

COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA

Tipo de SueloCobertura Vegetal

Sin vegetación

Cultivos

Pastos Vegetación

Ligera

Hierba, Grama

Bosques,

Vegetación Densa

Pendientes del Terreno