Drenaje Cap 17 Garber y Hoel 3ed

8/18/2019 Drenaje Cap 17 Garber y Hoel 3ed

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Drenaje en carreteras

La construcción de un drenaje adecuado es un factor importante en la localización y el diseñogeométrico de las vías. Las instalaciones de drenaje en cualquier vía o calle deben proveer enforma adecuada el alejamiento del flujo hidráulico de la superficie del pavimento, hacia cana-

les que tengan el diseño apropiado. Un drenaje inadecuado producirá serios daños a la estructurade la vía. Además, el tránsito puede entorpecerse por el agua acumulada en el pavimento, y ocu-rrir accidentes como resultado de la pérdida del contacto con el pavimento y de la pérdida de

visibilidad debido al efecto salpicado y rociado del agua. La importancia de un drenaje adecuadose confirma por la cantidad de dinero ido en la construcción de instalaciones de drenaje en vías.El 25 por ciento de la inversión se gasta aproximadamente en la construcción de estructuras pa-ra el control de la erosión y del drenaje, como alcantarillas, puentes, canales y zanjas.

El ingeniero de carreteras trata principalmente con dos tipos de fuentes de agua. La primera,el agua superficial, es aquella que se presenta como precipitación pluvial o nieve. Parte de estaagua se absorbe en el suelo, y el resto permanece en la superficie de la vía y debe retirarse delpavimento. Al drenaje de esta fuente de agua se le conoce como drenaje superficial. La segunda,el agua subterránea, es la que fluye como su nombre lo indica, en corrientes subterráneas. Esto

llega a cobrar mucha importancia en cortes de la carretera o en ubicaciones donde exista un nivel freático elevado cerca de la estructura del pavimento. Al drenaje de esta fuente de agua se leconoce como drenaje subsuperficial.

En este capítulo, se presentan los principios fundamentales de diseño de las instalaciones dedrenaje superficial y subsuperficial. También se incluyen los principios necesarios acerca de hidro-logía para entender los conceptos de diseño, junto con una breve discusión de la prevención dela erosión.

3 I T U L 0 1 7

•AJE SUPERFICIAL

El drenaje superficial abarca todos los medios, a través de los cuales se retira el agua superficialdel pavimento, del derecho de vía. Un sistema de drenaje superficial de una vía diseñado ade

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764 Parte 4 Localización, diseño geométrico y drenaje

cuadamente debe interceptar con efectividad todo el escurrimiento directo superficial y decuenca, para encauzar esta agua a canales y cunetas que tengan el diseño adecuado para su ;carga final en los cursos de agua naturales. La percolación del agua a través de las grietas er superficie de rodamiento de la vía y en las áreas del acotamiento hacia las capas subyacentes :pavimento, puede conducir a un grave daño del pavimento. La principal fuente de agua r

este tipo de intrusión es el escurrimiento directo superficial. Por tanto, un sistema de drersuperficial adecuadamente diseñado deberá minimizar este tipo de daño. El sistema de drenajeperficial para las vías rurales debe incluir pendientes transversales y longitudinales, queadecuadas tanto en el pavimento como en el acotamiento para asegurar que el escurrimiento ;recto sea positivo, así como canales longitudinales (zanjas), alcantarillas y puentes para pro’.;la descarga del agua superficial a los cauces naturales de agua. También se construyen desan-de agua pluvial y bocatomas en el separador central de una vía en las zonas rurales. En las :ñas urbanas, el sistema de drenaje superficial también incluye pendientes longitudinaltransversales que sean adecuadas, pero en general los drenajes longitudinales son tuberías

desagüe enterradas, diseñadas para conducir tanto escurrimiento directo superficial como arsubterránea. Los bordillos y las cunetas también pueden usarse en las zonas urbanas y ñi-para controlar el escurrimiento directo de las calles, aunque se usan con más frecuencia en zonas urbanas.

Pendientes t ransversales

El principal objetivo de la construcción de pendientes en dirección transve«$$l, es facilitaretiro del agua superficial del pavimento en el menor tiempo posible. Esto se logra media:el coronamiento de la superficie al centro del pavimento, construyendo para ello el bom:

desde la línea central o construyendo una pendiente en una dirección a través del ancho del p:mentó. En el capítulo 16 se estudiaron diferentes maneras para lograr esto. Sin embargo, a acotamientos se les construye una pendiente para permitir el drenaje del pavimento, excepto :las carreteras con separador realzado angosto. La necesidad de bombeo con pendiente alta p:facilitar el drenaje entra un poco en conflicto con la necesidad de pendientes relativamente s_

ves para la comodidad de los conductores. Por tanto, la selección de una pendiente de bomt ?adecuada, es generalmente un balance entre los dos requerimientos. Se ha determinado que u:pendiente de bombeo del 2 por ciento o menores, no afectan notoriamente la comodidad deconductores, en especial respecto al esfuerzo del conductor en el volante. En el capítulo 16presentaron los valores recomendados de bombeo para diferentes acotamientos y tipos de pa

mentó.

Pend ien tes long i tud ina les

Se requiere un gradiente mínimo en la dirección longitudinal de la vía para obtener una pe:diente adecuada en los canales longitudinales, especialmente en las secciones de corte. En genral la pendiente de un canal longitudinal no debe ser menor que 0.2 por ciento, para víasterreno muy plano. Aunque pueden usarse pendientes del 0 por ciento en pavimentos sin bedillo con adecuado bombeo, se recomienda un mínimo de 0.5 por ciento en pavimentos cbordillo. Esto puede reducirse a 0.3 por ciento en pavimentos que tengan una corona adecúa:

de tipo elevado construidos sobre suelo firme.


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Cap. 17 Drenaje en carreteras 765

Canales long i tud ina les

Los canales longitudinales (zanjas) se construyen a lo largo de los lados de la vía, para recolectarel agua superficial que corre como escurrimiento directo de la superficie del pavimento, de los dre-

nes subsuperficiales y de otras áreas del derecho de vía. Cuando el pavimento de la vía se localizaa un nivel más bajo que el terreno adyacente, tal como en los cortes, se evita que el agua fluya ha-cia el pavimento mediante la construcción de un dren longitudinal (dren interceptor) en la partesuperior del corte para interceptar el agua. Entonces el agua recolectada por las zanjas longitudi-nales se transporta a un canal de drenaje y luego a un cauce natural de agua o a una laguna.

Bordi l los y cunetas

Como se señaló en el capítulo 16, los bordillos y las cunetas pueden usarse para controlar el dre-naje además de otras funciones, que incluyen evitar que los vehículos invadan áreas adyacentes

, y el delineado de las orillas del pavimento. En el capítulo 16 se presentaron varias formas típicasde bordillo y cunetas. Los bordillos y las cunetas se emplean con mayor frecuencia en las zonasurbanas, especialmente en zonas residenciales, donde se usan conjuntamente con sistemas colec-tores de agua pluvial para controlar el escurrimiento directo de las calles. Cuando sea necesarioconstruir secciones continuas de bordillo relativamente largas en zonas urbanas, las alcantarillasde los colectores de agua pluvial deben diseñarse adecuadamente tanto en tamaño como en espaciamiento, para evitar el remanso de grandes cantidades de agua en la superficie del pavimento.

-CTURAS DE DRENAJE DE LAS VÍAS

Las estructuras de drenaje se construyen para llevar el tránsito encima de los cauces naturales deagua que pasan por debajo del derecho de vía. Estas estructuras también permiten el flujo de aguapor debajo de la carretera, a lo largo del canal natural, sin una alteración o perturbación impor-tante de su curso normal. Una de las principales preocupaciones del ingeniero de vías es cons-truir una estructura de tamaño adecuado, de modo que la abertura del cauce de agua seasuficientemente grande para descargar el flujo esperado de agua. Las estructuras que no tienenun tamaño adecuado pueden causar el remanso del agua, lo que puede conducir a una falla delas secciones adyacentes de la carretera debido a que los terraplenes van a quedar sumergidos?ajo el agua por mucho tiempo.

Las dos categorías generales de estructuras de drenaje son mayores y menores. Las estructu-ras mayores son las que tienen una abertura libre mayor que 20 pies, mientras que las estructurasmenores tienen una abertura libre igual o menor que 20 pies. En general las estructuras mayo-res son puentes grandes, aunque también pueden incluirse en esta categoría las alcantarillas de;imensiones diversas. Las estructuras menores incluyen puentes pequeños y alcantarillas.

Estructuras mayores

1 estudio de los diferentes tipos de puentes está fuera del alcance de este libro. Por tanto, el énfas radica en la selección de las dimensiones para estas estructuras. La cubierta del puente debe

calizarse arriba del nivel de aguas máximas. La altura libre arriba del nivel de aguas máximas’ípende de si el cauce de agua es navegable. Si el cauce de agua es navegable, la altura libre por


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Parte 4 Localización, diseño geométrico y drenaje

encima del nivel de aguas máximas debe permitir el paso del barco más grande que use el car l tal que éste pueda pasar por debajo del puente sin tocar la estructura. La altura libre, el tipo :espaciamiento de las pilas también dependen de la probabilidad de atascamientos de hielo y el £ ,do hasta el cual aparecen troncos y desechos flotantes en el cauce de agua durante las crecier:.

Un estudio de los bancos a ambos lados del cauce de agua va a indicar la ubicación de .nea de aguas máximas, ya que comúnmente esto se asocia con las señales de erosión y de iadepósitos de residuos. Los residentes locales, que han vivido cerca y han observado el caû .agua de las crecientes durante muchos años, también pueden proporcionar información cor."ble acerca de la localización de la línea de aguas máximas. Los limnímetros o los aforadores qu ihan instalado en el cauce de agua por muchos años, también pueden suministrar datos que :den usarse para ubicar a la línea de aguas máximas.

Est ructuras menores

Las estructuras menores, que consisten en puentes de luz corta y alcantarillas, son los tipos

comunes de estructuras de drenaje en las carreteras. Aunque las aberturas de estas estructura iestán diseñadas para adecuarse a las condiciones de avenidas extremas, deben ser suficientemt :grandes para alojar a las condiciones de flujo que puedan presentarse durante la vida útil es:rada de la estructura. También deben tomarse medidas para evitar la obstrucción de la estrtura debido a desechos sólidos y cantos provenientes de los taludes laterales.

Figura 17.1 Diferentes tipos de alcantarillas (continúa).

FUENTE: J.M. Normann, R.J. Houghtalen, W.J. Johnston, Hydraulic Design of Highway Culverts (Diseño hid- lico de alcantarillas para carreteras), Reporte No. FHWA-IP-85-15, Departamento de Transporte de Estados Un;: Oficina de Implementación, McLean, Va., septiembre de 1985.

(a) Alcantarilla en arco de metal corrugado (ARMCO)


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Las alcantarillas se construyen con diferentes materiales y de diferentes formas. Los materia-les que se usan para construir alcantarillas incluyen el concreto (reforzado y sin refuerzo), acerocorrugado y aluminio corrugado. También pueden emplearse otros materiales para revestir elinterior de la alcantarilla para evitar la corrosión y la abrasión, o para reducir la resistenciahidráulica. Por ejemplo, puede usarse concreto asfáltico para revestir a las alcantarillas de metal

corrugado. Los diferentes perfiles que normalmente se usan en la construcción de alcantarillasincluyen las formas circular, rectangular, (en cajón), elíptica, arco de tubo, cajón metálico y ar-co. En la figura 17.1 (a) se muestra una alcantarilla en arco de metal corrugado y en la figura17.1 (b) se muestra una alcantarilla rectangular (en cajón).

(b) Alcantarilla rectangular (en cajón)

Figu ra 17.1 Diferentes tipo s de alcantari llas (continuación).

FUENTE: Fotografía de Lewis Woodson, Consejo de Investigación del Transporte de Virginia, Charlottesville, Va. Utilizado con autorización.

MROL DEL SEDIMENTO Y DE LA EROSIÓN

El flujo continuo del agua superficial sobre los acotamientos, taludes laterales y canales no reves-tidos, con frecuencia conduce a la erosión del suelo de las áreas adyacentes al pavimento. La ero-sión puede conducir a condiciones que son perjudiciales para la estructura del pavimento y paraotras instalaciones adyacentes. Por ejemplo, la erosión del suelo del acotamiento y de los taludeslaterales puede conducir a una falla de las secciones de terraplén y de corte, y la erosión del sue-lo de los canales de las carreteras con frecuencia conduce a la contaminación de los lagos y

corrientes cercanas. La prevención de la erosión es un factor importante cuando se está conside-rando el drenaje de la carretera, tanto durante la construcción como cuando se termina la mis


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ma. A continuación se discuten brevemente los métodos que se usan para evitar la erosión y :ra el control del sedimento.

Drenes interceptores

La construcción de un dren interceptor en la parte superior de un corte, ayuda a evitar la e:sión de los taludes laterales de secciones del corte, ya que se intercepta al agua y se evita que : ya libremente por el talud en dirección descendente. El agua se recolecta y se transporta endren interceptor hacia vertedores pavimentados, que se colocan en ubicaciones estratégicas a _lado del corte. Entonces el agua se transporta a través de estos vertedores protegidos hacia las z¿

jas longitudinales a lo largo de la carretera.

Bord i l los y cunetas

Los bordillos y cunetas se pueden usar para proteger de la erosión a los acotamientos sin pa

mentar en las carreteras rurales. Se colocan a lo largo de la orilla del pavimento de modo queevita que el agua superficial fluya sobre el acotamiento sin pavimentar y lo erosione. Los borclíos y las cunetas también pueden emplearse para proteger dé la erosión a los taludes de los terr.plenes cuando se use un acotamiento pavimentado. En este caso, los bordillos y las cunetascolocan en la orilla exterior del acotamiento pavimentado, y entonces el agua superficial es corducida a los vertedores pavimentados que se ubican en posiciones estratégicas, y se transpor.hasta el dren longitudinal en la base del terraplén.

Cubierta de césped

El uso de una capa firme de césped en los acotamientos sin pavimentar, en las zanjas, en los terr.plenes y en los taludes en corte, es un método eficiente y económico de evitar la erosión cuan ;los taludes son más suaves que 3 a 1. La capa de césped comúnmente se desarrolla sembrando di:rentes tipos adecuados de grama inmediatamente después de la nivelación. La principal desve:taja de cubrir el acotamiento con césped, es la falta de resistencia al tránsito continuo, ya qapierde su firmeza en condiciones de precipitación pluvial intensa.

Revest imiento de ta ludes y cana les

Cuando la carretera está sujeta a una amplia erosión, es necesaria una acción preventiva más efe

tiva que cualquiera de las ya descritas. Por ejemplo, cuando los taludes en corte y terraplén s:empinados y se ubican en zonas montañosas sujetas a precipitación o nieve intensas, deb;tomarse medidas adicionales para evitar la erosión. Un método que comúnmente se usa es revetir la superficie del talud con un tratamiento rugoso o también piedra colocada a mano.

El revestimiento en canales también ,seusa para proteger de la erosión a los canales longir_dinales. El revestimiento se coloca a lo largo de los lados y en el fondo del dren. Los revestimiertos protectores pueden clasificarse en dos grupos generales: flexibles y rígidos. Los revestimien:flexibles incluyen mezclas bituminosas de baja densidad y rugosos en roca, mientras querevestimientos rígidos incluyen concreto de cemento Portland y suelo cemento. Los revestimiertos rígidos son mucho más efectivos para prevenir la erosión en condiciones adversas pero tan

bién son más caros y debido a su lisura, tiende a crear velocidades inaceptablemente altas en


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extremo del revestimiento. Cuando el uso de un revestimiento rígido conduce a velocidades al-tas, debe colocarse un disipador de energía adecuado en el extremo inferior del canal para evitarla erosión excesiva. El disipador de energía no se requiere si el agua se descarga en una corrienterocosa o en una fosa profunda. Más adelante se presentan en este capítulo los procedimientos

detallados de diseño de revestimientos bajo el subtítulo de “Diseño de canales”.

Contro l de la eros ión durante la construcc ión

Durante la construcción de una carretera, se requieren precauciones especiales para controlar laerosión y la acumulación de sedimentos. Entre las técnicas que se emplean están: cuencas de sedi-mentación, presas, vallas de alubión/ barreras de cascajo, barreras de setos, diques de desviación,cunetas con pendiente y estanques de desagüe.

Se requieren estanques de sedimentación cuando fluye escurrimiento superficial a través de un

•área perturbada, que proviene de un área de drenaje que es mayor que 3 acres. El estanque per-mite el embalse del escurrimiento superficial que lleva sedimento y entonces el sedimento sedecante. Laspresas de contención se usan para aminorar la velocidad de un flujo concentrado deagua y se construyen con materiales locales como roca, troncos o pacas de paja. Losgaviones sefabrican con material de alubión y se refuerzan con malla de acero. Las barreras de setos se hacende material de escombro de construcción proveniente del sitio de la obra, con frecuencia com-binado con tejido de filtrado. Un dique de desviación es un montículo de tierra que desvía el aguahacia una cuenca de sedimentación. Las cunetas o canales con pendiente se usan para conduciragua cuesta abajo, evitando la erosión antes de la construcción de un conducto de desagüe perma-nente. Los estanques de sedimentación son áreas que permiten el bombeo de agua con sedimento.

'»SIDERACIONES HIDROLÓGICAS

La hidrología es la ciencia que estudia las características y la distribución del agua en la atmósfe-ra, sobre la superficie de la Tierra y en el suelo. El fenómeno básico en la hidrología es el cicloque consiste en la precipitación que cae sobre el suelo en forma de agua, nieve, granizo, etc. y re-gresa a la atmósfera en forma de vapor. En la hidrología es común referirse a todas las formas deprecipitación como precipitación pluvial; la precipitación se mide en términos de la altura equi-

valente del agua que se acumula en la superficie del terreno.

Los ingenieros de carreteras se interesan principalmente en tres propiedades de la precipitación:la tasa de caída (velocidad de caída de la lluvia), que se conoce como intensidad, el intervalo detiempo para una intensidad dada, que se conoce como duración-, y el número probable de años que

van a transcurrir antes de que se repita una combinación dada de intensidad y duración, que seconoce como frecuencia. El U.S. Weather Bureau (Oficina Meteorológica de Estados Unidos) tie-ne una red de instrumentos automáticos de precipitación que recolectan datos de intensidad yduración en todo el país. Estos datos se usan para dibujar curvas de intensidad de la precipitaciónde las cuales puede obtenerse la intensidad de la precipitación para un periodo de retorno y unaduración dadas. La figura 17.2 es un ejemplo de un conjunto de curvas de intensidad de precipi-

tación, y en la figura 17.3 se muestra la intensidad de precipitación para diferentes partes de Esta-dos Unidos, para una tormenta de 1hora de duración y una frecuencia de 1 año. El uso de las


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I n t e n s i d a d

d e

p r e c i p i t a c i ó n

( p u l g a d a s / h o r a )

HORAS

Figura 17.2 Curvas de intensidad de precipitación.

FUENT E: G .S. Koslov, Roa4M Mitf Mt>• I Nt t )¡H ll i f t1 lili itt 1í I |1tfllM

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P a r t e

4

L o c al i z a c i ó n , d i s

eñ o

g e om é t r i c o

y d r en a j e


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Figura 17.3 Intensidades de precipitación para una duración de una hora que ocurren para una frecuencia de una vez al año.

FUENTE: Reproducido de Rainfall Frequency Atlas ofthe United States (Atlas de frecuencias de precipitación en Estados Unidos), Departamento de Comercio de Estados Unidos, Washington, D.C., 1981.

R A N A D A0.6 PULGADAS/HORA'

PULGADAS/HORA

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0.6 PULGADAS/HORA»

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1.00.8 ' 0.6 \ J 0.8*\

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2.0 PULGADAS/HORA

M E X I C O G O L F O D E MÉXIC O

C a p .

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Dr en a j e

en

c ar r e t er a s

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Parte 4 Localización, diseño geométrico y drenaje

curvas de intensidad de la precipitación se ilustra en la figura 17.2. Se obtuvo una intem .:1.57 pulgadas/hora para una tormenta de 10 años que tuvo una duración de 1.30 horas.

Observe que cualquier estimación de intensidad, de duración o de frecuencia de precipita;se haga a partir de estos datos, se basa en las leyes de las probabilidades. Por ejemplo, si una

lia se diseña para desalojar una avenida de “100 años”, entonces la probabilidad es 1entre 10í _la alcantarilla va a fluir llena para un año dado. Esto no significa que se presentará una precipita;la intensidad y duración de diseño exactamente una vez cada 100 años. De hecho, es probable q_:dan presentarse precipitaciones de mayor intensidad una o más veces antes de un periodo de :de 100 años, aunque la probabilidad de este evento es baja. Esto sugiere que las instalaciones d.naje deben diseñarse para tormentas muy poco comunes, para reducir hasta un mínimo la posde un sobre flujo. Sin embargo, el diseñar para esta condición resulta en instalaciones muy gran.:hacen que el costo de la instalación de drenaje sea muy alto. Por tanto, la decisión acerca de ci—cuencia seleccionar para propósitos de diseño debe basarse en una comparación del costo de cap.la instalación de drenaje, con el costo para el público en caso de que la carretera sea gravemente cL\ i

por el escurrimiento directo de una tormenta. Los factores que se consideran para tomar esta de. .incluyen la importancia de la carretera, el volumen de tránsito en la carretera y la densidad de :ción del área. En la tabla 17.1 se muestran las frecuencias de tormenta recomendadas, denorr_como periodos de retorno, para diferentes clasificaciones de vías.

Otras variables hidrológicas que emplea el ingeniero para determinar la tasa de escurrirrdirecto superficial son área de drenaje, coeficiente de escurrimiento directo y tiempo de concentr.

El área de drenaje, es el área del terreno que contribuye al escurrimiento directo para e. :to donde debe determinarse la capacidad del canal. Normalmente esta área se determinamapa topográfico.

El coeficiente de escurrimiento directo, C, es la relación del escurrimiento directo entre la :pitación para el área de drenaje. El coeficiente de escurrimiento directo depende del tipo de cl‘>eta del suelo, de la pendiente del área de drenaje, de la duración de la tormenta, de la huirantecedente y de la pendiente del suelo. Se han hecho varias sugerencias para ajustar el valor .respecto de la duración de la tormenta, la humedad antecedente y otros factores. Sin embargobablemente estos ajustes no son necesarios para las áreas de drenaje pequeñas. Por tanto, se us¿~lores promedio que se supone son constantes para cualquier tormenta dada. En la tabla 47.2 s.los valores representativos de C para diferentes superficies con escurrimiento directo.

En casos en los cuales el área de drenaje tiene características diferentes de terreno, cortintos coeficientes de escurrimiento superficial, se calcula un valor representativo Cwmee

la determinación del coeficiente ponderado usando la ecuación 17.1.

S Q A t

Cw= ~ -------

i= 1

dondeCw—coeficiente ponderado de escurrimiento directo para el área de drenaje totalC¿ = coeficiente de escurrimiento directo para la cuencai

A¿ = área de la cuenca i (acres)

n = número de las diferentes cuencas en el área de drenaje


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Tabla 17.1 Lincamientos para la selección de la tormenta de diseño

Clasificación del camino Probabilidad de excedencia Periodo de retornoSistema rural arterial principal 2% 50 añosSistema rural arterial secundario 42% 2550 añosSistema rural colector principal 4% 25 añosSistema rural colector secundario 1 10% 10 añosSistema rural de vías locales 2010% 510 añosSistema urbano arterial principal 42% 2550 añosSistema urbano de vías arterias 4% 25 años

secundariosSistema urbano de vías colectoras 10% 10 añosSistema urbano de vías locales 2010% 510 años

Nota: La ley federal requiere que las carreteras interestatales estén protegidas del evento de la avenida del2por cien-

•to, y las instalaciones como los pasos a desnivel inferiores, carreteras deprimidas, etc., donde no se dispone de aliviopara el sobreflujo, deben diseñarse para el evento del 2 por ciento.FUENTE: Model Drainage Manual (Manual de tipos de drenaje ), Sociedad Norteamericana de Funcionarios Estatales de Transporte y de Carreteras (American Association of State Highway and Transportation Officials), Washing

ton, D.C., 1991.

Tabla 17.2 Valores del coeficiente de escurrimiento directo, C

Tipo de superficie Coeficiente, C* Areas rurales

PavÍPñento asfáltico con recubrimiento de concreto 0.80.9Pavimento tipo macadam de asfalto 0.60.8Caminos o acotamientos de grava 0.40.6Tierra sin revestimiento 0.20.9

Areas empinadas recubiertas con césped (2:1) 0.50.7Explanada con césped 0.10.4

Areas boscosas 0.10.3Campos cultivados 0.20.4

Areas urbanas Area residencial plana, con aproximadamente 30 por ciento de área impermeable 0.40 Área residencial plana, con aproximadamente 60 por ciento de área impermeable 0.55

Área residencial moderadamente empinada, conaproximadamente 50 por ciento de área impermeable 0.65 Área construida moderadamente empinada, con

aproximadamente 70 por ciento de área impermeable 0.80Comercial plana, con aproximadamente 90 por ciento

de área impermeable 0.80

‘Para pendientes suaves o suelo permeable, use los valores inferiores. Para pendientes pronunciadas o suelo impermea

ble, use los valores más altos.

FUENTE: Adaptado de George S. Koslov, Road Surface Drainage Design, Construction and Maintenance Guidefor Pavements (Guía para pavimentos de diseño, construcción y mantenimiento del drenaje para la superficie de los caminos),

Reporte No. FHWA/ NJ-82-004, Estado de Nueva Jersey, Departamento de Transporte, Trenton, N.J., junio de 1981.


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El tiempo de concentración, Tn es el tiempo que se requiere para que el escurrimiento ásefluya desde el punto de la cuenca más alejado hidráulicamente, hasta el punto de Ínteres artro de la cuenca. Debe determinarse el tiempo de concentración para un área de drenajeobjeto de seleccionar la intensidad promedio de la precipitación para una frecuencia de nrrencia seleccionada. El tiempo de concentración depende de varios factores, incluye ram_•

forma del área de drenaje, tipo de superficie, pendiente del área de drenaje, intensidad de ..cipitación y si el flujo escurre totalmente sobre el terreno o está parcialmente canalizad:,general el tiempo de concentración consta de una o más de tres componentes de tiempo dei lado, dependiendo de la ubicación de los sistemas de drenaje. Éstos son los tiempos de t .bre el terreno, flujo en el drenaje pluvial o en la cuneta (especialmente en áreas urbanas ien el canal.

Los procedimientos y las ecuaciones que se usan para calcular el tiempo de traslad;tiempo de concentración son los siguientes.

El agua viaja por una cuenca como flujo laminar, flujo concentrado poco profundo, :

canales abiertos, o como una combinación de cada flujo por separado. El tipo de flujo o :̂presenta depende de la situación física de los alrededores, lo que debe verificarse mediante iinspección de campo. El tiempo de traslado es la relación de la longitud del flujo entre la cidad promedio del flujo.

T¡ = Z/ 3600 V

donde

T¡ = tiempo de traslado para la sección i, en la cuenca (horas) L = longitud del flujo (pies)V = velocidad promedio (pies/ segundo)

El tiempo de concentración, Tc, es la suma de T¡ para los diferentes elementos dentro ccuenca. Entonces,

0

m

- Tc= 2 Ti^ i

dondeTc= tiempo de concentración (horas)T¿ = tiempo de traslado para el segmento ¿‘(horas)m —número de segmentos

I

La velocidad del flujo laminar depende de la pendiente y del tipo de superficie del área ;cuenca. En la figura 17.4 se proporciona la velocidad promedio para diferentes tipos de sup.cié como una función de la pendiente del terreno. Por ejemplo, si un curso de agua que se ;sifica como “suelo sin recubrimiento vegetal” tiene una pendiente promedio de 5 por cienr

velocidad promedio es aproximadamente de 2.2 pies/ segundo.


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.1 .2 3 .5 I 2 3 5 10 2 0

VELOCIDAD, V (PIES/SEGUNDOS)

Figura 17.4 Velocidad1promedio para flujo superficial.

FUENTE: Departamento de Transporte de Estados Unidos, Administración Federal de Carreteras, Circular de hidrología e ingeniería hidráulica, No. 19, 1984.

El tiempo de traslado para el flujo en una cuneta o un drenaje pluvial es la suma de los tiem-

pos de traslado de cada componente en el sistema de cuneta, o de drenaje pluvial o de ambos,entre la entrada y la salida más alejadas. Aunque la velocidad de los diferentes componentes pue-de ser diferente, el uso de una velocidad promedio para el sistema completo generalmente noconduce a errores grandes. Cuando las cunetas son poco profundas, puede usarse la curva parael flujo sobre el terreno en áreas pavimentadas mostrado en la figura 17.4 para determinar la

velocidad promedio.El tiempo de traslado en un canal abierto se determina de una manera similar al del flujo en

una cuneta o en un drenaje pluvial. Sin embargo, en este caso, la velocidad del flujo en un canalabierto debe determinarse primero mediante el uso de una ecuación apropiada como la fórmulade Manning’s. Esto se estudia posteriormente con más detalle en el capítulo bajo el subtítulo de

“Diseño de canales”.


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Determinac ión de l escur r im ien to d i rec to

La cantidad de escurrimiento directo para cualquier combinación de intensidad y duradepende del tipo de superficie. Por ejemplo, el escurrimiento directo será mucho más ;pendientes impermeables rocosas o sin capa vegetal en techos y en pavimentos, que e

arada o en bosque altos. Por tanto el ingeniero de carreteras está interesado en la determirde la proporción de la precipitación, que permanece como escurrimiento directo. Esta dnnación no es fácil ya que la tasa de escurrimiento directo para cualquier área, dada durar.:sola precipitación generalmente no es constante. Se dispone de varios métodos para la cción del escurrimiento directo, pero solamente se presentan dos métodos que se usan ccnmente.

El método racional

El método racional se basa en la premisa de que la tasa de escurrimiento directo para cu¿u

tormenta, depende de la intensidad promedio de la tormenta, el tamaño del área de dren¿tipo de superficie del área de drenaje. Observe que para cualquier tormenta dada, la inrerüde la precipitación generalmente no es constante para un área grande, ni tampoco duran:; .ración completa de la tormenta. Por tanto la fórmula racional utiliza la teoría de que pi:precipitación de intensidad promedio, /, que cae sobre un área impermeable de tamaño A sa máxima de escurrimiento directo a la salida del área de drenaje Q, ocurre cuando toda :de drenaje está contribuyendo al escurrimiento directo y esta tasa de escurrimiento dir;constante. Esto requiere que la duración de la tormenta sea cuando menos igual al tie~concentración, que es el tiempo requerido para que fluya el escurrimiento directo desde e.to más alejado del área de drenaje hasta la salida. En la práctica no siempre se satisface esa

dición, especialmente en áreas de drenaje grandes. Por tanto se acostumbra el uso de la fccracional para áreas de drenaje relativamente pequeñas no mayores que 200 acres. La fórrrcional está dada como

Q = CIA

dondeQ = tasa pico de escurrimiento directo (pie3/segundos)

A = área de drenaje (acres)/ = intensidad promedio para una frecuencia seleccionada y una duración igual a

menos el tiempo de concentración (pulgadas/horas)C = un coeficiente que representa a la fracción de precipitación que permanece en 1¿

ficie del terreno (coeficiente de escurrimiento directo)

Aunque la fórmula no es dimensionalmente correcta, los resultados de los estudios indiCLuna precipitación de 1pulgada/ hora que cae sobre un área de 1acre, produce un escurrídirecto de 1.008 pie3/segundos si no hay pérdidas. Por tanto el valor Q del escurrimienr :to es casi exactamente igual al producto de / por A. El coeficiente C toma en considera;pérdidas debidas a la infiltración y a la evaporación. Los valores de C pueden obtenerse c;bla 17.2.


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Tipio 17.1 Cálculo de la tasa de escurrimiento directo con el uso de la fórmula racional

Un área rural de drenaje de 175 acres consta de tres cuencas de diferentes características comosigue:

Areas de pendiente con pastizal = 50 por ciento

Áreas forestales = 30 por ciento

Campos de cultivo = 20 por ciento

Si el tiempo de concentración del área de drenaje es de 1.5 horas, determine la tasa de escurri-miento directo para una tormenta con una frecuencia de 100 años. Suponga que las curvas deintensidad de precipitación de la figura 17.2 son aplicables a esta área de drenaje.

S o l u c i ó n: Primero debe determinarse un coeficiente ponderado de escurrimiento directo pa-ra toda el área de drenaje. De la tabla 17.2, los valores de punto medio para los diferentes ti-pos de superficie son

Áreas de pendiente con pastizal = 0.6

Áreas forestales = 0.2

Campos de cultivo = 0.3

C = 175(0.5 X 0.6 + 0.3 X 0.2 + 0.2 X 0.3) = 42175

La intensidad de la tormenta para una duración de cuando menos 1.5 horas (tiempo de con-centración) y una frecuencia de 50 años, se obtiene de la figura 17.2 como aproximadamente2.2 pulgadas/hora. De la ecuación 17.4,

Q = 0.42 X 2.2 X 175 = 162 (pies3/segundos)

Método del Servicio de Conservación de Suelos de Estados Unidos (SCS), TR-55

Para la determinación del escurrimiento directo superficial en la ingeniería de carreteras, se usacomúnmente un método desarrollado por el Servicio de Conservación de Suelos de EstadosUnidos (SCS). Este método, denominado TR55, puede usarse para estimar los volúmenes deescurrimiento directo y la tasa pico de descarga.

El método TR55 consta de dos partes. La primera determina el escurrimiento directo h en

pulgadas. La segunda estima la descarga pico con el uso del valor de h obtenido de la primeraparte y de una gráfica que relaciona el tiempo de concentración (horas) con la descarga pico uni-tario (pie3/segundos/mi2/ pulgada).


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La premisa fundamental que se usa en el desarrollo de este método es que la prorundidad dela capa del escurrimiento directo h en pulgadas, depende de altura de precipitación P en pulga-das. Parte de la precipitación que se presenta en la etapa inicial de la tormenta, que s conocecomo abstracción inicial (/ J, no va a ser parte del escurrimiento directo. La retencicr máxima

potencial S de la superficie (un concepto similar al valor de C en el método racional) es unamedida de la impermeabilidad del área de la cuenca. La ecuación del SCS es

¡P - n 2 (/> Q.2S)2

h ~ (P - Ia) + s ~ p+ °85

dondeh —escurrimiento directo (pulgadas)

P —altura de precipitación (en 24 horas)S —retención máxima potencial después del inicio del escurrimiento directo (pujadas)

Ia = abstracción inicial, incluyendo almacenamiento superficial, intercepción e infiltraciónprevia al escurrimiento directo. La relación entre Ia y S, desarrollada empíricamente delos datos de la cuenca, es Ia = 0.2S.

Para calcular la descarga pico usamos la siguiente ecuación:

q¡, = q'pAh ^

donde

qp = descarga pico (pie3/ segundos) A = área de la cuenca de drenaje (mi2)h —escurrimiento directo (pulgadas)

q'p = descarga pico, para el tiempo de concentración de una tormenta de 24 hor¿(pie3/ segundos/mi2/ pulgada); véase la figura 17.5

Para determinar h, primero debe calcularse S, que se determina como •

5= (1000/C/V) 10

dondeCN es el número de la curva de escurrimiento directo, que varía de 0 (permeaK¡ )a 100(impermeable). Observe que los valores elevados de S indican una baja retención ca laprecipitación, mientras que los valores bajos de S indican que el suelo retiene a la mayor partedel agua. 1

El número de la curva de escurrimiento directo considera las características de la cuenca, queincluyen tipo de suelo, uso del suelo, condición hidrológica de la cubierta y humedad del suelo

justo antes de la tormenta (humedad antecedente del suelo). Con objeto de determinar los valo-res de CN, el SCS ha desarrollado sistemas de clasificación para el tipo de suelo, la cubierta y lahumedad antecedente del suelo.


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f igura 17.5 Descarga pico en pie3/segundos/mi2/pulgada de escurrimiento directo contra tiempode concentración, Ta para 24 horas, distribución de tormenta tipo II.

NOTA: Este tipo de curva de distribución de tormentas no es aplicable en todos lados. No es válida para la mayor parte de las regiones costeras, incluyendo regiones que limitan con el Golfo de México.

Los suelos se dividen en cuatro grupos como sigue:

• Grupo A: arena profunda, loess profundo, agregados de limo.

•vGrupo B: loess poco profundo, barro arenoso.• Grupo C: barros arcillosos, barro arenoso poco profundo, suelos con bajo contenido orgá-nico y suelos que generalmente tienen un alto contenido de arcilla.

• Grupo D: suelos de alta expansión en condiciones húmedas, arcilla plástica de gran peso y ciertos suelos salinos.

El uso del suelo y las condiciones hidrológicas de la cubierta se incorporan como se muestraen la tabla 17.3, en la cual se muestran 14 clasificaciones diferentes de uso de suelo. Además, losusos de suelo agrícola se subdividen en tratamientos o prácticas específicas que consideran lasdiferencias del potencial hidrológico del escurrimiento directo entre estos tratamientos o prácti

Tabla 17 . 3 Números de curva de escurrimiento directo para CAH II

Grupo hidrológico de suelo Descripción de uso del suelo/ Tratamiento/ Condición hidrológica A B C D

Residencial1Tamaño promedio Porcentaje promedio

de lote: de impermeabilidad:2ls de acre o menor 65 77 85 90 92

/4de acre 38 61 75 83 87/3de acre 30 57 72 81 86

continúa


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Tabla 17.3 Números de curva de escurrimiento directo para CAH II (cont inuación)

Grupo hidrológico de su¿

D escripción de uso del suelo/ Tratamiento/ Condición hidrológica A B C Di //2acre 25 54 70 80 85

1acre 20 51 68 79 84Lotes de estacionamiento pavimentados, 98 98 98 98

techos, calzadas, etcétera3Calles y caminos

Pavimentados con bordillo y alcantarillado pluvial3 98 98 98 98Grava 76 O O 89 91Terracería 72 82 87 89

Areas comerciales y de negocios 89 92 94 95

(impermeable en 85 por ciento)

Distritos industriales (impermeable en 72 por ciento) 81 88 91 93Espacios abiertos, prados, parques, campos de golf,

cementerios, etcéteraBuena condición: cobertura de pasto del 75 por ciento 39 61 74 80

o más del área

Condición regular: cobertura de pasto del 50 al 49 69 79 84

75 por ciento del área

Barbecho

Surco recto — 77 86 91 94Sembrados en surco vS-

Surco recto Deficiente 72 81 88 91Surco recto Bueno 67 78 85 89

En contorno Deficiente 70 79 84 88En contorno Bueno 65 75 82 86En contorno y en terraza Deficiente 66 74 80 82En contorno y en terraza Bueno 62 71 78 81

Grano pequeño


En contorno Deficiente 63 74 •82 85

En contorno Bueno 61 73 81 84

En contorno y en terraza Deficiente 61 72 79 82En contorno y en terraza Bueno 59 70 78 81

Leguminosas o cultivos en vaina4o praderas con rotación de cultivos


En contorno Deficiente 64 75 83 85

En contorno i Bueno 55 69 78 83

En contorno y en terraza Deficiente 63 73 80 83

En contorno y en terraza Bueno 51 67 76 80

Pasto o pastizal Deficiente 68 79 86 89Regular 49 69 79 84

Bueno 39 61 74 80

En contorno Deficiente 47 67 81 88continúa


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Tabla 17.3 Números de curva de escurrimiento directo para CAH II (cont inuación)

Grupo hidrológico de suelo Descripción de uso del suelo/ Tratamiento/ Condición hidrológica A B C D

En contorno Regular 25 59 75 83

En contorno Bueno 6 35 70 79Pradera Bueno 30 58 71 78

Bosques o tierra forestal Deficiente 45 66 77 83Regular 36 60 73 79

Bueno 25 55 70 77Granjas — 59 74 82 86

1Los números de curva se calculan suponiendo que el escurrimiento directo que viene de las casas y del camino, es dirigido hacia la calle con un mínimo de agua del techo que va hacia los prados donde puede ocurrir infiltración adi

cional.

2S£ considera que las áreas permeables restantes (prados) están en buena condición de pastizal, para estos números de curva.’Para algunos climas más cálidos del país, puede usarse un número de curva de 95.

4En tierra removida con azadón.

FUENTE: Adaptado de Richard H. McCuen, A Guideto Hydrologic Analysis UsingSCS Methods (Guía de análisis hidrológico con el uso de los métodos del SCS), derechos de autor © 1982. Reimpreso con la autorización de Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs, N.J.

cas. La condición hidrológica se considera en términos del nivel de la administración del terreno,

que se da en tres clases: deficiente, regular y buena.El efecto de la condición de la humedad antecedente (CHA) sobre la tasa del escurrimientodirecto se considera clasificando a la condición del suelo en tres categorías:

• Condición I: el suelo está seco pero no hasta el punto de resequedad; se pueden realizar cul-tivos satisfactorios.

• Condición II: condición promedio.• Condición III: en los últimos cinco días se han presentado precipitación intensa, o precipi-

tación ligera con bajas temperaturas; suelos saturados.

En la tabla 17.4 se proporcionan límites estacionales de precipitación como lincamientos paradeterminar la condición de humedad antecedente (CHA). Observe que los números de CN enla tabla 17.3 son para la CHA II. Cuando exista la condición de humedad antecedente I o III,se usa la tabla 17.3 para determinar el valor deCN para la condición II, y entonces se usa la tabla17.5 para obtener el valor apropiado ya sea para la condición I o la III.

La primera tarea en la segunda parte del procedimiento es determinar la descarga unitaria,(q'„) (pie3/ segundos/mi2/pulgada) de la figura 17.5, que relaciona al tiempo de concentración(horas) con la descarga pico unitaria para una tormenta del tipo II de 24 horas, que puede apli-carse a la mayor parte de Estados Unidos, excluyendo a la mayor parte de las regiones de la costa.


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Ejemplo 17.2 Cálculo del gasto pico usando el método TR-55

Un área de drenaje de 0.5 mi2consta de 20 por ciento de área residencial (lotes de '/2acrepor ciento de cultivos en surco con dirección recta y una buena condición hidrológica y 50 :■

ciento de área boscosa con una buena condición hidrológica. Si el suelo se clasifica como gr_:C, con una CHA III, determine la descarga pico si la precipitación de 24 horas es de 6 pu._\das y el tiempo de concentración es de 2 horas.

Soluc ión: Primero debe determinarse un valor ponderado de CN como sigue:

CN ponderado = 0.2 X 94 + 0.3 X 97 + 0.5 X 87 91.4

1000 1000

s = 10 = ~9TT ~ 10 = 0'94De la ecuación 17.5,

(P ~ 0.2S)2 (6 0.2 X 0.94)2 33.78h= P+ 0.85 = 6 + 0.8 X 0.94 = = 50 Pul8adas

La descarga unitaria pico se determina de la figura 17.5 para un tiempo dé'boncentracide 2 horas, q'p = 190 pie3/ segundos/mi2/ pulgada. De la ecuación 17.6

qp = qpAh

= 190 X 0.5 X 5.0= 475 pie3/ segundos

Uso del suelo/ Tratamiento/ CN para CN paraCondición hidrológica CAH II CAH III

Residencial (lotes de V2acre) (20 por ciento) 80 94

Cultivos en surco/surco recto/ buena (30 por ciento) 85 97Boscoso/buena (50 por ciento) 70 87

Tabla 17.4 Precipitación antecedente total de cinco días (pulgadas)

CAH Estación latente Estación de crecimiento

I 2.1


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Tabla 17.5 Números de curva correspondientes para escurrimiento directopara las condiciones I y III

CNpara la condición II

CN correspondiente para

I

la condición

III

100 100 10095 87 9990 78 9885 70 9780 63 9475 57 9170 51 8765 45 8360 40 79

55 35 7550 31 7045 27 6540 23 6035 19 5530 15 5025 12 4520 9 39

157 33

10 4 26

5 2 170 0 0

FUENTE: Adaptado de Richard H. McCuen, A Guide to Hydrologic Analysis UsingSCS Methods (Guía de análisis hidrológico con el uso de los métodos del SCS), derechos de autor © 1982. Reimpreso con la autorización de Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs, N.J.

DROGRAMA UNITARIO

Un hidrograma es una gráfica que muestra la relación entre el flujo de una corriente (escala de las

ordenadas) y el tiempo (escala de las abscisas). Un hidrograma unitario se obtiene para un escu-rrimiento directo generado por una lámina de agua de 1pulgada de profundidad, distribuida uni-formemente en la totalidad del área de drenaje, para una tormenta dada con una duraciónespecífica. El hidrograma unitario representa a todos los efectos de las diferentes característicasdel área de drenaje como la cubierta del suelo, pendiente y características del suelo, que actúanen forma concurrente. Por tanto el hidrograma unitario da las características del escurrimientodirecto del área de drenaje.

Se ha demostrado que tormentas similares que tienen la misma duración, pero no necesaria-mente la misma intensidad, van a producir hidrogramas unitarios que tienen forma similar. Esto

significa que para un tipo dado de precipitación, la escala de tiempos del hidrograma unitario es


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constante para un área de drenaje dada y sus ordenadas son aproximadamente proporcionales al volumen del escurrimiento directo. Entonces, el hidrograma unitario puede usarse para estimarel escurrimiento directo esperado de tormentas similares que tengan diferentes intensidades

Puede usarse un hidrograma unitario para determinar la descarga pico de áreas de drenaje dehasta 2 000 mi2.

Modelos de computadora para e l drenaje de las carreteras

El uso de modelos de computadora para generar hidrogramas de avenidas, se está haciendo cada vez más común. Algunos de estos modelos simplemente resuelven fórmulas empíricas existentesmientras que otros usan técnicas de simulación. La mayor parte de los modelos de simulaciónrequieren que el área de drenaje se divida en subáreas más pequeñas con características similares.Entonces se sintetiza una tormenta de diseño para cada subárea y se resta el volumen debido apérdidas como infiltración e intercepción. El flujo del agua remanente es luego simulado usando

una rutina de flujo superficial. Los canales adyacentes recolectan el flujo superficial de ias sub-áreas, los cuales finalmente se enlazan para obtener la respuesta total del área de drenaje a k tormenta de diseño.

La validez de cualquier modelo de simulación se incrementa mediante el uso de datos histó-ricos medidos, para calibrar los parámetros del modelo. Una desventaja importante de los mode-los de simulación, es que generalmente requieren de una gran cantidad de datos de entrada y unaamplia experiencia del usuario para obtener resultados confiables.

Cada vez más, el análisis y el diseño del drenaje de las carreteras se concluyen con el uso depaquetes de software, muchos de los cuales están disponibles en microcomputadoras. Afeande los paquetes de computadora son los siguientes:

El Modelo de drenaje de tormentas urbanas de la FHWA, escrito para computadoras mairirame,consta de cuatro módulos: Precipitación, Hidráulica/ Calidad, Análisis y Estimación de eos

La FHWA y la AASHTO han desarrollado un paquete para microcomputadora llamado elHYDRAIN, que consta de varios programas. El programa HYDRO genera gastos de c o, ohidrogramas, a partir de la altura de precipitación y ofrece varias opciones de análisis hidroló-gico, incluyendo el método racional. El programa PFP/ HYDRA es el análisis de*un sistensdrenaje sanitario y pluvial. El programa CDS (Culvert Design System, Sistema de diseño d;tarillas) puede ayudar en el diseño o el análisis de una alcantarilla existente o propuesta. programa Water Surface Profile (WSPRO) (Perfil de la superficie del agua) se usa para el an_ decauces hidráulicos para puentes, para calcular los perfiles de la superficie del agua.

Otros programas de computadora son el SWMM, el modelo de manejo de aguas de tomentas de la EPA, para la planificación y el diseño, STORM, el modelo del Cuerpo de Ingeudel Ejército de Estados Unidos que simula la calidad y la cantidad de los flujos superficie, paralos sistemas de alcantarillado combinado1.

DISEÑO HIDRÁULICO DE LAS ESTRUCTURAS DE DRENAJE EN CARRETERAS

El objetivo final de la determinación de los requerimientos hidráulicos para cualquier estructurade drenaje en carreteras, es proveer un tamaño adecuado de la estructura que maneje al escurrí


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miento directo esperado en forma económica y eficiente. También deben cumplirse ciertos re-querimientos hidráulicos para evitar la erosión y la sedimentación o ambos en el sistema.

Diseño de canales abier tos

Una consideración de diseño importante es que la velocidad del flujo en el canal, no debe ser tanbaja que cause el depósito del material transportado, ni tan alta que cause la erosión del canal.En general la velocidad que satisface a ésta condición depende de la forma y el tamaño del canal, deltipo de revestimiento del canal, de la cantidad de agua que se está transportando y del tipo dematerial suspendido en el agua. El rango más apropiado para la pendiente de un canal, para pro-ducir la velocidad requerida está entre el 1y 5 por ciento. Para la mayoría de los tipos de reves-timiento, la sedimentación generalmente es un problema cuando los taludes son menores al 1por ciento, y ocurrirá una erosión excesiva del revestimiento cuando los taludes sean mayores que

* el 5 por ciento. En las tablas 17.6, 17.7 y 17.8 se dan las velocidades máximas recomendadaspara evitar la erosión.

Tabla 17.6 Velocidad máxima permisible en canales erosionables, con base en el flu jouniforme en canales envejecidos continuamente húmedos

Material

Velocidades

Agua limpia

(pies!segundos)

Agua que lleva limo fino

(pies!segundos)

Agua que lleva arena y grava

(pies/ segundos) Arena fina (no coloidal) 1.5 2.5 1.5Greda arenosa (no coloidal) 1.7 2.5 2.0Greda limosa (no coloidal) 2.0 3.0 2.0Greda sólida común 2.5 3.5 2.2Ceniza volcánica 2.5 3.5 2.0Grava fina • 2.5 5.0 3.7

Arcilla tiesa (muy coloidal) 3.7 5.0 3.0Graduado, de greda a pedruscos; (no coloidal) 3.7 5.0 5.0

Graduado, de limo a pedruscos (coloidal) 4.0 5.5 5.0Limos aluviales (no coloidales) 2.0 3.5 2.0Limos aluviales (coloidales) 3.7 5.0 3.0Grava gruesa (no coloidal) 4.0 6.0 6.5Pedruscos y pedregullos (grava) 5.0 5.5 6.5Lutitas y tepetate 6.0 6.0 5.0

Nota: Para canales sinuosos, multiplique la velocidad permisible por 0.95 para canales ligeramente sinuosos, por 0.9 para canales moderadamente sinuosos y por 0.8 para canales muy sinuosos.

FUENTE: Adaptado de George S. Koslov, Road Surface Drainage Design, Construction and Maintenance Guide for

Pavements (Guía para pavimentos de diseño, construcción y mantenimiento del Drenaje para la superficie de los caminos), Reporte No. FHWA/ NJ-82-004, Estado de Nueva Jersey, Departamento de Transporte, Trenton, N.J., junio de 1981.


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Tabla 17.7 Velocidad máxima permisible del agua para diferentes tipos de revestimientode zanja

V elocidad máxima (pies!segundos)

Revestimiento de suelo naturalLecho de roca o fondo y taludes rugosos 1518Lecho de grava, taludes rugosos 810Grava limpia 67Grava limosa 25Grava arcillosa 57

Arena limpia 12 Arena limosa 23 Arena arcillosa 34Limo 34

Arcilla ligera 23 Arcilla pesada 23

Revestimiento vegetalHierba promedio, suelo resistente a la erosión 45Hierba promedio, suelo fácilmente erosionable 34Hierba densa, suelo resistente a la erosión 68Lecho de grava, taludes matosos 45Malezas densas 56Hierba densa 45

Sauce densos 89Cubrimientos tratadosLecho de grava, taludes de concreto 10Mortero lanzado 810Concreto o asfalto 1820

FUENTE: Adaptado de Drainage Design for New York State (Diseño de Drenaje para el estado de Nueva Yon Departamento de Comercio de Estados Unidos, Washington, D.C., noviembre de 1974.

Debe ponerse atención al punto en el cual el canal descarga en el cauce hidráulico natura

Por ejemplo, si el punto de descarga del canal de drenaje tiene una elevación mucho más alta quel cauce natural, entonces el agua debe descargarse mediante un vertedero o un canal para evitala erosión.

Principios de diseño

El diseño hidráulico de un canal de drenaje para una tormenta dada, implica la determinaciórdel área mínima de la sección transversal del canal que aloje al flujo derivado, y que evite que e.agua rebose por los lados de la canaleta. La fórmula más comúnmente usada para este propositees la fórmula de Manning’s, que supone flujo permanente uniforme en el canal y que da la velo-

cidad media en el canal como


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Tabla 17.8 Velocidad máxima permisible en canales revestidos con bordes uniformesde diferentes cubiertas de pasto bien conservado

1Cubierta

Rango de pendiente

(%)

V elocidad máxima permisible pare?

Suelos resistentes Suelos fácilmente a la erosión erosionables

(pies!segundos) (pies!segundos)

05 8 6Pasto de Bermuda 510 7 5

Mayor que 10 6 4

Pasto de BúfaloHierba sedosa y azulada de Kentucky 05 7 5

Bromo liso (planta herbácea) 510 6 4Grama azul Mayor que 10 5 3

Mezcla de pastos 0 V - A 1 ^ J \ C T

5 41

Lespedeza serícea (trébol del Japón)Pasto llorón ( Eragrostis)

510

f

4 3

Pasto amarillo (Andropogon furcatus)

KiMai AlfalfaPasto trepador ( Digitaria sanguinalis)

05c 3.5 2.5

Lespedeza comúndPasto del Sudánd (Sorghum vulgare sudanensis)

0 1 o 3.5 2.5

“Use una velocidad mayor que 5 pies/ segundos solamente cuando pueda obtenerse una buena cubierta y un mantenimiento apropiado.

bNo usar en taludes mayores que el 10 por ciento.

cNo se recomienda para usarse en taludes mayores que el 5 por ciento.

dAnuales, se usan en taludes suaves o como protección temporal hasta que se instalen cubiertas permanentes.

FUENTE: Adaptado de Drainage Designfor New York State (Diseño de Drenaje para el estado de Nueva York), Departamento de Comercio de Estados Unidos, Washington, D.C., noviembre de 1974.

dondev = velocidad promedio de la descarga (pies/segundos)

R = radio hidráulico medio del flujo en el canal (pies)


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788 Parte 4 Localización, diseño geométr ico y drenaje

_ a~ T

a = área de la sección transversal del canal (pies2) P —perímetro mojado (pies)

S = pendiente longitudinal del canal (pies/pie)n —coeficiente de rugosidad de Manning’s

La rugosidad de Manning’s depende del tipo de material que se usa para revestir la superfi-cie del canal. En la tabla 17.9 se dan valores recomendados del coeficiente de rugosidac de dife-rentes materiales de revestimiento. Entonces el flujo en el canal está dado como

Q = va = l ^ a R ^ s m f

donde Q es la descarga (pies3/ segundos).La Administración Federal de Carreteras [Federal Highway Administration (FHWA)] ha

publicado una serie de cartas para canales con diferente sección transversal, que pueden usarsepara resolver la ecuación 17.9. Las figuras 17.6 y 17.7 son dos ejemplos de estas cartas.

Ya que la fórmula de Manning’s supone flujo estable uniforme en el canal, ahora es necesa-rio discutir los conceptos de flujo estable, inestable, uniforme y no uniforme.'̂

El flujo en canales abiertos puede agruparse en dos categorías: estable e inestable. Cuando latasa de descarga no varía con el tiempo, el flujo es estable; viceversa, el flujo es inestable cuando

la tasa de descarga varía con el tiempo. El flujo estable se agrupa además en uniforme y no uni-forme, dependiendo de las características del canal. Un flujo uniforme se obtiene cuando las pro-piedades del canal como pendiente, rugosidad y la sección transversal, son constantes a io largode la longitud del canal, mientras que se obtiene un flujo no uniforme cuando estas propiedades

varían a lo largo de la longitud del canal. Cuando se obtiene un flujo uniforme en un canal, laprofundidad dy la velocidad vnse toman como normales y la pendiente de la superficie del aguaes paralela a la pendiente del canal. Ya que es muy difícil obtener exactamente las mismas pro-piedades a lo largo del canal, en la práctica es muy difícil obtener las condiciones del flujo uni-forme. Sin embargo, la ecuación de Manning’s puede usarse para obtener soluciones prácticas alos problemas de flujo en corrientes en la ingeniería de carreteras ya que, en la mayor parte ¿e los

casos, el error en que se incurre es pequeño.El flujo en un canal también puede ser lento o rápido. El flujo lento es similar al flujo de

agua en un canal abierto con una pendiente longitudinal relativamente suave, mientras que elflujo rápido es similar al agua que desciende como cascada por una pendiente pronunciada. Laprofundidad para la cual el flujo en un cañal cambia de lento a rápido se conoce como profun-didad crítica. Cuando la profundidad del flujo es mayor que la profundidad crítica, el flujo seconoce como subcrítico. Este tipo de flujo ocurre con frecuencia en corrientes en planicies y enregiones de valles amplios. Cuando la profundidad del flujo es menor que la profundidad crí-tica, el flujo se conoce como supercrítico. Este tipo de flujo prevalece en canalones empinados yen corrientes de montaña. La profundidad crítica también puede definirse como la profundidad


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■ '.9 Coeficiente de rugosidad de Manning's

cerrados: Rango2 de la nde Mannings

.¡Hmbcs ¿c concreco.................................................................................. 0.011 0.013MMBitoaia ie metal corrugado o tubería en arco:

:ii jn ga d o de 22/3por 1/2 pulgada (tubería remachada):3

Laa o completamente revestida................................................ 0.024_ cubierto (los valores de rango varían del 25 al 50 poroekio de la circunferencia recubierta):

Profundidad a tubo lleno..................................................... 0.0210.01811 Flujo con 0.8 de profundidad........................................... 0.0210.016: Flujo con 0.6 de profundidad........................................... 0.0190.013—_̂ ado de 6 por 2 pulgadas (figurado en campo) .......... 0.03

SB¡x le arcilla vitrificada.................................................................. 0.0120.014l ".ttunraade hierro fundido, sin revestimiento............................... 0.013

m a Je acero.......................................................................................... 0.0090.011......................................................................................................... 0.0140.017

«acacH»monolítico:.—ora (formaleta) de madera, rugoso...................................... 0.015-0.017rnóra (formaleta) de madera, liso ............................................. 0.012-0.014

-Imbra (formaleta) de acero........................................................... 0.012-0.013•anas de manipostería de concreto:

¿O' v parte superior de concreto.................................................. 0.017-0.022natural............................................................................................. 0.019-0.025

iiijrsa laminada tratada......................................................................... 0.015-0.017 v— de revestimiento de arcilla vitrificada................................... 0.015

.-jxsdjs abiertos, revestidos4 (alineamiento recto):5 jiraoeto, con superficies como se indica:

-Irabrado, sin acabado...................................................................... 0.013-0.017-jachado con llana o palustre.......................................................... 0.012-0.014-*̂ bado con llana de madera......................................................... 0.013-0.015~ ĥado con llana de madera, un poco de grava en el lecho 0.015-0.017- _nita (mortero lanzado), sección buena................................. 0.016-0.019I- m̂ita, sección ondulada................................................................. 0.018-0.022rcxeto, acabado con llana de madera en el lecho, taludes

se indican:=dratallada en mortero................................................................. 0.015-0.017

'Ledra escuadrada de alturas diversas en mortero.................. 0.017-0.020Limpostería de concreto................................................................. ,0.020-0.025úmpostería de concreto, repellado (acabado liso) .............. 0.016-0.020

Î scajo seco (rugoso) ......................................................................... 0.020-0.030-dw de grava, taludes como se indica:

Concreto cimbrado............................................................................. 0.017-0.020Piedra de diversos tamaños colocada en mortero.................. 0.020-0.023lascajo seco (rugoso)̂ >................................................................... 0.023-0.033ŝerillo.......................................................................................................... 0.0140.017

czlto:

liso .............................................................................................................. 0.013 Rugoso....................................................................................................... 0.016.¿¿era, aplanado, limpio ....................................................................... 0.0110.013; ca excavada revestida con concreto:

Sección buena........................................................................................ 0.0170.020. Sección irregular................................................................................... 0.0220.027..aciales abiertos, excavados4 (alineamiento recto,5,

~iento natural)rrra, sección uniforme:Limpia, recién terminada................................................................. 0.0160.018

Limpia, después de estar al intemperie....................................... 0.0180.020 Con hierba corta, poca maleza...................................................... 0.0220.027 En suelo gravoso, sección uniforme, limpia............................ 0.0220.025

erra, sección bastante uniforme:Sin vegetación........................................................................................ 0.0220.025

Pasto, algunas hierbas......................................................................... 0.0250.030Hierbas densas o plantas acuáticas en canales profundos ... 0.0300.035

Taludes limpios, lecho de grava..................................................... 0.0250.030Taludes limpios, lecho tratado (remendado) ........................... 0.0300.040

xcavado o dragado:

Sin vegetación........................................................................................ 0.0280.033 Matorrales ligeros en los bancos................................................... 0.0350.050Roca:

Basado en la sección de diseño...................................................... 0.035- Basado en la sección media real:

a. Liso y uniforme................................................................................ 0.035-0.040b. Dentado e irregular........................................................................ 0.040-0.045

anales sin mantenimiento, hierbas y matorrales sin cortar:Hierbas densas, tan alta como la profundidad del flujo ..... 0.080.12

I Lecho limpio, matorrales en los taludes..................................... 0.050.08; Lecho limpio, matorrales en los taludes, nivel a una

altura mayor que el flujo ................................................................. 0.070.11:. Matorrales densos, nivel elevado................................................... 0.10-0.14anales de carretera y pantanos con vegetación conservada6 7alores mostrados son para velocidades de 2 y 6 pies por segundo):’’rofundidad del flujo hasta 0.7 pies:1. Pasto de Bermuda, hierba sedosa y azulada de Kentucky,

pasto de Búfalo:a. Podado hasta 2 pulgadas.............................................................. 0.07-0.045b. Longitud de 4 a 6 pulgadas....................................................... 0.09-0.05


Rango2 de la n de Manning’s

2. Estado bueno, cualquier pasto:a. Longitud aproximada de 12 pulgadas.................................. 0.180.09b. Longitud aproximada de 24 pulgadas.................................. 0.30-0.15

3. Estado regular, cualquier pasto:

a. Longitud aproximada de 12 pulgadas................................... 0.140.08b. Longitud aproximada de 24 pulgadas................................... 0.250.13

i B. Profundidad de flujo de 0.7 a 1.5 pies:1. Pasto de Bermuda, hierba sedosa y azulada de Kentucky,

pasto de Búfalo:a. Podado a 2 pulgadas...................................................................... 0.05-0.035b. Longitud 4-6 pulgadas................................................................. 0.06-0.04

2. Estado bueno, cualquier pasto:a. Longitud aproximada de 12 pulgadas................................... 0.120.07b. Longitud aproximada de 24 pulgadas................................... 0.200.10

3. Estado regular, cualquier pasto:a. Longitud aproximada de 12 pulgadas................................... 0.100.06b. Longitud aproximada de 24 pulgadas................................... 0.170.09

V. Cunetas de calles y viaductos: A. Cuneta de concreto, acabado con llana........................................... 0.012B. Pavimento de asfalto:

1. Textura lisa............................................................................................... 0.0132. Textura rugosa....................................................................................... 0.016

C. Cuneta de concreto con pavimento de asfalto:1. Liso.............................................................................................................. 0.013

2. Rugoso....................................................................................................... 0.015D. Pavimento de concreto:1. Acabado con llana de madera......................................................... 0.0142. Acabado con escoba............................................................................ 0.016

E. Para cunetas con pendiente suave, donde puede acumularseel sedimento, incrementar los valores anteriores de n por...... 0.002

VI. Canales de corrientes naturales:8 A. Corrientes menores9(ancho superficial a un nivel de

avenidas menores que 100 pies):1. Sección bastante regular:

a. Algo de pasto y hierbas, poco o ningún matorral............ 0.0300.035b. Crecimiento de hierbas denso, profundidad del flujo

mayor que la altura de la hierba............................................... 0.035-0.05c. Algunas hierbas, matorrales ligeros en los bancos............ 0.0350.05d. Algunas hierbas, matorrales pesados en los bancos......... 0.050.07e. Algunas hierbas, sauces densos en los bancos.................... 0.060.08f. Para los árboles dentro del canal, con ramas sumergidas

en las crecidas, incremente todos los valores anteriores en 0.01-0.022. Secciones irregulares, con charcas, ligeros meandros en el

canal; incrementar los valores dados en lae aproximada-

mente en.................................................................................................. 0.01-0.023. Corrientes de montaña, sin vegetación en el canal, bancosgeneralmente empinados, los árboles y los matorrales a lolargo de los bancos sumergidos en la crecida:a. Lecho de grava, guijarros y pocos cantos rodados........... 0.040.05b. Lecho de guijarros, con cantos rodados grandes............... 0.050.07

B. Llanuras de inundación (adyacentes a las corrientes naturales):1. Pastizal, sin matorral:

a. Pasto corto......................................................................................... 0.0300.035b. Pasto alto............................................................................................ 0.0350.05

2. Áreas cultivadas:a. Sin cosecha......................................................................................... 0.030.04b. Cosecha madura en surcos......................................................... 0.0350.045c. Cosecha madura en campos....................................................... 0.04-0.05

3. Hierbas pesadas, matorrales dispersos......................................... 0.05-0.074. Matorrales ligeros y árboles:10

a. Invierno.............................................................................................. 0.05-0.06b. Verano................................................................................................. 0.06-0.08

5. Matorrales medios a densos:10a. Invierno.............................................................................................. 0.07-0.11

b. Verano................................................................................................. 0.10-0.166. Sauces densos, en verano, no doblados por la corriente .... 0.15-0.207. Terreno desmontado con troncos de árboles, 100 a 150

por acre:a. Sin retoños......................................................................................... 0.04-0.05b. Con crecimiento pesado de retoños....................................... 0.06-0.08

8. Estado con densidad alta de madera, algunos árboles caídos,poca maleza:a. Profundidad del flujo por debajo de las ramas.................. 0.10-0.12b. Profundidad del flujo alcanza a las ramas........................... 0.120.16

C. Corrientes principales (ancho superficial al nivel de crecidasmayor a 100 pies): generalmente el coeficiente de rugosidades menor que para corrientes menores con características simi-lares, debido a una menor resistencia efectiva ofrecida por losbancos irregulares o la vegetación en los bancos. Los valoresden pueden reducirse un poco. Siga la recomendación en lapublicación citada8si es posible. El valor de n para corrientesmás grandes de sección muy regular, sin cantos rodados nimatorrales, puede estar en el rango de............................................. 0.0280.033

pies de página de la tabla 17.9 aparecen en la parte superior de la pág. 790 continúa


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Tabla 17.9 Coeficiente de rugosidad de Manning's (cont inuación)


1Las estimaciones son por la Oficina de Caminos Públicos (Bureau of Public Road) a menos que se diga otra cosa.

2Los rangos indicados para conductos cerrados y para canales abiertos, revestidos o excavados, son para una construcción de regular a buena (a menos que se diga otra cosa). Para construcción de mala calidad, use valores mayores den.

3Friction Factors in Corrugated Metal Pipe, por M.J. Webster y L.R. Metcalf, Cuerpo de Ingenieros, Departamento del Ejército; publicado en el Journal ofthe Hydraulics División, memorias de la Sociedad Norteamericana de Ingenieros Ci

viles, vol. 85, No. HY9, septiembre de 1959, artículo No. 2148, pp. 35-67.4Para trabajo importante y cuando sea necesaria la determinación exacta del per

fil hidráulico, se aconseja al diseñador que consulte las siguientes referencias y que seleccione anmediante la comparación de las condiciones específicas con los canales probados:

Flow ofWater in Irrigation and Similar Channels por F.C. Scobey, División de Irrigación, Servicio de Conservación de Suelos, Departamento de Agricultura de Estados Unidos, Boletín Técnico No. 652, febrero de 1939; y

Flow ofWater in Drainage Channels por C.E. Ramser, División de Ingeniería Agrícola, Buró de Caminos Públicos, Departamento de Agricultura de Estados Unidos, Boletín Técnico No. 129, noviembre de 1929.

5En el caso de canales que tengan un alineamiento que no sea recto, se va a incrementar la pérdida de carga por las fuerzas resistentes. Puede hacerse un pequeño incremento del valor den, para considerar la pérdida adicional de energía.

6Handbook ofChannel Design for Soil and Water Conservation, preparado por el Laboratorio de Hidráulica Stillwater Outdoor en cooperación con la Estación Experimental Agrícola de Oklahoma; publicado por el Servicio de Conser

vación de Suelos, Departamento de Agricultura de Estados Unidos, publicación No. SCS-TP-61, marzo de 1947, revisado en junio de 1954.

7Flow ofWater in Channels Protected by Vegetative Linings por W.O- fer-" Palmer, División de Drenado y Control del Agua, Investigación, Ser Conservación de Suelos, Departamento de Agricultura de Estados Ursom tín Técnico No. 967, febrero de 1949.

8Para el cálculo del nivel o de la descarga en canales de corrientes

recomienda que el diseñador consulte a la (District Office of the S»rta~r Branch of the U.S. Geological Survey) Oficina de Distrito local de b i.awm Agua Superficial del Servicio Geológico de Estados Unidos, para obmr- t relacionados con los valores de naplicables a las corrientes de cualquier juc específica. Si no se sigue este procedimiento, puede usarse la tabla como ms Los valores tabulados de nhan sido deducidos de datos reportados por C_L Isa» ser (véase el pie de página 4) y de otros datos incompletos.

9Los valores tentativos dencitados se deducen principalmente de rr:; hechas en tramos bastante cortos pero rectos de corrientes naturales. Cuana®ban usarse pendientes calculadas a partir de elevaciones de corrientesa lo asm- una longitud considerable de canal, que incluya meandros y curvas,para ede velocidades mediante la fórmula de Manning’s, el valor dendebe incxrmrr.:para considerar la pérdida adicional de energía causada por las curvas. El innsgto puede ser en el rango de tal vez 3 al 15 por ciento.

*° La presencia de follaje en los árboles y en los matorrales bajo el nivd as t.rriente incrementará materialmente el valor den. Por tanto, el coeficiemra gosidad para la vegetación con follaje, será mayor que para ramas desnuc* *los árboles en el canal o en los bancos, y para los matorrales en los banco¡ anuílas ramas se sumergen, aumentando la profundidad del flujo, n vaa marrarase con el nivel.

FUENTE: Reproducido de Design Charts for Open Channels {Cartas de diseño para canales abiertos), Departamento de Transe de Estados Unidos, Washington, D.C., 1980.

de flujo para la cual la energía específica es mínima. La profundidad crítica depende solame~:ila forma del canal y de la descarga. Esto implica que para cualquier sección transversal deces existe solamente una profundidad crítica para un gasto dado.

La velocidad y la pendiente del canal que corresponden al flujo uniforme para la prohrcdad crítica, se conocen como velocidad crítica y pendiente crítica, respectivamente. Por tar.::

velocidad del flujo y la pendiente del canal son más altas que los valores críticos cuando el ñues supercrítico, y más bajas cuando el flujo es subcrítico.

Considere un canal que consta de cuatro secciones, cada una con pendiente diferente, co-se muestra en la figura 17.8. Las pendientes de las primeras dos secciones son menores qcpendiente crítica (aunque la pendiente de la segunda sección es menor que la de la primera •ción), lo que resulta en un flujo subcrítico en ambas secciones. La pendiente de la tercera secĉes mayor que la pendiente crítica, lo que resulta en un flujo supercrítico. El flujo en la cuarta ción es subcrítico, ya que la pendiente es menor que la pendiente crítica. Consideremos a.'cómo cambia la profundidad del agua a medida que ésta fluye a lo largo de las cuatro secc;:del canal.

A medida que el agua fluye por la sección A del canal, la profundidad del flujo es mayo: :la profundidad crítica dc, porque el flujo es subcrítico. La pendiente de la sección B dismir-lo que resulta en una velocidad más baja y en una profundidad de flujo más alta (A#> hA .aumento de la profundidad tiene lugar gradualmente y comienza en alguna parte aguas arrihila sección A. El cambio de flujo subcrítico a supercrítico en la sección C, que tiene una penc_rpronunciada, toma lugar suavemente sobre alguna distancia. La reducción de la profundidad _flujo ocurre gradualmente y comienza en alguna parte aguas arriba en la sección subcrítica.


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C A R T A P A R A C A N A L 2 A 1 i> = 5 PIE S

Figura 17.6 Solución gráfica de la ecuación de Manning's para un canal trapezoidal con taludes de 2:1.

FUENTE: Design Charts for Open Channels (Cartas de diseño para canales abiertos), Departamento de Transporte de Estados Unidos, Washington, D.C., 1979.


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5 8 ^ 8 8 8 ? * 5 * 3 $ 1 T 1 $ Ç u,xrmss

CARTA PARA CANA L VERTICAL £>= 6 PIES

Figura 17.7 Solución gráfica de la ecuación de Manning's para un canal rectangular, b = 6 p>

FUENTE: Design Charts for Open Channels (Cartas de diseño para canales abiertos), Departamento deT r

Estados Unidos, Washington, D.C., 1979.


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Figura 17.8 Esquema del efecto de la profundidad crítica en el flujo en canales prismáticos abiertos.

embargo, cuando la pendiente cambia nuevamente a un valor menor que la pendiente crítica, elflujo cambia abruptamente de supercrítico a subcrítico, lo que resulta en un salto hidráulico, enel cuaJla turbulencia resultante absorbe parte de la energía. Esto demuestra que las condicionesaguas abajo pueden modificar la profundidad aguas arriba de un flujo subcrítico, lo que signi-fica que el control está aguas abajo. Entonces, cuando el flujo es subcrítico, cualesquiera cambiosaguas abajo de la pendiente, de la sección transversal, o la intersección con otra corriente van aresultar en un cambio gradual de la profundidad aguas arriba, lo que se conoce como curva de remanso. Por el contrario, normalmente el flujo supercrítico no es afectado por las condicionesaguas abajo y el control está aguas arriba.

Debe observarse que las curvas de la FHWA para la solución de la fórmula de Manning’sson adecuadas solamente para el flujo que no es afectado por el remanso.

Procedimiento de diseño

El diseño de un canal de drenaje para una vía se realiza en dos pasos. El primer paso es determi-nar la sección transversal del canal, que transporte en forma económica y efectiva al escurrimiento directo esperado, hasta un cauce natural de agua. El segundo paso es determinar si elcanal requiere alguna protección contra la erosión y si así es, qué tipo de revestimiento debeusarse.

Determinación de la sección transversal La fórmula de Manning’s se resuelve para una seccióntransversal supuesta de canal, para determinar si el canal es suficientemente grande para el escurrimiento directo de la tormenta de diseño. La solución puede obtenerse manualmente o mediante el

uso de una carta apropiada de la FHWA. Ambos métodos se demuestran en el siguiente ejemplo.


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Ejemplo 17.3 Diseño de un canal abierto

Determine una sección transversal adecuada, para que un canal desaloje un escurrir,directo estimado de 340 pies3/ segundos, si la pendiente del canal es 1 por ciento y k

Manning’s es de 0.015.

Solución: Seleccione una sección de canal y luego use la fórmula de Manning’s para >minar la profundidad de flujo, que se requiere para el escurrimiento directo estirSuponga un canal rectangular de 6 pies de ancho.

Profundidad del flujo = d

Area de la sección transversal =Gd

Perímetro mojado = 6 + 2d

Radio hidráulico R = 6dl (6 + 2d)

Con el uso de la ecuación 17.9,

Q = 4̂ -̂aR2l3Sm

340 = L M (6d)í 6~ ) (0.01)1/20.015 \ 6 + 2d)

Esta ecuación se resuelve por prueba y error para obtener 4 pies.Como alternativa, puede usarse la carta de la FHWA que se muestra en la figura 17.7

que el ancho es de 6 pies. Entre a la carta con Q = 340 pies3/ segundos, desplácese en sentid vertical hasta interceptar a la pendiente del canal de 1por ciento (0.01), y luego lea la profurdidad normal de 4 pies en las líneas para profundidad normal.

La profundidad crítica también puede obtenerse entrando a la carta con un valor de 3pies3/ segundos, y moviéndose en sentido vertical para interceptar a la curva crítica. Esto da ur.profundidad crítica de aproximadamente 4.6 pies, lo que significa que el flujo es supercrític

Las velocidades críticas y de flujo pueden obtenerse de una manera similar. Se entra acarta con 340 pies3/ segundos. Desplácese en sentido vertical hasta la pendiente de 0.01 y luegen sentido horizontal hasta la escala de velocidad para leer la velocidad del flujo como aprox.madamente 14 pies/segundos. La velocidad1crítica se obtiene de una manera similar, moviérdose en sentido vertical hasta la curva crítica. La velocidad crítica es aproximadamente 1.pies/segundos. La pendiente crítica es aproximadamente 0.007.

La solución indica que si se va a usar un canal rectangular de 6 pies de ancho, para des;lojar el escurrimiento directo de 340 pies3/ segundos, el canal debe tener cuando menos unprofundidad de 4 pies. Sin embargo, es necesario proveer un bordo libre de cuando menospie, lo que hace que la profundidad de este canal sea de 5 pies. Observe que la fórmula para 1

determinación de la profundidad crítica para un canal rectangular es

8/18/2019 Drenaje Cap

Drenaje Cap 17 Garber y Hoel 3ed

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