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3.4. CRITERIOS GENERALES PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE DRENAJE.

Diseño de sistemas de drenaje superficial

El sistema de drenaje superficial deberá diseñarse para dar salida en forma eficaz y económica a toda el agua que fluye por la superficie de la carretera y para interceptar y eliminar el agua de la superficie de las zonas adyacentes.

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Pueden utilizarse sistemas de drenaje subterráneo como un complemento a los sistemas de drenaje superficial o para resolver problemas específicos asociados con el flujo del agua subterránea

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Lógicamente los procedimientos de diseño pueden dividirse en tres fases principales.

Primera: Una estimación de la cantidad probable de agua que

puede llegar a cualquier elemento del sistema.

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Segunda: El diseño hidráulico de cada elemento del sistema y

la comparación de los sistemas de drenaje y materiales alternativos además de otras variables con objeto de determinar el sistema más económico

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Tercera: Deberá ponerse atención al seleccionar el sistema

que tenga el costo anual más bajo tomando en consideración todas las variables.

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Registro del flujo de corrientes.

Cuando se construye una estructura de drenaje para controlar el flujo de una corriente ya existente como en el caso de algunas alcantarillas y la mayoría de los puentes, el flujo máximo que se emplee para el diseño hidráulico puede tener como base los registros disponibles.

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Los estudios de frecuencia tienen como base un análisis estadístico de los registros del flujo de corrientes.

Usualmente dichos registros indican la avenida media

anual como una función de la medida del área del drenaje para cada región hidrológica

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La selección de la frecuencia de avenidas que se utiliza para el diseño debe ser de cuidadosa evaluación, en carreteras rurales es común considerar frecuencias de 10 a 25 años.

También se han empleado donde no hay registro

disponible del flujo de corrientes, información útil a partir de la observación de las estructuras existentes y de la corriente natural; …..

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….. se estudian las instalaciones de drenaje que existan arriba y abajo del sitio propuesto y se determina un diseño basado en aquellas que han dado un servicio satisfactorio en otras partes de la misma corriente. Si dicha información es deficiente puede realizarse un examen incluyendo las evidencias dejadas por las crestas de las avenidas, que han ocurrido en el pasado, y también una estimación de la cantidad de agua transportada por la corriente durante los períodos de avenidas

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Criterios hidrológicos.

En los casos en que los registros del flujo de corrientes y/o el examen de la corriente sean inadecuados, o en donde las instalaciones del drenaje no transporten el agua que fluye por una corriente que exista en la actualidad, el cálculo de la cantidad debe hacerse por algún otro método.

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Criterios hidrológicos.

La cantidad estimada es importante ya que su precisión determina lo adecuado del diseño de la estructura del drenaje.

A pesar del exceso de técnicas disponibles la estimación

del escurrimiento superficial no es una ciencia exacta; cuando se utilizan dos o más métodos para estimarlo no es poco común encontrar discrepancias de 50% o mas en los cálculos

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Intensidad de la precipitación pluvial.

El diseño apropiado de un sistema de drenaje para una carretera se logra considerando las tormentas más severas que se presentan a determinados intervalos y durante las cuales la intensidad de la precipitación pluvial y de escurrimiento del agua superficial es mucho mayor que en otros períodos. La intensidad de la precipitación pluvial durante la tormenta de diseño es una función de la ocurrencia, duración, e intensidad.

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Intensidad de la precipitación pluvial.

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Escurrimiento superficial.

Cuando la lluvia cae sobre una superficie permeable, parte de ella penetra al suelo y el resto desaparece en un tiempo determinado ya sea por evaporación o escurrimiento o por ambos. En el diseño de sistemas de drenaje para las carreteras, la cantidad de agua perdida por evaporación es despreciable, por lo tanto el drenaje deberá tener suficiente capacidad para disponer de toda el agua de lluvia que no se infiltra en el suelo o que no se almacena temporalmente en las depresiones de la superficie.

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Dentro del área del drenaje la razón a la que se presenta el escurrimiento depende de la naturaleza, grado de saturación y pendiente de la superficie.

La razón de escurrimiento es mayor en superficies lisas

e inicialmente más lenta en las que hay vegetación.

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En las superficies pavimentadas y compactas el escurrimiento se presenta a una razón alta la cual varía con la pendiente y las características de la superficie.

En cada punto se consideran estas variables y se

selecciona un coeficiente de escurrimiento para utilizarse en el diseño de un sistema de drenaje de un área particular

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En la siguiente tabla se dan los valores del coeficiente de escurrimiento para usarlo en un método de calculo del escurrimiento, el método racional.

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Tipo de área de drenaje Coeficiente de escurrimiento

pavimentos bituminosos y de

concreto

0.7 – 0.95

superficie de grava o macadam 0.4 - 0.7

suelo impermeable 0.4 - 0.6

suelos impermeables con césped 0.3 - 0.55

suelos ligeramente permeables 0.15 - 0.4

suelos permeables 0.05 - 0.1

áreas boscosas (dependiendo de la

pendiente - cubierta )

0.05 - 0.2

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OBRAS DE CRUCE.

Las obras de cruce que son llamadas también de drenaje transversal tienen por objeto dar paso rápido al agua que por no poder desviarse en otra forma tenga que cruzar de un lado al otro del camino; en estas obras de cruce están comprendidos los puentes y las alcantarillas. La diferencia fundamental entre los puentes y las alcantarillas es que éstas llevan encima un colchón de tierra y aquellos no.

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OBRAS DE CRUCE.

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Una alcantarilla consta de dos partes, el cañón y los muros de cabeza; el cañón forma el canal de la alcantarilla y es la parte principal de la estructura, los muros de cabeza sirven para impedir la erosión alrededor del cañón, para guiar la corriente, y para evitar que el terraplén invada el canal.

Según la forma del cañón las alcantarillas se dividen en

alcantarillas de tubo, alcantarilla de cajón, alcantarillas de bóveda y alcantarillas de losa.

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Alcantarillas

Alcantarillas de tubo

Alcantarillas de cajón

Alcantarillas de bóveda

Alcantarillas de losa

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En la construcción de un camino aún en aquellos casos en los que los fondos estén limitados, deben siempre llevarse a cabo todas las estructuras necesarias con el objeto de proteger el camino, estableciendo un sistema razonable de drenaje de una vez por todas ya que una estructura mal localizada ocasiona posteriormente trastornos costosos.

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ÁREA HIDRÁULICA DE LAS ALCANTARILLAS.

El cálculo del área hidráulica de las alcantarillas es semejante a la que se presenta en los puentes, o sea, se trata de permitir el paso del máximo caudal de agua que haya en cada caso haciéndolo de tal manera que no cause trastornos ni al camino ni a la estructura misma.

Hay cinco procedimientos para proyectar

hidráulicamente una alcantarilla:

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ÁREA HIDRÁULICA DE LAS ALCANTARILLAS.

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1. Procedimiento por comparación. 2. Procedimiento empírico. 3. Procedimiento de sección y pendiente. 4. Procedimiento de la precipitación pluvial. 5. Procedimiento racional.

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Pendiente de la alcantarilla.

Es recomendable que la pendiente de las alcantarillas sea la misma que la del lecho de la corriente, si la pendiente de la alcantarilla es mayor, el extremo inferior de la misma tiende a azolvarse y por el contrario si la pendiente es menor que la del cauce, es el extremo superior el que se obstruye.

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Tipos de alcantarillas.

La elección de cual tipo de alcantarilla es la mejor, depende de los siguientes factores:

1. De los suelos de cimentación. 2. De las dimensiones de la alcantarilla y requisitos de la

topografia. 3. De la economía relativa, de los diferentes tipos posibles y

adecuados de estructura.

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Dependiendo de su forma y material las alcantarillas se clasifican en:

1. Alcantarillas de tubo. Estas pueden ser de concreto reforzado, de lámina corrugada, de PVC, de barro vitrificado y de fierro fundido.

2. Alcantarillas de cajón. Son de concreto reforzado sencillas o múltiples.

3. Alcantarillas de bóveda. Pueden ser de mampostería o de concreto reforzado simple, sencillas o múltiples.

4. Alcantarillas de losa. Son de concreto reforzado

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En cuanto al tipo de cimentación se puede decir que cuando la cimentación es en suelo firme y seco cualquiera de los tipos anteriores es satisfactorio.

En suelos húmedos el tipo de cajón probablemente, sea

el mas adecuado, ya que la carga se transmite en ellos verticalmente en direcciones bien definidas.

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Si en estos suelos se emplean tubos de barro, PVC, o de concreto, ellos deben de ir sobre alguna cama de material más resistente que el terreno.

En lodazales o arenas movedizas, el tipo más adecuado es

el de lámina corrugada o el tipo de cajón con gran área de sustentación y de preferencia hechos en tramos que no estén unidos entre sí.

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DRENAJE SUBTERRANEO.

Aunque comúnmente se piense lo contrario, el drenaje subterráneo, desde muchos aspectos, es muy semejante al drenaje superficial ya que las capas impermeables forman canales bien definidos o vasos de almacenamiento de agua subterránea tal como sucede en la superficie del terreno.

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El drenaje subterráneo consiste en proporcionar ductos de drenaje adecuados para controlar el escurrimiento de esa agua rápidamente.

Cada lugar que requiera drenaje subterráneo o sub-

drenaje es un problema individual y diferente y por lo tanto deben aplicarse los principios de ingeniería en su solución adecuada. Al drenaje subterráneo debe dársele toda la atención que se merece ya que de él depende gran parte de la seguridad y estabilidad del camino

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Aunque en términos generales el drenaje superficial es más importante que el drenaje subterráneo, hay que reconocer que hay lugares en los cuales no se puede prescindir del drenaje subterráneo.

Los lugares inestables deben de ser drenados

inmediatamente y de una vez por todas durante la construcción.

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Los siguientes son algunos elementos del drenaje subterráneo .

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Zanjas.

Para hacer el drenaje subterráneo frecuentemente se han usado en los caminos construidos en zonas bajas, zanjas localizadas a unos cuantos metros fuera del mismo y paralelas a él, estas zanjas son usualmente de 60 cm. en la base y de 90 a 1.20 de profundidad.

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Zanjas.

Si se les hace suficientemente profundas pueden mantener el nivel freático bajo el nivel deseado. El uso de zanjas como sub-drenaje debe decidirse con cuidado estudiando los materiales y la conservación de la misma durante los años que va a funcionar, …..

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Zanjas.

….. además de no elegirlas en todas partes, pues cuando se usan cerca del camino son peligrosas para los vehículos que puedan salir del acotamiento, y además son de mal aspecto, así que para reducir el peligro deben construirse lejos del camino y entonces se reduce su eficacia o se tienen que hacer muy profundas.

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Drenes ciegos.

Los drenes ciegos son zanjas rellenas de piedra quebrada o grava. Estos drenes han sido muy empleados y cuando se les ha construido en forma correcta han dado resultados satisfactorios durante mucho tiempo.

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Drenes ciegos.

Cuando se usan drenes ciegos paralelos al camino la práctica común es el de colocar uno en cada lado del camino precisamente bajo las cunetas. Los drenes ciegos son de 45 cm de ancho y de 60 a 90 cm de profundidad.

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Drenes de tubo.

En general para el drenaje subterráneo en caminos los drenes de tubo de PVC o de concreto son muy superiores a los formados por zanjas abiertas y a los drenes ciegos. Los tubos para sub-drenaje deben satisfacer una serie de requisitos para que funcionen en forma efectiva durante un periodo largo. Estos requisitos se refieren a:

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Drenes de tubo.

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1. Aplastamientos: Cuando los tubos se coloquen dentro de la zona de tránsito es imprescindible usar tubos que no se rompan, ya que un tubo agrietado o roto puede ser la causa de que falle todo un sistema de sub-drenaje.

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2. Flexión: La misma naturaleza y fin de la mayoría de los drenes subterráneos involucra que los tubos vayan colocados en un suelo muy húmedo e inestable, por lo tanto es necesario que dichos tubos presenten juntas apropiadas con el fin de que flexionen un poco y puedan amoldarse a las desigualdades de la plantilla.

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3. Presión hidráulica: En algunas ocasiones el tubo de drenaje subterráneo puede trabajar a presión, con lo que se producen altas velocidades que pueden ser destructivas; por lo tanto es necesario que las juntas estén fuertemente unidas para evitar las posibilidades de socavación por el agua que pueda salir.

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4. Capacidad de infiltración: Esto depende del si el tubo es o no perforado, si está diseñado para permitir la máxima infiltración y las perforaciones se localizan de modo de evitar la entrada de lodo y material de relleno, todo lo que sea posible.

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5. Durabilidad: Para la duración de los tubos es necesario que ellos sean resistentes a la desintegración, erosión, y corrosión.

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Tamaño de los tubos.

El tamaño de los tubos depende del tipo de terreno por drenar, de la clase de tubo, de la altura de la precipitación, y de la pendiente de la tubería. Para conocer la cantidad de agua que llega a los sub-drenes, teóricamente bastaría calcular la diferencia entre la precipitación y el escurrimiento.

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Tamaño de los tubos.

Como dato, cuando el terreno es muy plano y no es permitida la entrada superficial al tubo directamente, se puede suponer por término medio, que el gasto que llega a los tubos del drenaje es de 3 mᶟ por hora por cada hectárea drenada. Cuando el terreno es escarpado o cuando hay corrientes de desague en el tubo el gasto probable puede aumentarse bastante.

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Para conocer el área que un tubo de drenaje subterráneo drenará, es necesario saber hasta que distancia a cada lado del tubo se influenciará éste para abatir el nivel freático.

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TIPO DE TERRENO DISTANCIA @ LADO (mts.) Arena suelta 30 Arcillas compactas (dren a 1.2 profundidad) 9 Terrenos muy sueltos 60 En la mayoría 15

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Como dato práctico se anotará que bajo las condiciones ordinariamente encontradas en los caminos, es suficiente un tubo de 10 cm., de diámetro, y muy rara vez el de 15 cm.

No es aconsejable usar tubos de menos de 10 cm de

diámetro por que se azolvan con facilidad.

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Secuela en el proyecto de drenaje subterráneo.

Para poder fijar los requisitos de un adecuado drenaje subterráneo, lo primero que es necesario hacer es localizar el agua subterránea que está causando o va a causar perjuicios; determinar de donde mana y hacia donde se inclina la capa freática.

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Para ello es necesario muestrear el terreno en diferentes lugares, levantar secciones transversales y perfiles, y anotar el resultado de los muestreos en cada sondeo indicando la clasificación de los suelos y la humedad en los diferentes niveles

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Los datos de campo que siguen son esenciales para el proyecto de drenaje subterráneo.

A. Plano del lugar a escala indicando:

1. La distancia de la línea del centro del camino al pie del talud del terraplén, a la cima del talud del corte, y el eje de las cunetas.

2. Localización de banquetas, lugares impermeables, entradas a las propiedades adyacentes, cercas, etc.

3. Localización de los sondeos

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B. Perfiles de:

1. Línea del centro del camino. 2. Nivel del agua en las cunetas tanto en creciente como

normalmente. 3. Nivel del agua en creciente y nivel normal en obras de drenaje

superficia l

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C. Secciones transversales indicando:

1. Curvas de nivel de los estratos superficiales y subterráneos. 2. Elevación del nivel freático y del fondo del estrato acuífero. 3. Clasificación de los estratos del terreno. 4. Ancho del pavimento del camino. 5. Ancho del terraplén en la corona

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