DRENAJE SUPERFICIALMTC-PERU-DGCF: MANUAL PARA EL DISEO DE CAMINOS NO PAVIMENTADOS DE BAJO VOLUMEN DE TRNSITORD N 084-2005-MTC/14 DEL 16.11.2005

FINALIDADEl drenaje superficial tiene como finalidad alejar las aguas del camino, para evitar el impacto negativo de las mismas sobre su estabilidad, durabilidad y transitabilidad.

El drenaje superficial comprende:

La recoleccin de las aguas procedentes de la plataforma y sus taludes.La evacuacin de las aguas recolectadas hacia cauces naturalesLa restitucin de la continuidad de los cauces naturales interceptados por el camino.

CRITERIOS FUNCIONALESAl paso del caudal de diseo, elegido de acuerdo al periodo de retorno, yconsiderando el riesgo de obstruccin de los elementos del drenaje se debern cumplir las siguientes condiciones:

En los elementos de drenaje superficial la velocidad del agua ser tal que noproduzca daos por erosin ni por sedimentacin.

El mximo nivel de la lmina de agua ser tal que siempre se mantenga unborde libre no menor de 0.10 m.

Los daos materiales, a terceros, producibles por una eventual inundacin dezonas aledaas al camino, debida a la sobreelevacin del nivel de la corrienteen un cauce, provocada por la presencia de una obra de drenaje transversal,no debern alcanzar la condicin de catastrficos.

PERIODO DE RETORNOSe recomienda adoptar periodos de retorno no inferiores a 10 aos para lascunetas y para las alcantarillas de alivio. Para las alcantarillas de paso el periodode retorno aconsejable es de 50 aos. Para los pontones y puentes el periodo deretorno no ser menor a 100 aos. Cuando sea previsible que se produzcan daoscatastrficos en caso de que se excedan los caudales de diseo, el periodo deretorno podr ser hasta de 500 aos ms.

DAOS EN EL ELEMENTO DE DRENAJESe podr considerar que la corriente no producir daos importantes por erosin de la superficie del cauce o conducto si su velocidad media no excede de los limites fijados en el siguiente Cuadro:

HIDROLOGIA Y CALCULOS HIDRAULICOSCuando las cuencas son pequeas se considera apropiado el mtodo de la frmularacional para la determinacin de los caudales Se consideran cuencas pequeas aaquellas en que el tiempo de concentracin es igual o menor a 6 horas. El tiempode recorrido del flujo en el sistema de cauces de una cuenca, o tiempo deconcentracin relacionado con la intensidad media de precipitacin se puedededucir por la frmula:siendo:T = Tiempo de concentracin en horasL = Longitud del cauce principal en km.J = Pendiente media

El caudal de diseo en el que desage una cuenca pequea o superficie se obtendr mediante la frmula racional:Q = Caudal m3/seg. (Para cuencas pequeas) en la seccin en estudioI = Intensidad de la precipitacin pluvial mxima, previsible, correspondiente a una duracin igual al tiempo de concentracin y a un periodo de retornodado, en mm/hA = rea de la cuenca en km2C = Coeficiente de Escorrenta

El procedimiento racional requiere contar con la familia de curvas Intensidad Duracin Frecuencia (IDF). En nuestro pas, debido a la escasa cantidad de informacin pluviogrfica que se cuenta, difcilmente pueden elaborarse estas curvas. Ordinariamente solo se cuenta con lluvias mximas en 24 horas, por lo que el valor de la Intensidad de la precipitacin pluvial mxima generalmente se estima a partir de la precipitacin mxima en 24 horas, multiplicada por un coeficiente de duracin; mostrados en el cuadro, los mismos que podrn usarse, con criterio y cautela, para el clculo de la Intensidad, cuando no se disponga de mejor informacin.

El coeficiente de C, de la frmula racional, puede determinarse con la ayuda de losvalores mostrados en los cuadros:

Para la determinacin del coeficiente de escorrenta tambin podrn tomarse como referencia, cuando sea pertinente, los valores mostrados en el Cuadro:

Para el clculo de la velocidad y del caudal en un canal con rgimen hidrulicouniforme, se puede emplear la frmula de Manning.Donde :Q = Caudal m3/sV = Velocidad media m/sA = rea de la seccin transversal ocupada por el agua m2P = Permetro mojado mR = A/P; Radio Hidrulico mS = Pendiente del fondo m/mn = Coeficiente de rugosidad de Manning

ELEMENTOS FISICOS DEL DRENAJE SUPERFICIALA) DRENAJE DEL AGUA QUE ESCURRE SUPERFICIALMENTE

FUNCIN DEL BOMBEO Y DEL PERALTE.La eliminacin del agua de la superficie del camino se efecta por medio del bombeo en las secciones en tangente y del peralte en las curvas, provocando el escurrimiento de las aguas hacia las cunetas

PENDIENTE LONGITUDINAL DE LA RASANTE.De modo general la rasante ser proyectada con pendiente longitudinal no menor de 0.5 %, evitndose los tramos horizontales, con el fin de facilitar el movimiento del agua de las cunetas hacia sus aliviaderos o alcantarillas.

En caminos no pavimentados debern evitarse en lo posible para precaver la erosin por el agua de lluvias, pendientes mayores al 10%, salvo que se construyan camellones que desven las aguas lateralmente antes que adquieran velocidad de erosin.

DESAGE SOBRE LOS TALUDES EN RELLENO O TERRAPLNSi la plataforma de la carretera est en un terrapln relleno y el talud es erosionable, las aguas que escurren sobre la calzada debern ser encausadas por los dos lados de la misma en forma que el desage se efecte en sitios preparados especialmente protegidas y se evite la erosin de los taludes Para encausar las aguas, cuando el talud es erosionable se podr prever la construccin de un bordillo al costado de la berma: el mismo que deber ser cortado con frecuencia impuesta por la intensidad de las lluvias, encausando el agua en zanjas fabricadas con descarga al pie del talud.

B) CUNETASLas cunetas tendrn en general seccin triangular y se proyectarn para todos los tramos al pie de los taludes de corte.

REVESTIMIENTO DE LAS CUNETAS.Cuando el suelo es deleznable (arenas, limos, arenas limosas, arena limo arcillosos, suelos francos, arcillas, etc.) y la pendiente de la cuneta es igual o mayor de 4%, sta deber revestirse con piedra y lechada de cemento, u otrorevestimiento adecuado

DESAGE DE LAS CUNETAS.El desage del agua de las cunetas se efectuar por medio de alcantarillas de alivio

La distancia entre alcantarilla y su capacidad hidrulica ser establecida demanera de evitar que las cunetas sobrepasen su tirante previsto de agua teniendo en cuenta las precipitaciones previstas de la zona y a las dimensiones de la cuneta. En zonas lluviosas donde las cunetas sea revestidas, deber colocarse como mnimo una alcantarilla de alivio cada 150m.

Si las cuentas no se revisten las mximas distancias recomendables entre alcantarillas son las que se muestran en el Cuadro:

c) Zanjas de coronacin UBICACIN DE LAS ZANJAS DE CORONACIONCuando se prevea que el talud de corte esta expuesto a efecto erosivo delagua de escorrenta, se deber disear zanjas de coronacin

d) Zanjas de recoleccinLa zanja de recoleccin ser necesaria para llevar las aguas de lasalcantarillas de alivio hacia los cursos de agua existente.

DIMENSIONES DE LAS ZANJAS.Las dimensiones se fijarn de acuerdo a las condiciones pluviomtricas de lazona y caractersticas del terreno.

REVESTIMIENTO DE LAS ZANJAS DE CORONACIN.Se deber revestir las zanjas en el caso que estn previstas filtraciones quepueden poner en peligro la estabilidad del talud de corte.

DESAGE DE LAS ZANJAS.La ubicacin de los puntos de desage debern ser fijadas por el proyectistateniendo en cuenta la ubicacin de las alcantarillas y la longitud mxima que puede alcanzar la zanja con relacin a sus dimensiones y a la lluviosidad de la zona

e) Canal de bajadaCuando el camino en media ladera o en corte cerrado cruza un curso de agua que no es posible desviar, es necesario encauzar las aguas en un canal de bajada, con el fin tambin de preservar la estabilidad del talud.

f) Alcantarillas de Paso y Alcantarillas de Alivio

TIPO Y UBICACIN.El tipo de alcantarilla deber de ser elegido en cada caso teniendo en cuentael caudal a eliminarse, la naturaleza y la pendiente del cauce; y el costo enrelacin con la disponibilidad de los materiales.La cantidad y la ubicacin sern fijadas en forma de garantizar el drenaje,evitando la acumulacin excesiva de aguas. Adems, en los puntos bajos delperfil debe proyectarse una alcantarilla de alivio, salvo solucin alternativa.

DIMENSIONES MNIMAS.La dimensin mnima interna de las alcantarillas deber ser la que permite sulimpieza y conservacin. Para el caso de las alcantarillas de paso es deseable que la dimensin mnima de la alcantarilla sea por lo menos 1.00 m, para las alcantarillas de alivio pueden ser aceptables dimetros no menores a 0.40 m., pero lo ms comn es usar un dimetro mnimo de 0.60 m en el caso de tubos y ancho, alto 0.60 m en el caso rectangular.

g) BadenesLos badenes son una solucin satisfactoria para los cursos de agua que descienden por pequeas quebradas. Descargando espordicamentecaudales con fuerza durante algunas horas, en pocas de lluvia y arrastrandomateriales slidos.

Los badenes presentan la ventaja de que son estructuras menos costosas que las alcantarillas grandes, pontones o puentes. Asimismo, en general, no sonsuceptibles de obstruirse. En su mayora los badenes no son muy sensibles conrespecto al caudal de diseo, debido a que un pequeo incremento del tirante de agua incrementa de modo importante la capacidad hidrulica.

h) VadosEl cruce a nivel de un camino a travs de un ro pequeo se denomina vadoidealmente debe construirse en lugares donde el cruce natural tiene poca altura.

DRENAJE SUBTERRANEO

FUNCIONES

El drenaje subterrneo se proyectar para controlar y/o limitar la humedad de la plataforma del camino y de los diversos elementos del afirmado de una carretera.

Sus funciones sern alguna o varias de las siguientes:

a) Interceptar y desviar corrientes subterrneas antes de que lleguen al lecho de la carretera.b) Hacer descender el nivel freticoc) Sanear las capas del afirmado.

A) Drenes Subterrneos

El dren subterrneo estar constituido por una zanja en la que se colocar un tubo con orificios perforados, juntas abiertas, o de material poroso. Se rodear de un material permeable, material filtro, compactado adecuadamente, y se aislar de las aguas superficiales por una capa impermeable que ocupe y cierre la parte superior de la zanja

Las paredes de la zanja sern verticales o ligeramente inclinadas, salvo en drenes transversales o en espina de pez, en que sern admisibles, incluso convenientes, pendientes ms fuertes. En casos normales, el talud mximo no superar el valor 1/5.

Si se proyectan colectores longitudinales, puede aprovecharse la zanja del dren para la ubicacin de aquellos. En tal caso, se aconseja una disposicin similar a la que se seala en la figura

LA TUBERIA

Los tubos sern de material de buena calidad. Los tubos de cermica concreto podrn proyectarse con juntas abiertas o perforaciones que permitan la entrada de agua en su interior. Los de plstico, de material corrugado, o de fibras bituminosas debern ir provistos de ranuras u orificios para el mismo fin que el sealado anteriormente. Los de concreto poroso permitirn la entrada del agua a travs de sus paredes.

En las tuberas con juntas abiertas, el ancho de estas juntas oscilar entre 1 cm y 2 cm. Los orificios de las tuberas perforadas se dispondrn, preferentemente, en la mitad inferior de la superficie del tubo y tendrn un dimetro entre 8 mm y 10 mm.

Los tubos de concreto poroso tendrn una superficie de absorcin mnima del 20 % de la superficie total del tubo y una capacidad de absorcin mnima de 50 litros/ minuto por decmetro cuadrado de superficie, bajo una carga hidrosttica de 1 kg/cm2.

Condiciones MecnicasLos tubos cermicos o de concreto tendrn una resistencia mnima, medida en el ensayo de los tres puntos de carga, de 1000 kg/m.

Cuando los tubos hayan de instalarse en la vertical de las cargas del trfico, se situarn, como mnimo, a las profundidades que se sealan en el Cuadro

Condiciones HidrulicasNormalmente, la capacidad hidrulica del dren queda limitada por la posibilidad de filtracin lateral del agua a travs del material permeable hacia los tubos; la capacidad hidrulica de estos, con los dimetros que se indican ms adelante, normalmente resulta superior a la necesaria para las exigencias del drenaje.

No obstante, si existe la posibilidad de conocer el caudal de desage, puede hacerse el clculo hidrulico de los tubos utilizando la formula de Manning u otra anloga de las que rigen el movimiento del agua en cauces abiertos. Se utilizar la tabla de coeficientes de rugosidad que se incluye a continuacin en el Cuadro

Dimetros y PendientesLos dimetros de los tubos oscilarn entre 10 cm y 30 cm. Los dimetros hasta 20cm sern suficientes para longitudes inferiores a 120 m. Para longitudes mayores,se aumentara la seccin. Los dimetros menores, sin bajar de 10 cm, se utilizarncon caudales y pendientes pequeos.

Las pendientes longitudinales no deben ser inferiores al 0.5% y habr de justificarse debidamente la necesidad de pendientes menores, que nunca sern inferiores al 0.2%.

En tales casos, la tubera se asentar sobre un solado de concreto que permitaasegurar la perfecta situacin del tubo.

La velocidad del agua en las conducciones de drenaje estar comprendida entre0.7 m/s y 4 m/s.

B) RELLENO DE ZANJASCuando el fondo de la zanja se encuentre en terreno impermeable, para evitar la acumulacin de agua bajo la tubera se prever la colocacin de una capa dematerial, perfectamente apisonado, y que puede ser del mismo terreno, alrededor del tubo, sin que alcance el nivel de las perforaciones, o se asentar sobre un solado de concreto. En caso de tuberas con juntas abiertas, estas pueden cerrarse en su tercio inferior y dar a la capa impermeable el espesor correspondiente.

Composicin granulomtrica del material permeable, material filtro,

Si dn es el dimetro del elemento de suelo o filtro tal que n% de sus elementos en peso son menores que dn deben cumplirse las siguientes condiciones:

a) Para impedir el movimiento de las partculas del suelo hacia el materialfiltrante.

d15 del filtro / d85 del suelo < 5d50 del filtro / d50 del suelo < 25En el caso de terreno natural de granulometra uniforme, se sustituir laprimera relacin por:d15 del filtro / d85 del suelo < 4

b) Para que el agua alcance fcilmente el dren: d15 del filtro / d15 del suelo > 5

c) Para evitar el peligro de colmatacin de los tubos por el material filtro.

En los tubos con perforaciones circulares:d85 del filtro / dimetro del orificio del tubo > 1.0En los tubos con juntas abiertas:d85 del material filtro / ancho de la junta > 1.2En los tubos de concreto poroso, se debe respetar la siguientecondicin:d85 del rido del dren poroso / d85 del filtro < 5

En caso de terrenos cohesivos, el limite superior para d15 del filtro se establecer en 0.1 mm. Cuando sea preciso, debern utilizarse en el proyecto dos o ms materiales de filtros. Ordenados estos desde el terreno natural a la tubera, deben satisfacer, cada uno con respecto al contiguo, las condiciones exigidas anteriormente entre el material filtro y el suelo a drenar. El ltimo, que ser el que rodea el tubo, deber satisfacer, adems, las condiciones que se han indicado en relacin con el ancho de las juntas o dimetro de los orificios de dichos tubos.

Para impedir cambios en la composicin granulomtrica o segregaciones delmaterial filtro por movimiento de sus finos, debe utilizarse material de coeficiente de uniformidad (d60/d10) inferior a 20, cuidadosamente compactado.

El dren subterrneo se proyectar cumpliendo las disposiciones que se detallan en la figura, segn se encuentre en terreno permeable o impermeable y sean necesarios uno o dos materiales filtro.

C) Cajas de Registro y BuzonesEn los drenes longitudinales se proyectarn, a intervalos regulares, cajas deregistro o buzones de registro que permitan controlar el buen funcionamiento del drenaje y sirvan para evacuar el agua recogida por la tubera del dren, bien a un colector principal, bien a una cuneta situada, por ejemplo, al pie de un terrapln, a una vaguada natural o a otros dispositivos de desage.

Con independencia de lo anterior, debern colocarse cajas de registro buzonesen todos los cambios de alineacin de la tubera de drenaje.

La distancia entre dos cajas o buzones consecutivos oscilar en general entre 30 m y 100 m y depender de la pendiente longitudinal del tubo y de su capacidad de desage, de la disposicin general del drenaje y de los elementos naturalesexistentes.

En el caso de salida libre de la tubera de desage de la caja de registro el buzn a una cuneta, etc. se cuidar que el nivel de la salida quede lo suficientemente alto y con las protecciones necesarias para impedir su aterramiento, inundacin, entrada de animales, etc.

D) INVESTIGACIN DEL AGUA FRETICALa presencia de un nivel fretico elevado exigir una investigacin cuidadosa de sus causas y naturaleza. Debern practicarse los pozos y orificios que se consideren precisos para fijar la posicin del nivel fretico y, si es posible, la naturaleza, origen y movimientos del agua subterrnea.

El reconocimiento se debe efectuar al final de la poca del ao en la que, en condiciones normales, alcanzar su mxima altura.

Los casos que pueden presentarse en la prctica y su tratamiento adecuado son innumerables. Algunos de ellos se sealan en la figura.

E) DRENES DE INTERCEPCIN

4.2.6.1 Objeto y Clasificacin

Se proyectarn drenes de interseccin para cortar corrientes subterrneas e impedir que alcancen las inmediaciones de la carretera.Se clasifican, por su posicin, en longitudinales y transversales.

4.2.6.2 Drenes LongitudinalesEI fondo del tubo debe quedar, por lo menos, 15 cm por debajo del plano superiorde la capa impermeable, o relativamente impermeable, que sirve de lecho a lacorriente subterrnea. En el caso de que esta capa sea roca, deben extremarse lasprecauciones para evitar que parte de la filtracin cruce el dren por debajo de latubera.

El caudal a desaguar puede determinarse aforando la corriente subterrnea. Paraello, se agotar el agua que afluya a la zanja en que se ha de situar el dren en unalongitud y tiempo determinados.

Para interceptar filtraciones laterales que procedan de uno de los lados de lacarretera, se dispondr un solo dren longitudinal en el lado de la filtracin. Sinembargo, en el fondo de un valle o quebrada, donde el agua pueda proceder deambos lados, debern disponerse dos drenes de interseccin, uno a cada lado dela carretera.

4.2.6.3 Drenes TransversalesEn carreteras en pendiente, los drenes longitudinales pueden no ser suficientes para interceptar todo el agua de filtracin.

En estos casos, deber instalarse drenes interceptores transversales normales al eje del camino o un drenaje en espina de pez.

La distancia entre drenes interceptores transversales ser, por trmino medio, de 20 m 25 m. El drenaje en espina de pez se proyectar de acuerdo con las siguientes condiciones:

a) El eje de las espinas formar con el eje de la carretera un ngulo de 60.b) Las espinas estarn constituidas por una zanja situada bajo el nivel delplano superior de la explanada.c) Sus paredes sern inclinadas, con talud aproximado de 1/2, para repartir, al mximo, el posible asiento diferencial.d) Las zanjas se rellenarn de material filtro.e) Las espinas llevarn una cuna de concreto de baja resistencia arcilla unida al solado del dren longitudinal.f) Las espinas consecutivas se situarn a distancias variables, quedependern de la naturaleza del suelo que compone la explanada. Dichasdistancias estarn comprendidas entre 6 m, para suelos muy arcillosos, y 28 m para suelos arenosos.

Con independencia de la pendiente longitudinal de la carretera, se recomienda utilizar drenes en espina de pez al pasar de corte cerrado (trinchera) a terrapln, como proteccin de este contra las aguas infiltradas procedentes de la trinchera (corte cerrado).

F) DRENAJE DEL AFIRMADOSalvo en el caso de caminos en terrenos permeables, el drenaje de la capa permeable constituida por el afirmado, puede proyectarse tanto mediante drenes enterrados como prolongando la capa permeable hasta los taludes de los terraplenes a cunetas. Adems, deben darse pendientes transversales mnimas a la subrasante.

G) CASOS ESPECIALESProteccin del Suelo de la Explanacin contra el agua libre en terrenode elevado nivel fretico, llano y sin desage.Cuando haya que construir un camino en terreno llano y con elevado nivel fretico,se estudiar el rebajamiento de la napa fretica, pudindose utilizaralternativamente mtodos como: zanjas laterales, drenes enterrados, etc. Si noexistiera posibilidad de desaguar el sistema de drenaje, se proyectar en terraplnms alto.

Para la eleccin del material del terrapln, se tendr en cuenta que su humedad deequilibrio debe disminuir rpidamente con la distancia al nivel fretico y que elterrapln ha de construirse sobre un terreno saturado de agua, sin capacidad pararesistir esfuerzos de compactacin elevados.

La necesidad de proteger el terrapln mediante la colocacin de membranasbituminosas u hojas de plstico, tratando su superficie con sustancias hidrfobas, utilizando geotextiles, geomembranas adoptando disposiciones anlogas a laindicada en las figuras, depender de la naturaleza y estado delterreno y del material disponible para la construccin del terrapln.

Proteccin del Suelo de Explanacin situado bajo la Calzada contralos Movimientos Capilares del Agua.Las diferencias de humedad en el suelo bajo la calzada y bajo los bermas facilitanlos movimientos capilares y, al aumentar el contenido de humedad del suelo de lasubrasante bajo la calzada, disminuyen su capacidad resistente.

Para evitar esta disminucin, las fisuraciones del suelo y los asientos diferencialesque con dicho aumento de humedad pueden producirse, deben utilizarse alguna delas siguientes tcnicas:

Impermeabilizar las calzadas y las bermas.Establecer una membrana impermeable que impida el movimiento del aguacapilar, situndola en un plano ms o menos vertical bajo las bordes de lacalzada.Construir zanjas anticapilares bajo los bordes de la calzada.

Tanto la membrana impermeable coma las zanjas anticapilares debern ejecutarse hasta una profundidad de 1,20 m. baja la superficie de las bermas. Pueden utilizarse como zanjas anticapilares las que se proyecten para el drenaje del afirmado, cuidando de que el material filtro rompa la continuidad en fase lquida entre el agua situada a un lado y otro de la misma.

Capa DrenanteCuando se eleva el terrapln del camino sobre un terreno saturado con agua, para evitar que por capilaridad el agua pueda subir a travs del terrapln hasta la superficie de rodadura, debe colocarse una capa de material drenante, constituida por gravas y/o arenas.

La capa deber estar sobre el nivel de referencia ms alto de la napa fretica delterreno, y servir de anticontaminante, a los efectos de romper la capilaridad ydrenar la plataforma lateralmente. Se recomienda un espesor mnimo de 0.30 m.

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