Introducción El presente trabajo tiene por objetivo presentar los principios hidráulicos fundamentales involucrados en el diseño de alcantarillas, y desarrollar una metodología de diseño adecuada a las necesidades que se requiere. Los fenómenos hidráulicos que ocurren dentro de las obras de carreteras son muy complejos y no son fáciles de tratar, por lo que siempre se recurre al análisis dimensional, la modelación empírica y experimental de los problemas de drenaje superficial existentes en la región Ancash. En un tramo de carretera ubicada a 3000 msnm de la región Ancash, se propone el diseño de una alcantarilla tipo cajón, con la finalidad de resolver problemas sociales y ambientales que afecta el tránsito de vehículos, animales y pobladores de la zona, Los métodos planteados para el diseño de la alcantarilla son experimentales, usando datos hidrológicos de la cuenca, fórmulas matemáticas, monogramas, cálculos en Excel y el diseño de la sección típica en AutoCAD (planta y perfil) de la alcantarilla tipo cajón. Objetivos 1.2 Objetivo general a) Diseñar una de alcantarilla tipo cajón en la carretera Casma-Huaraz en el tramo Pariacoto-Yupash Km… 1.1 Objetivo específico b) Presentar los principios hidráulicos fundamentales involucrados en el diseño de alcantarillas tipo cajón en la carretera Casma-Huaraz, tramo Pariacoto-Yupash Km… c) Reconocer el diseño geométrico existente en la carretera la carretera Casma-Huaraz en el tramo Pariacoto-Yupash Km… d) Conocer los datos hidrológicos de la cuenca delimitada en la carretera CasmaHuaraz en el tramo Pariacoto-Yupash Km… e) Obtener un diseño adecuado de alcantarilla tipo cajón en la carretera Casma-Huaraz en el tramo Pariacoto-Yupash Km… f) Explicar mediante cálculos en Excel y detalles en AutoCAD, El diseño de una alcantarilla tipo cajón ubicada en la carretera Casma-Huaraz en el tramo PariacotoYupash Km… g) Obtener resultados concordantes del diseño de una alcantarilla tipo cajón, en el ámbito global, social, económico y ambiental. Metodología El presente informe trata sobre el diseño de una alcantarilla tipo cajón, para ello se empleara diversos métodos y técnicas de recopilación de datos hidrológicos e hidráulicos, para su posterior análisis con el desarrollo de cálculos, usando monogramas para el diseño de alcantarillas y los programas Google Heart, Excel y AutoCAD con fines de un correcto diseño. Tipo de investigación Investigación básica Diseño de investigación Descriptivo y cuantitativo Ámbito de estudio Tramo de carretera Pariacoto-Yupash Pariacoto -Yupash Población Técnica de selección de datos: Para Obtener los datos necesarios para el diseño de alcantarillas tipo cajón se recolecto datos topográficos e hidrológicos de la cuenca… Instrumento: Formulas hidráulicas Datos hidrológicos Monogramas para el diseño de alcantarillas Modelos de tesis sobre diseño de alcantarillas Programa Excel Programa AutoCAD Ficha de registro de datos de diseño de alcantarilla tipo cajón Marco teórico 3.1 Alcantarillas tipo cajón Son estructuras de hormigón armado de sección cuadrada o rectangular que sirven como conducto subterráneo para recoger las aguas de lluvia y residuales o como paso vehicular sobre lechos de caudal reducidos. Figura 01 Alcantarilla tipo cajón 3.2 Apreciaciones de la geometría Hidráulica de los ríos. La construcción de las obras de cruce de torrentes, sean estos puentes, badenes, alcantarillas, etc, pueden producir una alteración del cauce manifestándose como, cambios geométricos en la verticalidad, en la horizontalidad ó incluso cambiar el curso natural por lo que es necesario conocer la tendencia del curso natural y sus perspectivas de desarrollo durante la intervención de la obra en el cauce.(Quispe Palomino, 2008) 3.2 Factores que condicionan el diseño hidráulico Una alcantarilla es una estructura que tiene por objetivo principal sortear un obstáculo al paso del agua. En la mayoría de los casos se aplican al diseño vial, es decir, cuando el flujo es interceptado por un camino o una vía de ferrocarril.(Facundo J., 2005) Cuando se realiza el diseño geométrico de un camino, el mismo, normalmente se interpone en el movimiento natural de escurrimiento de las aguas de la zona de emplazamiento. En la ladera de una montaña, se interpone en el camino de escurrimiento de las aguas que bajan por la montaña. Cuando atraviesan un arroyo, un río, o cualquier otro canal, y aún en los paisajes más llanos la topografía del terreno obliga al movimiento del agua en alguna dirección. El camino, en la mayoría de los casos constituye un verdadero obstáculo al paso del agua. En síntesis, el diseño de alcantarillas consiste en determinar el tipo de sección, material y embocadura de alcantarilla que, para la longitud y pendiente que posee, sea capaz de evacuar el caudal de diseño, provocando un nivel de agua en la entrada que no ponga en peligro de falla estructural, ni funcional la estructura que se desea atravesar optimizando los recursos disponibles. Es decir, buscar la solución técnico-económica más conveniente. Como se verá más adelante, el procedimiento para el diseño de alcantarillas no sigue un camino único y exacto, sino que, por el contrario, es iterativo. La solución óptima no existe, sino que existen un conjunto de alternativas que resuelven el problema planteado. Además de los factores mencionados, puede variarse la ubicación y posición de la alcantarilla, lo cual modifica longitudes y pendiente, etc. El criterio y buen juicio del Ingeniero darán la última palabra. Conceptos Hidráulicos Antes de comenzar a presentar una interpretación hidráulica de las alcantarillas es necesario aclarar que este trabajo tiene por objeto constituirse en un material práctico de diseño, y no una teoría que sustente el funcionamiento hidráulico de las alcantarillas.(Facundo J., 2005) El procedimiento propuesto, que toma como referencia principal los “Gráficos hidráulicos para el diseño de alcantarillas”, asume algunas hipótesis. Además, estos gráficos fueron obtenidos a partir de un conjunto de ensayos en laboratorio, y posteriormente convalidados con experimentación en el terreno. Todo esto le incorpora un componente empírico que, cuanto mucho, puede ser interpretado físicamente. Estos gráficos fueron originalmente preparados por la Sección Hidráulica División Puentes de la Oficina de Ingeniería y Operaciones del Bureau of Public Roads de Washington – EEUU (1964) y posteriormente traducidos y adaptados a las unidades métricas por el Ing. Rühle (1966). 4.1 Flujo con control de entrada En el flujo con control de entrada el tirante crítico se forma en las proximidades de la sección de entrada a la alcantarilla, quedando hacia aguas arriba de dicha sección un remanso en flujo subcrítico, y aguas abajo, un flujo supercrítico. De modo que lo que ocurre desde la sección hacia aguas arriba, tiene influencia en el nivel a la entrada de la alcantarilla, pero no tiene ninguna influencia lo que ocurre aguas abajo de dicha sección. Figura 2 Flujo con control de entrada. Caso típico 4.2 Cálculos para flujo con control de entrada El procedimiento de cálculo es muy sencillo para este tipo de flujo, y puede plantearse en los siguientes pasos: 1) Se adopta un caudal de diseño. 2) Se propone un tipo de alcantarilla (forma y dimensiones). 3) Se elige un tipo de entrada. 4) Se calcula el nivel que debe formarse a la entrada (He) necesario para permitir el paso del caudal de diseño. Si ese nivel verifica las condiciones de nuestro proyecto, es decir, no supera la altura máxima admisible para el agua a la entrada de la alcantarilla de acuerdo a los condicionantes de diseño planteados en el problema en cuestión, se continúa en el paso 5, de lo contrario, se vuelve al paso 2. 5) Se observa que el nivel He no sea demasiado pequeño, es decir, que la alcantarilla no se haya sobredimensionado, pues esto ocasionaría costos excesivos e innecesarios. 6) Se adopta la alcantarilla propuesta como una de las posibles soluciones del problema. Para este tipo de flujo tenemos nomogramas que interrelacionan las variables involucradas. En la figura 3 se presenta uno de estos nomogramas. En particular se presenta el nomograma que construido para secciones transversales de alcantarilla tipo bóveda, donde la altura y en ancho máximo de la bóveda definen la geometría de la sección. Supongamos que se desea conocer cuál es el nivel que tendrá el agua a la entrada de mi alcantarilla, si coloco una alcantarilla de ciertas dimensiones, con ciertas características de entrada y para un caudal de diseño dado. Figura 03 Nomograma para cálculo en flujo con control de entrada. El procedimiento de cálculo es el siguiente: 4. Se busca en la primera recta vertical del nomograma, las dimensiones de la alcantarilla que deseo verificar. Por ej: 0,91m x 0,56m, para una secc. abovedada. 5. Se elige el caudal de diseño en la segunda recta. Por ej: 0,60 m3/s. 6. Se traza una recta que una ambos puntos, y se prolonga hasta que intersecta la primera del trío de rectas que están a la derecha del nomograma. Luego se traza una horizontal, y se elige el valor de He / D que corresponde al tipo de entrada adoptado. Por ej: para el tipo de entrada (3), es decir con el conducto sobresaliente del talud, sin cabezal, se adopta un He / D = 1,3. Es decir que He = 1,3 x D = 0,73m DISEÑO HIDRÁULICO DE ALCANTARILLAS El cálculo hidráulico considerado para establecer las dimensiones mínimas de la sección para las alcantarillas a proyectarse, es lo establecido por la fórmula de Robert Manning* para canales abiertos y tuberías, por ser el procedimiento más utilizado y de fácil aplicación, la cual permite obtener la velocidad del flujo y caudal para una condición de régimen uniforme mediante la siguiente relación.(Mayolo, n.d.) Figura 04 Valores del coeficiente “n” de Manning CONCLUSIONES RECOMENDACIONES 1. El diseño de la estructura debe de ser económico, amigable con la naturaleza, duradero y funcional. 2. Tener en cuenta los caudales en épocas de lluvia, así como la crecida del rio para el procese de diseño. 3. Las formas para evitar la erosión son múltiples con referente a las condiciones del lugar, se puede hacer uso del emboquillado de piedras ó colchón de piedras, utilizando las macrorugosidades del lugar, como también se pueden emplear gaviones para la estabilización de las quebradas colindantes a la superficie del flujo 4. El reconocimiento es un estudio importante para el trazado y para elegir el tipo de alcantarillado. 5. Se debe de considerar todos los estudios necesarios para su diseño del alcantarillado ya que si no cumple con algunos parámetros traería consecuencias como erosión y otros. 6. Realizar un detallado estudio de suelos con la finalidad de obtener información precisa 7. Realizar un diseño que cumple con todas las normativas para luego no tener problemas severos. 8. Realizar un detallado estudio de suelos con la finalidad de obtener información precisa BIBLIOGRAFIA a. MTC. (2011). Manual de Hidrología, Hidráulica y Drenaje. Lima: MTC. b. Giles, R. V. (2009). Manual de Carreteras: Hidrología, Hidráulica y Drenaje. c. MTC. (2018). Manual De Carreteras: Diseño Geométrico DG – 2018. https://portal.mtc.gob.pe/transportes/caminos/normas_carreteras/documentos/manuales/M anual.de.Carreteras.DG-2018.pdf d. 3. Hec-ras 3.2 water surface profiles. user manual u.s. army corps of engineers the hydrologic engineering center Davis, California 2003 e. hidráulica de canales abiertos Richard r. French mc. Graw-Hill México 1982 f. Hidráulica de los canales abiertos Ven te Chow editorial Diana. México 1998 9. Ministerio de Transportes y Comunicaciones República del Perú MANUAL DE ESPECIFICACIONES TÉCNICAS GENERALES PARA CONSTRUCCIÓN DE CARRETERAS NO PAVIMENTADAS DE BAJO VOLUMEN DE TRÁNSITO (EGCBT 2008) a. Facundo J., A. (2005). Diseño Hidraulico De Alcantarillas. 1–18. b. Mayolo, S. A. De. (n.d.). Drenaje Superficial Finalidad del drenaje superficial. c. Quispe Palomino, P. O. (2008). Diseño de Alcantarillado de Cajón Rectangular ; Comparación Analítica , Empírica Y Modelación Numérica. Universidad Ricardo Palma. http://cybertesis.urp.edu.pe ANEXOS a. Ubicación del proyecto desde Google Earth Carretera Casma-Huaraz en el tramo Pariacoto-Yupash b. Delimitacion de la cuenca desde Google Earth c. Nomograma para cálculo en flujo con control de entrada. d. Criterios para alcantarillas cuadradas (box culverts) o circulares hidráulicamente cortas y largas con cuerpos en concreto y entradas cuadradas, redondeadas, o biseladas desde un muro de aguas arriba vertical, con muros de aproximación o sin ellos. (U. S Geological Survey [27[) e. Criterios para alcantarillas hidráulicamente cortas o largas con cuerpos rugosos hechos de tubería corrugada. (U.S. Geological Survey [27]) f. Planos de detalle
