CUNETA

1

CUNETAS

Definición: Las cunetas son estructuras de drenaje paralelas al eje de la vía,

se construyen a uno o ambos lados del camino entre el borde de la calzada y

el pie del talud, su finalidad es la de captar las aguas que escurre de la

corona, del talud de corte, y del terreno natural adyacente, conduciéndolas

longitudinalmente hasta asegurar su adecuada descarga sea esta en una

corriente natural o en una obra transversal, y así alejarla lo más pronto

posible

de la zona que ocupa la carretera.

Dimensiones típicas de una cuneta

DIMENSIONES MÍNIMAS DE CUNETAS:

LOCALIZACIÓN: Las cunetas se ubican generalmente en los laterales de la

calzada, aunque este no es el único lugar donde pueden encontrarse.

PENDIENTE: La cuneta tendrá la pendiente longitudinal de la vía a no ser

que sea necesario variarla por condiciones hidráulicas o debido al tipo de

terreno.

Con pendientes longitudinales fuertes es necesario revestir y vendrá

condicionada por la velocidad del agua, para el caso de pendiente

2

longitudinales bajas, el peligro es la dificultad del drenaje, por lo que es

aconsejable una pendiente mínima de 0.5%.

Velocidades del agua con que se erosionan diferentes materiales

La tabla proporciona como norma de criterio la velocidad del agua, a partir

de la cual se produce erosión en los diversos materiales. Sin embargo se

recomienda utilizar una velocidad de 4m/s para cunetas de hormigón y

3.5m/s para cunetas zampeadas.

TIPOLOGÍA

Existen diversos tipos de secciones empleadas en la construcción de las

cunetas. Algunas secciones pueden ser hidráulicamente mejores que otras,

sin embargo no es este el único parámetro que se debe tomar en cuenta

para el diseño de una cuneta.

el uso de las cunetas triangulares es casi general, posiblemente por su

facilidad de construcción y mantenimiento. las desventajas de las cunetas

triangulares es que deben hacerse muy anchas en pendientes suaves y si el

camino va en cortes muy fuertes puede resultar muy costoso conseguir el

ancho necesario.

las cunetas rectangulares ya no suelen construirse por razones de ingeniería

de tránsito, debido al peligro que ocasionan al circular cerca de ella. por esta

misma razón, la sección trapecial se utiliza cada vez menos, salvo que tenga

el talud cercano a la carretera.

3

SECCIONES TÍPICAS DE CUNETAS

DISEÑO HIDRÁULICO

El dimensionamiento o diseño hidráulico de la cuneta consiste en verificar

que la capacidad hidráulica de la estructura, estimada con la expresión de

Manning, sea superior al caudal de diseño y dependerá de la sección

transversal, la longitud, pendiente y la velocidad. Para calcular las cunetas

utilizaremos el principio de flujo en canales abiertos, usando la ecuación de

Manning

Q = V × A

Q= A × Rh2/3× S1/2

n

4

Dónde: Q=Caudal de diseño, en metros cúbicos por segundo (m3/seg).

A= Área mojada de la sección en metros cuadrados (m2)

R= Radio Hidráulico (m).

S=Pendiente de Fondo (m/m)

n= Coeficiente de Rugosidad de Manning

LOS PARÁMETROS DE DISEÑO SON LOS SIGUIENTES

1. Sección Hidráulica apropiada: para la captación del máximo caudal

previsto para el periodo de retorno, generalmente se toma de 5 a 20 años.

2. Seguridad de los vehículos: que accidentalmente abandonen la vía y

penetren en la cuneta. Por esta razón, se deben evitar pendientes fuertes y

puntos angulosos ya pueden producir el vuelco del vehículo.

3. Durabilidad: de la infraestructura, empleando materiales adecuados y

procurando una cuidado en la ejecución, de manera que se mantenga

operativa con los mínimos costos de mantenimiento y reparación.

4. Simplicidad: geométrica, de forma que su ejecución sea rápida, barata y

eficaz.

Henderson ha desarrollado un método de cálculo, basado en las ecuaciones

fundamentales de la hidráulica, para determinar la relación precipitación

escurrimiento en superficies planas con pendiente transversal, considerando

la intensidad de la precipitación constante y uniformemente distribuida,

estableciendo una serie de ecuaciones simple para estimar el tiempo (te) en

que se establece el caudal máximo, por unidad de ancho, y el valor mismo al

final de la superficie plana.

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Detalle

de

escurrimiento en la calzada

Las ecuaciones son las siguientes:

Dónde:

d= duración de lluvia (seg)

t= intensidad de precipitaciones en exceso (mm/h)

l= longitud del tramo (m)

n= coeficiente de rugosidad de maning

q= caudal unitario en el tiempo (m3/seg/m)

qmax= caudal máximo durante el intervalo(d- te) (m3/seg/m)

So= pendiente media de la superficie

t= tiempo (seg)

te= tiempo de equilibrio para que se presente qmax (seg)

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Luego de establecido el caudal, por ancho unitario, que descarga en la cuneta, se

determinará el caudal de diseño considerando, toda la longitud de la cuneta, para

verificar las dimensiones de la sección transversal tentativa

LONGITUD MÁXIMA

Se deberá determinar la longitud máxima permisible de la cuneta, a fin de

asegurar su funcionamiento eficiente y evitar, al mismo tiempo, que: a) el

nivel de agua supere la sección b) se produzcan depósitos (azolves) en los

tramos en que ocurren cambios en la pendiente longitudinal

Cuando la longitud total de la cuneta proyectada, resultase mayor a la

máxima permisible, será necesario diseñar obras de descarga (alcantarillas)

que conduzcan el agua, de manera inmediata, hasta un drenaje natural. La

distancia recomendable entre las obras de descarga intermedias será igual a

la longitud máxima permisible de la cuneta.

Cuando el material de la cuneta pueda erosionarse se deberá tomar medidas

de protección.

REVESTIMIENTO DE CUNETAS En suelos erosionables (suelos areno-limosos) y pendientes mayores a 4%,

será necesario revestir desde enrocado hasta concreto.

DESAGÜE DE CUNETAS El desagüe de las cunetas se realizará mediante alcantarillas de alivio,

ubicadas cada 250 m. como máximo (4 por Km.). En suelos erosionables los

tramos entre alcantarillas serán menores

CUNETAS DE CORONACIÓNSon canales excavados en el terreno natural, que se localizan aguas arriba

cerca de la corona de los taludes de los cortes, con la finalidad de interceptar

el agua superficial que escurre ladera abajo desde mayores alturas, para

evitar la erosión del talud y el incremento del caudal y su material de

arrastre en la cuneta.

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Cuneta de Coronación (Contracuneta)

CUNETA DE CORONACIÓN DE TERRAPLÉN

Su objetivo es evitar que el agua recogida por la calzada penetre en el talud

lo que podría causar arrastres e incluso desmoronamiento parcial del

terraplén. Pueden ser de menor tamaño ya que drenaran únicamente el agua

que proviene de la mitad de la calzada de la vía.

CUNETA DE PIE DE TERRAPLÉN

Su misión es recoger las aguas que caen sobre el talud del terraplén y sobre

el terreno circundante, sobre todo si su pendiente vierte hacia el propio

relleno, ya que podría llegar a erosionar la base del mismo

Cuneta de Coronación (Contracuneta)

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Localización: La ubicación de la zanja puede variar de acuerdo a la

topografía de la zona y al cálculo previo de caudales colectados. La cuneta

de coronación se localizará a una distancia variable de la corona del corte,

que dependerá de

la altura de éste.

Pendiente: El desarrollo de la cuneta de coronación deberá en lo posible

realizar paralelamente al propio corte; en lo posible, la pendiente también

deberá ser uniforme desde el origen hasta el desfogue, para evitar los

trastornos que se producen con los cambios de pendientes como son:

erosiones y/o azolves de materiales. Igualmente, la pendiente uniforme no

será superior a un cierto valor máximo, valor que estará limitado por la

velocidad de erosión del suelo en que esta excavada la cuneta de coronación

CONSIDERACIONES DE DISEÑO

El proyecto de la cuneta de coronación se fundamentará en:

• Consideraciones topográficas de la cuenca de captación sobre la corona

del corte.

• Características de los materiales que conforman los cortes, los terraplenes

adyacentes y el terreno natural de la zona en estudio

Por lo tanto será preciso proyectar la cuneta de coronación en:

• Cortes no protegidos, como es el caso de laderas y/o lomas con pendiente

sostenida hacia la carretera en extensiones grandes.

• Cortes formados por materiales erosionables y capaces de proporcionar

caudales sólidos importantes, tales como suelos limosos, limo arenoso,

arcillosos, etc.

DISEÑO HIDRAULICO DE CUNETAS

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La sección del canal estará definida por capacidad hidráulica, que

dependerá de:

• Frecuencia e intensidad de la precipitación pluvial en la zona.

• Área de la zona drenada.

• Características hidráulicas de la zona drenada.

Al igual que en las cunetas, el caudal y las dimensiones se estiman con el

método racional y la expresión de Manning para una sección, un

revestimiento seleccionado y una topografía dada.

Las cunetas de coronación pueden ser trapezoidales o rectangulares. La

sección de una cuneta de forma trapecial es de 0.60 ó 0.80 m de plantilla y

taludes conformados de acuerdo con las características del terreno y la

profundidad estará comprendida entre 0.40 y 0.60 m. Para el caso de una

cuneta de coronación de forma rectangular se recomienda un mínimo 0.40m

de ancho y 0.50m de profundidad

DISEÑO DE CUNETAS

Capacidad de las Cunetas

Se rige por dos limites:

Caudal que transita con la cuneta llena

Caudal que produce la velocidad máxima admisible.

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Caudal de Diseño de Manning

Para calcular las cunetas se utilizará el principio de flujo en canales abiertos usando la ecuacion de manning:

Q = A . V= A . Rh2/3 . S1/2 / n

Q= Caudal en m3/seg.

A= Area de la seccion en m2.

Rh= Radio hidráulico(área de la sección entre el perímetro mojado).

S= Pendiente del fondo (m/m).

n= Coeficiente de rugosidad de manning.

Método Racional

Q=C . I .A

36

Q= Caudal de diseño en m3/seg.

C= Coeficiente de escorrenria ponderado

I= Intensidad lluvia, cuya duracion es igual al tiempo de concentracion (mm/hr).

A= Area de la cuenca (Km2).

C= ( L1.C1 + L2.C2 + lc3 ) / ( L1 + L2 + l )

L1= Ancho de la mitad de la plataforma

L2= Distancia entre la plaforma y la cuneta

l= Ancho medio de la cuenca adyacente

Tiempo de Concentración

Fórmulas

1) Tc = ( 0.0192 ( L1 + l )1.155 ) / ( S.L + S´.xl ) 0.385

Tc= Tiempo de concentracion

11

S= Pendiente longitudinal de la cuneta

S´= Pendiente transversal de la cuneta

2) Tc= Tp + Tc

Tp= Tiempo de penetracion Tp= 0.03(L/√S)0.64

L= Longitud cuenca S= Pendiente cuenca

Tc= Tiempo de conducion

Tc= Lt/Vt

Lt= Longitud del elemento de desague (m)

Vt= Velocidad de descarga (m/min)

Los coeficientes de escorrentia para cuencas hasta 10 Hectáreas son los siguientes, según la tabla 3.1, pag. 31 del M-019, SEOPC.

Carretera pavimentada C1= 0.95

Talud C2= 0.80

Suelo desnudo, gramíneas C3= 0.80

Si se considera el Coeficiente de Strickler (K) como 1/n se obtiene:

Valores de K mas usados:

Cunetas excavadas en el terreno: K= 33

Cunetas en roca: K= 25

Cunetas en hormigón : K= 67

Tabla 7

Valores de n más usados

Tipo de superficie Valor de n

Roca, lisos y uniformes 0.03

12

Roca, asperos e irregulares 0.04

Excavados en tierra

0.03

Revestidos de concreto en condiciones buenas 0.02

Revestidos de concreto en condiciones medias

0.13

Tabla 8

Velocidades Límites Admisibles

Tipo de superficie Velocidad Límite (m/seg.)

Arena fina arcillosa o limo arcilloso 0.75

Limo o arcilla arenosa (arena < 50%) 0.90

Arcilla compacta 1.10

Grava, arena y limo

1.50

Grava, piedras medias 1.80

Cuneta encachada rocosa 3.50

Pendiente Minima de Cunetas y Zanjas

La pendiente minima es de 0.30% igual a 3 mm/metro. Para cunetas triangulares, se consideran taludes de 2:1 y 1:2

Se dispone de dos fórmulas para elcálculo del radio hidraulico.

Rh= ( H * 51/2 ) / 6 Rh= ( n . V / √S )3/2

La sección mojada es: A =5H2 / 4

Area de cuenca : L1 + L2

n : coeficiente de maning S :pendiente en m/m

K : coeficiente de stricker = 1/n Q :capacidad en m3/seg

V : velocidad admisible

13

1er Procedimiento de calculo usando la 1era fórmula de Rh:

1° Se elige una altura H, que sea menor a 0.60 m.

2° Se calcula el radio hidraulico con la primera fórmula del radio hidráulico

3° Se calcula el área de la sección mojada

4° Calcular el caudal con la fórmula de manning, y si Q Manning > Q de aporte, entonces el diseño está terminado. Si ocurre lo contrario, debemos volver al paso 1 y elegir otra altura de cuneta (H).

2do Procedimiento de calculo usando la 2da fórmula de Rh:

1° Se calcula el radio hidráulico con la segunda fórmula del radio hidraulico

2° Se elige una altura H, que sea menor a 0.60 m.

3° Calcular el área de la sección mojada.

4° Calcular el caudal con la fórmula de Manning, y si QManning > Qde aporte, entonces el diseño está terminado. Si ocurre lo contrario, debemos volver al paso 2 y elegir otra altura de cuneta (H).

Diseño de las Cunetas

Tramo: 0 + 125 a 0 + 126

l: Longitud cuenca= 190 ml

Cota A= 79.26 ml Cota B=120 ml

Pendiente cuenca= 0.214 m/m

Ancho cuenca = 150 ml

L: Longitud cuneta= 150 ml

Ancho media plataforma= 4.05 ml

Ctalud = 0.80 Casfalto = 0.95 Cponderado =0.80

Periodo de retorno lluvia= 2años

Velocidad de descarga= 210 m/min = 3.50 m/seg.

Tp = 14.25 min

Tc: tiempo conducción = 0.714285714

14

Tiempo concentración = 14.97

I: Intensidad lluvia = 3.75 pulg/hora = 95.25 mm/hr

A= 57769.5

m² =0.05777Km²

Q= 1.22 m³/s

n= 0.013

H = 0.60 m

S = 0.008 m/m

B = 0.80 m

b = 0.20 m

Qh= A .V = A . Rh2/3 . S1/2 / n

Rh= ( b + z.y ) * y Rh= 0.291335

b + 2y ( 1 + z² )½

A= ( b + z.y ) * y A= 0.8400 m²

Sustituyendo los valores :

Qh = 2.54 m³/s Qh > Q. Ok.

B = 0.800 m

0.30 m 0.30 m

H = 0.60 m

ALCANTARILLAS

DEFINICION:

1

2

15

Las alcantarillas son estructuras de cruce, que sirven para conducir agua de un canal o un dren, por debajo de un camino u otro canal. Generalmente, las alcantarillas disminuye la sección transversal del cauce de la corriente, ocasionando un represamiento del agua a su entrada y un aumento de su velocidad dentro del conducto ya a la salida.

Cuando la altura y la descarga han sido determinadas, la finalidad del diseño es proporcionar la alcantarilla más económica, la cual séra la que menor sección transversal satisfaga los requerimientos de diseño.

Consideracuines hidráulicas:

El escurrimiento a través de una alcantarilla generalmente queda regulado por los siguientes factores:

pendiente del lecho de la corriente aguas arriba y aguas abajo del lugar

Pendiente del fondo de la alcantarilla

Altura de ahogamiento permitido a la entrada

Tipo de entrada

Rugosidad de las paredes de la allcantarilla

Altura del remanso de salida

Todos los factores se combinan para determinar las características del flujo a través de las alcantarillas.

El estudio de los tipo de flujo a través de las alcantarillas ha permitido establecer las relaciones existentes entre la altura de agua a la entrada del conducto, el caudal y las dimensiones de la alcantarilla.

Para el diseño de una alcantarilla el proyectista deberá fijar:

Ek caudal de diseño

La altura de agua permisible a la entrada

La altura de agua a la salida

La pendiente con que se colocará el conducto

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Su longitud

El tipo de entrada

Longitud y tipo de transiciones

La velocidad de flujo permisible a la salida

Consideraciones de diseño

Las siguientes consideraciones para el diseño de una alcantarilla son proporcionadas por el Bureau of reclamation

1.-La elección del diámetro de la alcantarilla se hace en función del caudal de tal forma que no sobrepase la velocidad admisible, se puede usar una tabla para definir el diámetro:

2.-Cuando la velocidad admisible es de 1.06m/seg (3.5pies/s) se debe tener una transición de tierra a la entrada como para la salida, en cambio cuando la velocidad es de 1.5m/seg (5pies/s) para una alcantarilla con transición de concreto tanto para la salida como para la entrada.

3.-La máxima elevación del nivel del agua al a entrada de la alcantarilla es igua al diámetro de la tubería más 1.5 la carga de la velocidad en la alcantarilla.

4.La pendiente minima de la alcantarilla es de 0.005(So=5)

5.Cobertura de tierra minima entre la corona del camino y el tubo:

En carreteras principales y ferrocarriles coberturas minimas de 0.90(3pies)

En carreteras de fincas(parcelas) coberturas mínimas de 0.60m (2pies)

6.Las transiciones reducen la pérdida de carga y previenen la erosión disminuyendo los cambios de velocidad.

Las transiciones de concreto son necesarias para los siguientes casos:En los cruces de ferrocarriles y carreteras principales.

En las alcantarillas con diámetro mayor a 36 pul(91.44cm)

En las alcantarillas con velocidades mayor a 1.06m/s(3.5pies/s)

La pendiente máxima de la transición admite un talud de 4:1

17

10. Las pérdidas de energía máximas pueden ser calculadas según la fórmula:

Donde los coeficientes de pérdida pueden ser

determinadas según lo explicado anteriormente: Pe =

Pérdidas por entrada

Ps = Pérdidas por salida

Pf = Pérdidas por fricción en el tubo

Va = Velocidad en la alcantarilla

El factor f de las pérdidas por fricción, se puede calcular

mediante el diagrama de Moody o por el método que más

se crea conveniente.

i. Tipos de alcantarilla por el flujo a la entrada y a la salida

Tipo I: Salida sumergida

Tipo II: salida no sumergida

La carga hidráulica H* a la entrada es mayor al diámetro D, y el tirante Yt a la salida, es mayor a D, en este caso la alcantarilla es llena: Luego: H* > D Yt > D Alcantarilla llena

H > H* 1.2 ≤ H* ≤ 1.5 Yt < D Alcantarilla llena

Tipo III: Salida no sumergida

H > H

Yt < D

Parcialmente llena

Tipo V: Salida no sumergida

H < H*

Yt < Yc

Flujo subcrítico en la alcantarilla

Flujo supercrítico en la salida

18

1.1 Tipos de alcantarillas por su capacidad

a. . A l ca n t a r illa de un t ubo

Para caudales iguales o menores a 1.2 m3/seg

Longitud de

Transiciones LP ≥4 Di

La transición de entrada no lleva protección y la transición de salida lleva una protección de enrocado

con un espesor de la capa igual a 0.20m.

Longitud de

protección LP ≥3 Di

Diámetro interno

mínimo Di = 0.51

b. A l ca n t a r illa de 2 t ubos

Para caudales que oscilan entre 0.5 m3/s y 2.2 m

3/s. Q

max = 2 Di2

(m3/s)

Longitud de las

transiciones Lt ≥5 Di

Las transiciones de entrada y salida llevan protección de enrocado con un espesor de la capa de roca

de 0.25 m hasta una altura sobre el fondo del canal de 1.2 D.

Longitud de protección en la entrada

Lp ≥4 Di

Longitud de protección en la

salida Lp ≥5 Di

Diámetro interno

mínimo Di = 0.51 m

c ) A l ca n t a r illa de 2 ojos

Tipo VI: Salida no sumergida

H < H*

Yt < Yc

Flujo supercrítico en la alcantarilla

Flujo supercrítico en la entrada

En diseños preliminares rápidos se recomienda usar H* = 1.5 D

19

Para caudales que oscilan entre 1.5 m3/s y 4.5m

3/s Sección

del ojo = Ancho x Altura

D x 1.25 D

Capacidad Máxima de la

alcantarilla Q max = 3.1 D2

(m3/s)

Entrada y salida con protección de enrocado y con espesor de la capa de roca de 0.25 m. Longitud de las

transiciones

Lt = D + b

b = plantilla del canal

Longitud de protección en la entrada

Lp = 3 D

Longitud de protección en la salida

Di = 0.80 m

D . A l ca n t a r illa de 3 ojos

Para caudales que oscilan entre 2.3 m3/s y 10.5 m

3/s Sección del

ojo = ancho x altura

D x 1.25 D

Q max = 4.8 D2

(m3/s)

Entrada y salida con protección de enrocado y con un espesor de la capa de roca de 0.25 m. Longitud de

las transiciones

Lt = D + b

b = Plantilla del canal

Longitud de protección de la entrada

Lp ≥3 D

Longitud de la protección de la salida

Lp ≥5 D

Diámetro interno

mínimo Di = 0.80 m

20

1.2 Collarines para los tubos

Estos se construyen cuando existe la posibilidad de una remoción de las partículas del suelo en los

puntos de emergencia y exista peligro de falla de la estructura por tubificación, debido al agua que se mueve

alrededor de la superficie del tubo en toda su longitud.

FIG 3. C O LL A R I N ES P A R A T UB O S

21

DISEÑO DE ALCANTARILLA

Problema a Resolver

Un camino carrozable cruza un canal a través de un terraplén

instalado en el cauce de dicho canal el terraplén a su vez obstruye

el flujo de agua en el canal y para solucionar el problema se cree

conveniente instalar una alcantarilla tipo cajón.

Datos:

Para el canal

Tirante (y) :0.64 m

Ancho de solera (b) :1.4 m

Talud (Z) :1

Coef. De rugosidad (n) :0.030

Pendiente (S) :0.007 m/m

Velocidad (v) : 1.53 m/s

Borde libre (Bl) : 0.3 m

Además la capacidad portante del material de fondo es:

σ t=2 Kg /cm2

Para el terraplén

Elevación de corona : 27.74 msnm.

Talud : 1.5

Angulo de rozamiento interno : 33°

Peso específico (γ terraplen) : 1800 Kg/m3

Ancho : 10 m

Vehículo de paso : H20

22

ESQUEMA PRELIMINAR

II. MEMORIA DE CÁLCULO

1. Para el canal:

Con los datos anteriores a partir del hidroesta se obtuvo:

Q=1.99987m3/s

A=1.3056m2

R=0.4067m

Froude(F)=0.7003

V=1.5309m/seg

P=3.2102m

T=2.69800

E=0.75985m-kg/kg

2. Para la alcantarilla:

Asumimos la velocidad de diseño igual a la del canal:

Velocidad de diseño : 1.53 m/s

Caudal (Q) :1.99 m3/s ≈ 2 m3/s

Aplicando: A∗V=Q

23

A= 21.53

m2

A=1.307 ≈ 1.31m2

Si asumimos una plantilla de 1.5 m nos resulta un tirante de:

Á rea : Plantilla x tirante

Tirante=1.31m2

1.5 m

Tirante=0.87m ≈ 0.9 m

En consecuencia podemos asumir

una alcantarilla tipo cajon de: 1.5 x

0.9, con un borde libre de 0.25 que

puede servir para los avenamientos y

para caudales imprevistos o

extraordinarios mayores a Qmáx, lo cual nos de una

alcantarilla de sección rectangular de dimensiones 1.5 m x

1.15 m

3. Para Las Transiciones

Calculo de la longitud de la transición

L=T 1−T2

2Tanα

Asumimos α=22 °30 ', para una transición de longitud corta.

L= 2.68−1.5

2 tan(22° 30')

L=1.4239

Como L resulta demasiado corto tomamos:

L=plantillade canl+ plantilladealcantarilla

24

L=1.4+1.5

L=2.9 m ≈ 3.00 m

4. Cotas y longitudes para el perfil de la alcantarilla

Cota de la plantilla de la alcantarilla en el Punto 2

Cota en 1: 26.430 msnm

Nivel de agua en 1 = cota en 1 + Tirante de canal

Nivel de agua en 1 = 26.430 + 0.64

Nivel de agua en 1 = 27.07 msnm

Cota en 2 = Nivel de agua en 1 – Tirante de alcantarilla

Cota en 2 = 27.07 – 0.9 msnm

Cota en 2 = 26.17 msnm

Nivel de agua en 2 = cota en 2 + tirante de alcantarilla

Nivel de agua en 2 = 26.17 + 0.9


Longitud de la alcantarilla

Cota de corona del camino = 27.74 msnm


Diferencia de cotas = 27.74 – 26.17

Diferencia de cotas = 1.57 m

Por lo tanto la longitud de la alcantarilla será:

LA=Ancho de camino+2 xZx dif . decotas

LA=10+2x 1.5 x1.57

LA=14.71m ≈ 15.00 m

25

Pendiente para la alcantarilla

Aplicando la fórmula de Manning y considerando que la

alcantarilla será de concreto armado para lo cual n=0.014

Tenemos:

V= R2 /3 S1/2

n

Para lo cual:

S=(Vn

R23 )

2

V=1.53 m / s

R= 1.5 x 0.90.9+0.9+1.5

R=0.409m

Por lo tanto:

S=( 1.53 x0.0140.4092 /3 )

2

S=0.0015

S=1.5° ¿° °

Cota de la alcantarilla en el punto 3

Cota en 3 = cota en 2 – S x Long. Alcantarilla

Cota en 3 = 26.17 – 0.0015 x 15.00


Nivel de agua en el punto 3

Nivel de agua en 3 = 26.1475 + 0.9

26


Cota en el punto 4

Teniendo la pendiente del canal, S=7 °¿° °

Longitud de la alcantarilla, LA=15.00 m

Longitud de la transición, L=3.00m

Desnivel = 0.007 x (15 +2 x 3 )

Desnivel = 0.147 m

Cota en 4 = cota en 1 – desnivel

Cota en 4 = 26.430 - 0.147


Nivel de agua en 4

Nivel de agua en 4 = cota en 4 + tirante de alcantarilla

Nivel de agua en 4 = 26.283 + 0.90


5. Comprobación hidráulica de la alcantarilla

Sabemos que:

E1=E4+∑ hf

Perdida en la transición de entrada:

K= 0.3

he=K (V 22−V 1

2

2 g )he=0.3( 1.532−1.532

2 g )he=0

27

Perdida en la transición de salida:

K= 0.6

hs=K (V 42−V 3

2

2 g )hs=0.6 (1.532−1.532

2 g )hs=0

Perdida por fricción:

S=0.0015

h f=0.0015 x 15.00

h f=0.0225 m

Energía en 1 será:

E1=cota1+ y1+V 1

2

2 g

E1=27.449

Energía en 4 será:

E4=cota 4+ y4+∑ hf

E4=27.2055

E1−E4=0.2438

Ya que E1>E4 , se ha comprobado el funcionamiento

hidráulico de la alcantarilla

6. Inclinación de las transiciones

Transición de entrada

28

3=

11.5426.4

3-

26.17

Es decir: 11.54 : 1

Transición de salida

3=

22.1426.2

83-

26.1475

Es decir: 22.14 : 1

Criterios para el diseño de badenes

Introducción.

La construccion de obras de drenaje en los caminos vecinales demanda un presupuesto alto, por lo que se debera estudiar soluciones tecnicas que sean adecuadas a la economia de este tipo de obras que minimicen el riesgo de su destruccion.

En este sentido, el presente trabajo proporciona algunos criterios para el diseño de badenes como una alternativa que puede ser aplicada para la solucion de pasos de quebrada en diferentes regiones.

Elementos del badenEl baden es una obra de drenaje que se adecua a las caracteristicas geometricas del cauce y tiene por

objetivo facilitar el transito estable de los vehiculos y consta de los siguientes elementos:

Plataforma o Capa de Rodadura Muro de PieMuros de Cabezal Muro de Confinamiento

Plataforma o Capa de Rodadura . Es la parte fundamental del baden. En sentido longitudinal, la losa es el segmento de una circunferencia y en sentido transversal es inclinada con una pendiente del orden del

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2% hacia aguas abajo.

Muro de Pie . Muro localizado en la parte de aguas abajo de la plataforma, constituye la fundacion del baden y se construye a todo lo largo de este.

Muros de Cabezal . Son una prolongacion del Muro de Pie en ambos extremos de este, formando un vertedero con el objetivo de ampliar la capacidad de descarga sobre el baden, y ademas; proteger las laderas contra la socavacion.

Muro de Confinamiento . Se denomina asi al muro localizado en el borde de la plataforma en el sector de aguas arriba, elemento que tiene por objetivo la proteccion del baden

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Tipos de badenesDe acuerdo a las caracteristicas y condiciones de los curso de agua, se puede diferenciar los

siguientes tipos de badenes:

Baden simple Baden mixto Baden reforzado Baden combinado

Baden simple

Es el tipo de baden que consta de todos los elementos, es decir; capa de rodadura, muro de pie, muros de cabezal y muro de confinamiento, sin ninguna obra adicional.

Baden mixto

Se da el nombre de mixto al baden simple que, ademas incluye una alcantarilla o paso de agua por debajo de la plataforma. Este tipo de baden se diseña para cursos de agua permanente, haciendo que los caudales hasta un determinado periodo de retorno se evacuen por los tubos u orificios previstos, mientras que los caudales de crecidas con un periodo de retorno mayor; pasan por el baden propiamente dicho.

Baden macizo

La singularidad de este tipo de baden es que su plataforma es de gran espesor. Estos badenes se diseñan para cursos de rios o quebradas con caudales de magnitud y con arrastre de material grueso.

Baden combinado

Se denomina asi a aquellos badenes que se construyen junto a otra estructura, por ejemplo un canal de riego paralelo a la plataforma como parte constitutiva de la estructura.

Datos básicos para el diseño

Las investigaciones necesarias se centran en tres aspectos fundamentales:

Topografia del cauce Geotecnia del sitioEstimacion de caudales maximos

La topografía consiste en la planimetria del sector, un perfil transversal y uno longitudinal; levantamiento este que debera cubrir un area comprendida como minimo entre 100 metros aguas arriba y 100 metros aguas abajo del eje del camino y un ancho, a partir de ambas margenes; que permita un conocimiento detallado del sector.

El estudio geotecnico se debera centrar en las caracteristicas del terreno de fundacion y de las margenes del rio o quebrada.

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La estimacion de caudales maximos debera incluir un analisis de los materiales de arrastre y la morfologia del cauce

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Dimensionamiento del baden

Para establecer las dimensiones de los elementos del baden, se debera fijar el caudal de diseño (se recomienda un caudal de diseño con un periodo de retorno de T = 50 años).

Con el caudal de proyecto se define la longitud de la cuerda y la altura del cabezal, para lo cual se elabora una curva h = f (L) usando la formula de vertedero de pared gruesa.

En esta etapa se debera analizar las variantes posibles, a partir de aspectos topograficos y/o geometricos; y la comparacion de estas, permitira seleccionar el tamaño del baden mas economico que cumpla con los requisitos tecnicos.

Diseño de la plataforma

Para la geometria de la plataforma se tomara como datos de partida la altura y longitud definidos, considerando estos como flecha y cuerda del segmento de circunferencia respectivamente; con lo cual se podra calcular el radio; el cual no sera menor a 80 metros.

R² = f² + a²

f = flecha

a = L / 2

El ancho de la plataforma es funcion del ancho de la via (4, 6 u 8 metros) y el espesor se debe determinar en funcion de las cargas y de la calidad del terreno de fundacion (en la practica se recomienda un espesor no menor a 20 cm).

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Diseño del Muro de Pie

Su altura depende del terreno de fundacion y del caudal de la crecida de diseño, para lo cual se analizara la socavacion que produce el salto del agua.

En este sentido se debera estudiar el perfil del cauce, considerando la pendiente, la potencialidad erosiva y la altura maxima de socavacion.

El calculo de la altura de socavacion puede ser realizado mediante la formula experimental de Veronece:

d = 1.9 · h 0.225 · q 0.54

d = Profundidad de socavacion en metros h = diferencia de niveles de agua en metrosq =Q/Lv - Caudal por metro de vertedero en [m3/seg]/m Q = caudal de diseño en m3/segLv = Longitud del vertedero

Para disminuir la altura del muro de pie se puede disponer un voladizo que aleje el chorro de la base del muro de pie y disminuya la influencia de la socavacion

Se recomienda la implementacion del voladizo para badenes mixtos o cuando el suelo de fundacion es susceptible a una profundidad de socavación de gran magnitud y el arrastre del amterial no sea grueso.

Para un suelo de fundacion clasificado como roca blanda, la longitud del voladizo puede ser de 0.50m., para aluvion debera tener un minimo de 1.00m.

Muros de Cabezal

La altura de los muros de cabezal sobre la plataforma esta determinada por el caudal y la longitud del vertedero formada por estos muros.

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De la formula del vertedero de pared gruesa: Q = 1.71· Lv·Y 3/2

Obtenemos el tirante normal, a la entrada del baden: Y = [Q/(1.71· Lv)]2/3

El area hidraulica a la salida del baden: A = R²·atan [0.5·Lv / (R-f)] - Lv·[0.5·(R-f) - (Y - f)]La velocidad del caudal a la salida del baden: V = Q / A

Finalmente, la altura del cabezal sobre el baden sera: Hc = 0.67·Y +V²/ 2·g + 0.10 m

Se recomienda una altura maxima de 1.00 m, su longitud se determina en funcion a la pendiente y al tipo de terreno de las margenes. Eventualmente, la altura de los muros de cabezal sobre la plataforma puede ser sobrepasada y el rebalse puede producir un salto en las margenes del rio o quebrada, por lo que se recomienda disponer de medidas de proteccion, como ser; empedrado u otras que disminuyan la socavacion de las margenes.

Muro de confinamiento

Sus dimensiones dependen del caudal y del tipo de arrastre del rio o quebrada.

Generalmente sus dimensiones son reducidas, cubriendo todo el espesor de la plataforma mas 20..30cm.

Aspectos constructivos

La plataforma puede conformarse mediante una carpeta de hormigon simple sobre empedrado, sobre el cual se vacia la losa de hormigon. Esta losa debe contar con juntas de dilatacion en sentido transversal del baden cada 2..3 metros.

El material utilizado para la plataforma es generalmente hormigon simple con una resistencia cilindrica minima de 180 kg/cm2 a los 28 dias

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El espesor minimo de la capa de rodadura es de 20 cm.

Para el curado se recomienda colocar una capa de arena de aproximadamente 10 cm. de espesor, la cual debera ser humedecida durante los 15 dias posteriores al vaciado.

En badenes reforzados, la capa de rodadura de gran espesor se logra construyendo bloques de hormigon ciclopeo (concreto) los que deberan ser de 2..3 metros; coincidiendo esta separacion con las juntas de dilatacion.

Las superficies de piedra embebida en el hormigon, se adoptan para badenes en cauces con arrastre de sedimentos gruesos de gran dimension (piedras y/o rocas).

El material para la construccion del Muro de Pie, preferiblemente debe ser de hormigon ciclopeo; quedando a criterio del ingeniero la adopcion de otro material, dependiendo de las condiciones del suelo de fundacion y de las caracteristicas del cauce del rio o quebrada.

Para los casos en que el suelo de fundacion es roca, se recomienda extraer una capa de por lo menos 20 cm de espesor (superficie meteorizada), o hasta encontrar la roca sana para garantizar un buena adhesion del Muro de Pie a la roca.

Para los Muros de Cabezal se recomienda que estos monten sobre la losa en una longitud de 0.50 m., formando de esta manera el vertedero para la descarga del caudal de diseño. Debido al posible asentamiento del Muro de Pie, se puede disponer de armadura que absorva los esfuerzos en la union del Muro de Cabezal con el Muro de Pie.

Los Muros de Cabezal deberan ser cubiertos por los terraplenes de acceso al baden, en una longitud de aproximadamente 1.0 m., tratando de que la geometria del baden y el terraplen permitan la comodidad de acceso de los vehiculos, ademas de establecer una seccion regular para la ampliacion del area de descarga de caudales superiores al caudal de diseño.

El voladizo debera presentar una inclinación del orden del 10% y en los casos de badenes de gran longitud, se debera ejecutar con fuerte pendiente para evitar que las ruedas de los vehiculos monten, ya que el diseño no preve las cargas de tal magnitud.

Baden que colapso por errores de diseño y fallas de construccion

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