drenaje vial 2012

1

DRENAJE Y PROTECCIÓN DE OBRAS VIALES

M.Sc. Ing. Edwin Rodríguez

Baca

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO

FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

2

INTRODUCCIONLOS SISTEMAS DE DRENAJE TIENEN COMO

OBJETIVO:

• ELIMINAR LOS EXCESOS DE AGUA SUPERFICIAL SOBRE LA CARRETERA

• RESTITUIR LA RED DE DRENAJE NATURAL QUE ES AFECTADA POR EL

TRAZO DE LA VIA

• CONTROLAR LOS FLUJOS DE AGUA SUBTERRANEA QUE AFECTAN LA

ESTABILIDAD DE LA CARRETERA

Fallas

Algunas fallas de drenajes que se pueden identificar:

Fisuras y grietas• Descripción:Normalmente son una serie de fisuras y grietas

interconectadas entre sí y que en etapas avanzadas del deterioro forman una "malla de gallinero" o "piel de cocodrilo".

• Causas posibles:Espesor del pavimento inadecuado para el

nivel de solicitaciones y/o de la capacidad de soporte de la subrasante.

Drenaje inadecuado en zonas localizadas.Mezcla asfáltica muy rígida.

Fallas

FallasBaches en carpetas asfálticas• descripción:

Cavidad, normalmente redondeada, que se forma al desprenderse mezcla asfáltica. Para considerarla como bache al menos una de sus dimensiones debe tener un mínimo de 150 mm.

• Causas posibles

Pavimento estructuralmente insuficiente para el nivel de solicitaciones y características de la subrasante.

Drenaje inadecuado o insuficiente.

Defecto de construcción.

Derrame de solventes (bencina, diesel,etc) o quema de elementos sobre el pavimento.

Baches en carpetas asfálticas

Baches en tratamientos superficiales.

Surgencia de finos y agua (pumping o efecto piscina).

• DescripciónExpulsión de agua mezclada con suelos finos, a través

de las grietas y borde externo del pavimento, al pasar un vehículo especialmente pesado.

En algunos casos se forma un pequeño pozo o bache en la berma, al borde del pavimento.

En otros después de pasado algún tiempo de terminada la precipitación, queda una depositación de suelos finos sobre la superficie y alrededor del lugar por donde fue expulsado.

• Causas posiblesCuando existe agua entre el pavimento y la base, el

tránsito, en especial los vehículos pesados, producen un efecto de succión y luego bombeo, que erosiona material fino de la base.

pumping o efecto piscina

14

FALLAS EN LA VIA DEBIDO A UN MAL SISTEMA DE DRENAJE

15

Colapso de plataforma

Hundimiento

16

PARA EL DISEÑO DE LAS ESTRUCTURAS DE DRENAJE SE REQUIERE:

ESTIMAR LA MAGNITUD Y FRECUENCIA DEL ESCURRIMIENTO PRODUCIDO POR

LAS TORMENTASESTUDIAR LAS CARACTERISTICAS DEL DRENAJE SUPERFICIAL NATURAL DEL

TERRENOESTUDIAR LAS CARACTERISTICAS DEL

FLUJO DE AGUA SUBTERRANEAESTUDIAR EL EFECTO QUE LA CARRETERA

TIENE SOBRE LOS CANALES Y CURSOS

DE AGUA EXISTENTES

17

PRINCIPIOS BASICOS DE HIDROLOGIA

LOS ESTUDIOS DE HIDROLOGIA TIENEN POR OBJETO ESTIMAR LOS CAUDALES DE

DISEÑO PARA LAS OBRAS DE:

DRENAJE TRANSVERSAL DE LA CARRETERA.

DRENAJE SUPERFICIAL Y SUBSUPERFICIAL.

LAS DEFENSAS RIBEREÑAS

18

a1. EL FENOMENO DE LA ESCORRENTIA

19

a2. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ESCORRENTIA SUPERFICIAL

• Factores Climáticos- Intensidad de precipitación - Duración de la precipitación- Precipitación antecedente

• Factores Fisiográficos- Área - Permeabilidad

• Factores Humanos- Obras Hidráulicas construidas en

la cuenca

- Rectificación de ríos

20

a3. VARIABLES QUE CARACTERIZAN LA ESCORRENTIA

SUPERFICIAL

• Caudal Q

• Coeficiente de Escorrentía Superficial C

• Tiempo de Concentración (Tc)

21

• Periodo de Retorno (tr)

Se dice que un evento de magnitud dada (caudal de

avenida, o máximas intensidades de precipitación) tiene un periodo de retorno de

tr años si ese evento, en promedio, es igualado o

superado una vez cada tr años

22

PARA LA ELECCIÓN DEL PERIODO DE RETORNO, A UTILIZAR EN EL DISEÑO DE

UNA OBRA DE DRENAJE, ES NECESARIO CONSIDERAR:

• La probabilidad que ese caudal sea excedido durante el periodo para el cual se diseña el camino.

• La vida útil “n” de la estructura.

• El riesgo “r” de falla aceptable.

23

PERIODOS DE RETORNO CONSIDERADOS EN LOS DISEÑOS DE

CARRETERAS EN EL PERU

a. Cunetas Tr = 10 añosb. Alcantarillas Tr = 25 añosc. Alcantarillas de paso, Pontones y

Badenes Tr = 50 añosd. Puentes

Tr = 100 años (para altura del Puente)Tr = 500 años (para cálculos de

socavación y protección)

24

PERÍODOS DE RETORNO PARA DISEÑO DE OBRAS DE DRENAJE EN CAMINOS

DE BAJO VOLUMEN DE TRÁNSITO

TIPO DE OBRA PERÍODO DE RETORNO EN AÑOS

Puentes y Pontones 100Alcantarillas de Paso 50Alcantarilla de Alivio 10 –20Drenaje de la Plataforma 10

25

La probabilidad de ocurrencia del evento dentro de n años de la vida útil de la obra, denominado riesgo r , esta dado por:

n

rtr )

11(1

26

b. ESTUDIO DE MAXIMAS AVENIDASb.1 PEQUEÑAS CUENCAS• Las siguientes características describen una cuenca pequeña de áreas menores de aproximadamente 12 Km2

- Se asume que la lluvia se distribuye uniformemente en el tiempo- Se asume que la lluvia se distribuye uniformemente en el espacio- La duración de la tormenta generalmente excede el tiempo de concentración

27

METODO RACIONALEl método racional es el método más usado para el análisis de flujos en pequeñas cuencas:

Q = 0.278 C I AQ = es el caudal pico correspondiente a una intensidad de lluvia, duración y frecuencia dados, en m3/sC = coeficiente de escurrimiento (adimensional)I = intensidad de la lluvia , en mm/hA = Area de la cuenca , en Km2

28

Método Racional para la determinación de los caudales a servir

360** AIC

Q

Q = caudal a desaguar = m3/s

A= área de cuenca = Ha

I = intensidad = mm/h (a determinar)

C = coeficiente escorrentía (función de las características de la cuenca)

Cuenca de un curso de agua en una sección

La totalidad de la superficie topográfica drenada por el curso de agua y sus afluentes aguas arriba de la sección

29

METODO RACIONAL

30

Cuencas de cunetas y alcantarillas

60

70

80

80

90

90

100 100A B

CD

E

F

G

cres

ta

cresta

cres

ta

talw

eg

RFG = Cuenca de la alcantarilla.

AEFD = Cuenca de la cuneta en DF.

GBCF = Cuenca de la cuneta en FC.

Cuneta

Camino

CunetaAlcantarilla

31

b.2 CUENCAS INTERMEDIAS

• Se considera cuencas intermedias a cuencas cuyas áreas se encuentran comprendidas, aproximadamente entre 12 a 100 Km2. Las siguientes características describen una cuenca mediana:

- La intensidad de la lluvia varia dentro de la duración de la tormenta

- Se asume que la lluvia está uniformemente distribuida en el espacio

32

CUENCAS INTERMEDIAS (Continuación)

• En el caso de no tener registros de caudales máximos, la técnica más usada para el estudio de avenidas es la del hidrograma.

• - Hidrograma unitario• - Hidrograma unitario

sintético

33

HIDROGRAMA UNITARIO DE SNYDER

El hidrograma unitario de Snyder es un hidrograma sintético

A

cg = centroide de la cuencaL = Longitud del cauce principal hasta el límite de la

cuenca en km.Lc = Longitud del cauce principal hasta una altura

donde se ubica el centroide de la cuenca en km.

cg

Límite de la cuenca

34

HIDROGRAMA UNITARIO DE SNYDER

3.0)( ctl LLCt l

pp t

ACQ

78.2

Tl = Tiempo de retardo en horasCt = es un coeficiente que cuantifica el gradiente de la cuenca, y esta asociado con el almacenamiento de la cuenca. Snyder da valores de Ct que varían entre 1.35 a 1.65 Cp = es un coeficiente empírico, que varía entre 0.56 a 0.69. Qp = es el flujo pico del Hidrograma Unitario que corresponde a 1 cm de lluvia efectiva.

35

Método del Número de Curva (Cuencas pequeñas y medianas)

• El método del número de curva fue desarrollado por el Soil Conservation Service – USA

• Un número de curva de CN = 100 indica una cuenca totalmente impermeable, es decir toda la precipitación escurre superficialmente y CN = 1 toda la lluvia se infiltra.

• El número de curva CN varia entre 1 a 100• CN es una función de:

- Tipo de suelo

- Uso del suelo y tratamiento

- Condiciones de la superficie del suelo

- Condiciones anteriores de humedad

36

Precipitación P en cm

Escorrentíadirecta en cm

37

SISTEMAS DE CONTROL DE AGUAS

•Zanjas de coronación •Cunetas laterales•Alcantarillas y badenes•Drenes interceptores•Drenes verticales•Cortinas subterráneas•Galerías y túneles de drenaje•Pantallas de drenaje•Pozos de drenaje

39

DRENAJE TRANSVERSAL DE LA CARRETERA

• El drenaje transversal de la carretera se consigue mediante alcantarillas cuya función es proporcionar un medio para que el agua superficial que escurre por cauces naturales o artificiales de moderada importancia, pueda atravesar bajo la plataforma de la carretera sin causar daño a ésta.

40

1. ESTUDIO DE SISTEMAS DE CONTROL DE AGUAS

SUPERFICIALESDRENAJE TRANSVERSAL DE LA

VIA• LAS FORMAS USUALES DE ALCANTARILLAS SON LAS CIRCULARES, y LAS DE CAJON, TAMBIEN SE TIENEN ELIPTICAS, ARCOS PARABOLICOS, ETC• LA VIDA UTIL DE LOS MATERIALES CONSTITUYENTES DE LA ALCANTARILLA DEBE SUPERAR LA VIDA UTIL DEL PAVIMENTO.

41

ALCANTARILLAS• Se entiende por alcantarilla una estructura

de drenaje cuya luz mayor, medida paralela al eje de la carretera , sea menor de 6 m.

• Las dimensión de la alcantarilla deben ser tal que permita pasar el caudal de diseño, y los flujos de escombros

• La alcantarilla debe ser capaz de soportar las cargas del tráfico en la carretera, el peso de la tierra sobre ella, cargas durante la construcción, etc

42

ALCANTARILLAS CIRCULARES

yθ

do

a a

)(8

20 sen

dA

T

2

0dP

)2

(0

sendT

Radio Hidráulico PA

R Profundidad Hidráulica T

AD

Alcantarilla circular

43

alcantarillas

44Sistema de alcantarillas

45

a. FLUJO EN ALCANTARILLAS

•ES EL FLUJO EN CONDUCTOS CERRADOS DE SECCIONES TRANSVERSALES GRANDES Y PEQUEÑA LONGITUD

•LAS ALCANTARILLAS PUEDEN FLUIR LLENAS O NO

•LA ENTRADA DE UNA ALCANTARILLA NO SE SUMERGE SI LA CARGA ES MENOR QUE UN VALOR CRITICO, DESIGNADO POR H’ (QUE VARIA DESDE 1.2D A 1.5D, DONDE D ES EL DIAMETRO DE UNA ALCANTARILLA CIRCULAR, O LA ALTURA DE UNA RECTANGULAR), SIEMPRE Y CUANDO NO EXISTAN EFECTOS QUE SE HAYAN TRANSMITIDO DESDE AGUAS ABAJO

46

a. TIPOS DE FLUJO EN ALCANTARILLAS

1 .- SALIDA SUMERGIDA :

La carga Hidráulica H´ a la entrada es mayor que el diámetro D

, y el tirante Yt a la salida , es mayor a D , en este caso la alcantarilla es llena. Por lo que se tiene :

H´ > D Yt > D

Alcantarilla Llena.

D

L

H´

Yt

47

2.- SALIDA NO SUMERGIDA

D

L

H´

Yt

1.2 D < H > 1.5 D Yt < D

Alcantarilla llena.

a1 TIPOS DE FLUJO EN ALCANTARILLAS

48


D

L

H´

Yt

H > H´ Yt < D

Alcantarilla Parcialmente Llena.


49


D

L

H´

YtYc

H < H´ Yt > Yc

Flujo subcrítico en la alcantarilla.


50


D

L

H´

YtYc

H < H´ Yt < Yc

Flujo subcrítico en la alcantarilla.


51


D

L

H´

YtYc

H < H´ Yt<Yc

Flujo Supercrítico en la alcantarilla. Flujo Supercrítico en la entrada.


52

ASPECTOS GENERALES DE LAS ALCANTARILLAS

• Se obtendrá la mejor ubicación de una alcantarilla cuando ésta se proyecta siguiendo la alineación y pendiente del cauce natural

• Cuando se cambia cualquiera de los factores del cauce principal (Pendiente, velocidad, capacidad de transporte de materiales en suspensión y arrastre de fondo) es necesario compensar con cambios en otros factores

53

a2. UBICACIÓN DE ALCANTARILLAS RESPECTO A LA PENDIENTE DEL CAUCE

a. Siguiendo la pendiente

natural del cauce

b. Entrada bajo la pendiente natural

c. Salida sobre la pendiente natural

c1. La posibilidad de dejar el tubo en en voladizo debe ser analizada estructuralmente

C2. Si el talud es de tierra se puede utilizar un codo y prolongar el tubo siguiendo el talud, para evitar erosión

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a3. UBICACIÓN DE ALCANTARILLAS RESPECTO A LA PENDIENTE DEL CAUCEd. Entrada y salida sobre la pendiente natural

e. Entrada bajo y salida sobre la pendiente natural

f. Pendientes pronunciadas

En laderas con 20% o más el tubo deberá anclarse para para evitar el deslizamiento

Alcantarillas pequeñas pueden descargar con seguridad sobre un talud de enrocado

55

ESTRUCTURAS DE ENTRADA DE ALCANTARILLAS, VISTAS DE PLANTA

a) Muro extremo recto (alcantarillas pequeñas con pendientes planas)

c) Muro extremo en U (pérdidas de entrada altas)

b) Muro extremo en forma de L

e) Muro de defensa acampanado

f) Muro de defensa acampanado para una corriente que se aproxima en forma no

alineada

56

ALCANTARILLA EN CAJON CON ENTRADA ACAMPANADA

Planta

Sección

57

a4. PROBLEMAS HIDRÁULICOS QUE SE PUEDEN PRESENTAR

1.SÓLIDOS FLOTANTES.-

Debe hacerse un estudio económico en la solución de hacer pasar los sólidos flotantes por la alcantarilla y la solución de retener los sólidos aguas arriba de la entrada por medio de un dispositivo especial.

58

La quebrada transporta una significativa cantidad de sedimentos

59

El transporte de sedimentos es tan grande que la alcantarilla deja de trabajar

eficientemente y los flujos de avenida discurren sobre la vía, destruyendola

60

Pequeños represamientos en escalera, atrapan el material en movimiento, incrementan las pérdidas de energía

61

Elementos triangulares de gran tamaño, colocados en el cauce, y adecuadamente espaciados, atrapan las rocas de gran y sólo dejan pasar el agua

62

Pequeñas presas construidas a lo largo del cauce

63

• OTRAS MEDIDAS A NIVEL DE CUENCA

La rehabilitación de andenes

64


2.ANCLAJE.-

Durante las crecidas se producen en la entrada y salida de las alcantarillas, vórtices y remolinos que socavan y erosionan el relleno del terraplén. El anclaje se logra aumentando el peso de los extremos de la alcantarilla mediante muros de cabecera, pavimentos colocados en el talud del terraplén.

65

Al no existir un sistema de protección a la salida el agua socava el terreno y los taludes de la carretera

66

No se ha colocado una protección adicional en los taludes a la entrada de la

alcantarilla

67


3.UNIONES.

Es indispensable que las uniones en una alcantarilla sean lo suficientemente impermeables, para evitar problemas de erosión y arrastre.

4.INFLEXIONES DEL EJE DE LA ALCANTARILLA.

Cuando el eje de la alcantarilla no es recto los cambios de dirección deben hacerse en la forma más gradual y uniforme que permita el lugar.

68


5.SOCAVACIÓN LOCAL A LA SALIDA.-

Cuando la velocidad de escurrimiento de la alcantarilla es alta, puede producirse una socavación local a la salida de la obra que compromete su estabilidad. Se debe tomar precauciones, ya sea protegiendo el cauce con un pedraplén adecuado.

69

Problemas de socavación al final de la losa, a la salida de la alcantarilla

70

Fenómeno de socavación en la estructura de salida de una alcantarilla

71


6.CAPACIDAD INSUFICIENTE DE LA ALCANTARILLA.-

Esta situación se puede deber a:

- Los estudios hidrológicos no se han efectuado adecuadamente

- La quebrada transporta gran cantidad de material flotante y/o sedimentos

72

La capacidad de la alcantarilla fue insuficiente Durante la ocurrencia de la avenida

73

a5. DISTANCIA MÁXIMA ENTRE DOS ALCANTARILLAS

74

b. BADENES• Se puede seleccionar un badén como estructura de cruce en el caso de tener un cauce ancho, con un gradiente hidráulico pequeño. O que el nivel de la rasante coincida con el nivel del cauce.

• El badén debe cumplir las siguientes condiciones: - Debe tener una superficie de rodamiento resistente a la acción de los flujos de agua - Se debe proteger el badén aguas arriba y aguas abajo para evitar problemas de socavación - Se debe colocar señales visibles que indiquen las profundidades del agua al ocurrir avenidas

75

b. Elementos de un Badén

•Plataforma o Capa de Rodadura•Muro de Pie•Muros de Cabezal•Muro de Confinamiento

76

b. Datos básicos para el diseño

Las investigaciones necesarias se centran en tres aspectos fundamentales:

•Topografía del cauce

•Geotecnia del sitio

•Estimación de caudales máximos

77

b. Datos básicos para el diseño

78

Dimensionamiento de un badén

Se recomienda un caudal de diseño con un periodo de retorno de T = 50 años).Con el caudal se define la longitud de la cuerda y la altura del cabezal, para lo cual se elabora una curva h = f (L) usando la formula de vertedero de pared gruesa.Diseño de la plataformaPara la geometría de la plataforma se tomara como datos de partida la altura y longitud (flecha y cuerda del segmento de circunferencia); con lo cual se podrá calcular el radio; el cual no será menor a 80 metros.R² = f² + a²f = flechaa = L / 2L = Cuerda

79

Dimensionamiento de un baden

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

80

Diseño del muro de pie

El calculo de la altura de socavación puede ser realizado mediante la formula experimental deVeronece:d = 1.9 h^(0.225) q^(0.54)d = Profundidad de socavación en metrosh = diferencia de niveles de agua en metrosq =Q/Lv - Caudal por metro de vertedero en [m3/seg]/mQ = caudal de diseño en m3/segLv = Longitud del vertedero

81

Diseño del muro de pie

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

82

Diseño del muro cabezal

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

Q = 1,71·Lv Y^(3/2)El tirante normal, a la entrada del badén:

Y = [Q/(1,71·Lv)]^(2/3)El área hidráulica a la salida del badén:A = R² atan [0.5·Lv / (R-f)] - Lv·[0.5·(R-f) - (Y - f)]

La velocidad del caudal a la salida del baden: V = Q / A

La altura del cabezal sobre el baden sera:

Hc = 0.67·Y +V²/ 2·g + 0.10 m

83

Diseño del muro cabezal

Eventualmente, la altura de los muros de cabezal sobre la plataforma puede ser sobrepasada y el rebalse puede producir un salto en las márgenes del río o quebrada, por lo que se recomienda disponer de medidas de proteccion, como ser; empedrado u otras que disminuyan la socavación de las márgenes.

84

Muro de confinamiento

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

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

85

Badén que colapsó por

errores de diseño y fallas de

construcción

86

1.2 DRENAJE SUPERFICIAL DE LA PLATAFORMA

•SE DEBEN RECOGER Y ELIMINAR LAS AGUAS QUE SE ACUMULAN EN LA PLATAFORMA, LAS QUE PUEDEN PROVENIR DE:

- Aguas de lluvia que caen

directamente sobre el pavimento- Aguas superficiales que

provienen de áreas vecinas, que son interceptadas y llegan al camino

- Aguas superficiales que llegan a la carretera en los cruces de caminos

87

CUNETAS

1 1 1 1

z z1 z2 1 z2

z1

(MANNING) (CHEZY)

nSAR

Q2

1

3

2

RSACQ n

RC

6

1

88

CUNETAS

89

CUNETAS

90

Cuneta revestida con elementos prefabricados, debido a un mal drenaje del talud superior, y a un talud de corte no adecuado se producen fallas en

la cuneta

91

No se ha protegido adecuadamente el final de la cuneta, cuando esta entrega sus aguas a un

cauce natural

92

BORDILLOSBordillo de concreto asfáltico

93

BORDILLOS

Bordillo de tierraenhierbada

Bordillo de concreto de cemento

94

No se ha definido un canal a lo largo del talud, resistente a las altas velocidades del agua, que evacue el agua de lluvia proveniente de la carretera

95

1.3 ZANJAS DE CORONACION

• Las zanjas de coronación son utilizadas para interceptar y conducir adecuadamente las aguas de lluvia, evitando su paso por el talud

• La zanja de coronación no debe construirse muy cerca al borde del talud

• Se recomienda que las zanjas de coronación sean totalmente impermeabilizadas, así como debe proveerse una suficiente pendiente para garantizar un rápido drenaje del agua captada

96

Detalle de zanjas de coronación para el controlde aguas superficiales en un talud

97

Zanjas de coronación construidas en un terreno inestable

98

1.4 CANALES COLECTORES EN ESPINA DE PESCADO

• Para disminuir la infiltración de agua en las áreas arriba del talud se acostumbra construir canales colectores en espina de pescado• Estos canales colectores conducen las aguas colectadas por la via más directa hacia fuera de las áreas vulnerables del talud, entregándolas generalmente a canales en gradería• Los canales deben impermeabilizarse para evitar la infiltración del agua

99

Esquema en planta de canales colectoresEn espina de pescado

Canal en gradería

Canales espina depescado revestidos

Escarpe dedeslizamiento

Zanja de coronarevestido

Para la captación de un conjunto localizado de manantiales, los mantos drenantes pueden sustituirse por una red, con forma de espina de pez, constituida por zanjas drenantes que confluyen a una principal que funciona como emisario y que, normalmente, alojará tubería drenante y colector en su interior.

101

1.5 CANALES COLECTORES Y DISIPADORESLos canales que transportan el agua desde las zanjas de corona, deben ser conducidos a un sitio seguro.

Se presentan dos tipos diferentes de canales: el canal rápido y el canal en gradería

• El canal rápido se construye a una pendiente igual a la del talud, el sistema es más económico , pero presenta el problema de la poca energía disipada

•El sistema de graderías es más eficiente para disipar energía

102Detalle de un canal rápido de entrega

103Canal de entrega con gradas de disipación

104Sistema de canales prefabricados para el drenaje de los taludes

105

RAPIDAS

106

2. DRENAJE SUBTERRANEO

• El drenaje subterráneo tiene por objeto disminuir las presiones de poros o impedir que estas aumenten

• La cantidad de agua recolectada por un sistema de subdrenaje depende de la permeabilidad de los suelos o rocas, y de los gradientes hidráulicos

•La solución de un problema de drenaje subterráneo requiere de conocimientos de hidrogeología y de mecánica de suelos, y por lo tanto, se precisa mantener una estrecha colaboración entre el ingeniero proyectista y diversos especialistas

107

ANTECEDENTES NECESARIOS• Levantamiento topográfico y reconocimiento del terreno para

determinar la extensión y relieve del área, ubicar las zonas donde existen depresiones que pueden constituir problemas especiales

• Estudio del agua subterránea del área a fin de determinar el nivel de la napa freática en la zona y su fluctuación a lo largo del año

• Examen detallado del suelo (Se recomienda hasta una profundidad de 3 a 4 m) para definir su estructura, porosidad, permeabilidad

• Estudio geológico general del área en relación al agua subterránea, identificación de los posibles puntos de descarga y recarga

• Las exploraciones del terreno deben realizarse a fines del periodo lluvioso, si es posible, o en las situaciones más críticas con el objeto de determinar correctamente las condiciones de diseño

108

FLUJO SUBTERRANEO

NIVEL FREATICO APROXIMADO

TODAS LAS ABERTURAS DEBAJO DEL NIVEL FREATICOESTAN LLENAS DE AGUA SUBTERRANEA

AGUA (NO AGUA SUBTERRANEA) MANTENIDOPOR ATRACCION MOLECULAR BORDEA LASSUPERFICIES DE LAS PARTICULAS DE ROCA

AGUA SUBTERRANEA

ZONA SATURADA

ZONA NO SATURADA

NIVEL FREATICO

109AFLORAMIENTO DE AGUA SUBTERRANEA

110

ECUACION DE DARCY

kIAQ

suelodeldadpermeabilideecoeficientk

)(21 hidráulicaGradienteL

hhI

AreaA

La ley de Darcy es fundamental en el estudio del movimiento del agua en el

suelo, y que permite definir la permeabilidad.

111

Coeficiente de permeabilidad k

La permeabilidad de los suelos alcanza en la práctica los siguientes valores:

1. ARENAS: los valores de k están entre 0.1 m/día en arenas muy finas, hasta 30 m/día en arenas gruesas

1. ARCILLAS: los valores de k están entre 0.01 m/día hasta 30 m/día. Algunas arcillas son más permeables que las arenas gruesas

112

Los valores de k se pueden clasificar de la forma siguiente:

Clase k (m/d)

Muy baja < 0.05

Baja 0.05 – 0.3

Media 0.3 - 1

Alta 1 - 5

Muy alta > 5

113

SISTEMAS ACUIFEROS

Estrato impermeable

Estrato permeable

Estratosemipermeable

Superficie del terreno

Capa freática Superficie piezométrica

Acuífero no confinado

Acuífero confinado

Acuífero semiconfinado

114

MAPAS FREATICOSA partir de los datos de los pozos de observación o de los piezómetros, se construyen los mapas freáticos.

a. MAPA DE ISOHYPSAS.- Para confeccionar este mapa se parte de un plano topográfico en el que se sitúan los piezómetros, anotando en cada punto la carga hidrostática, a continuación se dibujan las curvas de nivel, que se denominan isohypsas

b. MAPA DE ISOBATAS.- Para dibujar este mapa, junto a cada punto se anota la profundidad de la capa freática respecto a la superficie del terreno. Las curvas de nivel se denominan isóbatas

117

2a. CORTINAS IMPERMEABLES SUBTERRANEAS

• Puede impedirse que el agua subterránea alcance la zona de inestabilidad potencial mediante la construcción de pantallas impermeables profundas

• Las pantallas subterráneas pueden consistir en zanjas profundas rellenas de asfalto o concreto, tablaestacados, cortinas de inyecciones

• El diseño de estas cortinas debe tener en cuenta los efectos que sobre las áreas adyacentes tiene el cambio de régimen de aguas subterráneas

118Pantalla interceptora o cortina subterránea

Superficie de deslizamiento

Pantalla interceptora

deslizamiento

Pantalla interceptora

Nivel freático

Flujo de agua subterránea

acuífero

Material coluvial

roca

drenaje

119

2b. SUBDRENES INTERCEPTORES

• Los subdrenes interceptores son zanjas excavadas a mano o con retroexcavadora, rellenas de material filtrante y elementos de captación y transporte del agua• Hay subdrenes de diferentes formas

– Con material de filtro y tubo colector– Con material grueso permeable sin tubo (dren francés)– Con geotextil como filtro, material grueso y tubo colector– Con geotextil, material grueso y sin tubo– Dren sintético con geomalla, geotextil y tubo colector

120

Sistemas de dren de zanja

121

Diagrama de un drén interceptor

122

Subdrenes en taludes saturados de suelos arenosos y su efecto sobre el nivel freático

123

Filtros de Material GranularEl drén puede estar compuesto de material granular (filtro), el cual

debe satisfacer las siguientes condiciones:a. Debe ser capaz de pasar la máxima cantidad de flujo a

través de élb. El material fino de la cimentación no debe entrar en el filtro, ya

que podría producir erosión interna u obstrucción del drenc. Debe prevenirse el movimiento del material del filtrod. La curva granulométrica del filtro debe cumplir las

siguientes condiciones:

d15f / d85b < 5 evita succión del material finod50f / d50b < 605 < d15f / d15b < 40 para mantener una permeabilidad

aceptable

donde: df corresponde al filtro, y db al material del terreno

124

Filtros de Geotextil

• Los geotextiles son telas permeables, filtrantes, construídas con fibras sintéticas, especialmente prolipopileno, poliester, nylon y polietileno

• Los geotextiles se clasifican en tejidos y no tejidos

• Los geotextiles más utilizados para filtro son los no tejidos

• La durabilidad de los geotextiles está en función de las fibras poliméricas y las resinas a los ataques ambientales

125

2c. Drenes Horizontales o de Penetración

• Un dren horizontal o subdren de penetración consiste en una tubería perforada colocada a través de una masa de suelo mediante una perforación profunda subhorizontal o ligeramente inclinada, con la cual se busca abatir el nivel freático• La principal ventaja de los drenes horizontales es que son rápidos y simples de instalar• El diámetro de las perforaciones es de aproximadamente 3 a 4 pulgadas dentro de las cuales se colocan tuberías perforadas

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Esquema general de colocación de unSubdren de penetración

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Subdren de prenetración diseñado para captar Solamente en la punta interior

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2d. Colchones de Drenaje• Son capas de material drenante que se colocan debajo de terraplenes, después de remover los suelos sueltos.

• Generalmente consisten en una capa de material grueso permeable de 20 a 50 centímetros de espesor envuelto por dos mantos de geotextil

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2e. Trincheras Estabilizadoras• Son zanjas profundas y anchas construidas generalmente, con maquinaria pesada de movimiento de tierras, que en su fondo y/o paredes laterales lleva un colchón de filtro, o un dren interceptor

• La zanja posteriormente se rellena con enrocado o con material común de acuerdo a las necesidades específicas del caso

• Generalmente la trinchera se excava a profundidades superiores a las de la superficie de falla.

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2f. Pantallas de Drenaje• Las pantallas de drenaje son estructuras similares en apariencia a un muro de contención, las cuales se colocan sobre la superficie del talud con el objetivo principal de impedir que se produzca erosión ocasionada por las filtraciones de agua subterránea.•Las pantallas de drenaje constan de tres elementos básicos:

- Filtro sobre la superficie del talud

- Estructura de contención o retención

- Subdren colector

131Ejemplos de subdrenes de pantalla

a. Pedraplén

b. Filtro y relleno

132Ejemplos de subdrenes de pantalla

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Subdrenaje de estructuras de contención

• Es necesario construir un subdrenaje adecuado detrás de los muros• El sistema de drenaje debe diseñarse para el flujo esperado sin que se presente taponamiento del sistema• Para prevenir el taponamiento debe utilizarse un material de filtro de acuerdo al tipo de suelo detrás del muro• Para los muros de concreto, se deben construir huecos de drenaje o lloraderos para impedir que se genere presión de poros exagerada detrás de la pared• Los lloraderos normalmente tienen un diámetro de 75 mm, y un espaciamiento no mayor de 1.5 m horizontalmente, y un metro verticalmente

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Subdrenaje de muros de contención

135

Subdrenaje de muros de contención

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2h. Subdrenaje para pavimentos

Precipitación

Superficie deinfiltración

Nivel freático

Filtro

Tubería colectora

TuberíaDe salida

Componentes de un sistema de subdrenaje

137Sistema de drenes longitudinales

Nivel original del suelo

CorteNivel freáticooriginal

Nivel freatico Con drenaje

Dren longitudinal

selloPavimento

Base y subbase



Corte

Corte




Nivel freáticooriginal

Nivel freáticooriginal

Dren longitudinal

Dren longitudinal

Pavimento

Pavimento Sello

Sello

138Secciones transversales con sistemas de drenaje


subdrenbasesubbase

1.5% pendiente1.5% 1% 1%

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La calidad del drenaje es la calidad del pavimento

140

Que brutos

PROVIAS

141

GRACIAS

drenaje vial 2012

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