Hidrología de las Carreteras Drenajes PRIMERA PARTE E l mantenimiento y conservación de las carreteras es fundamental, tanto como la propia inversión inicial, y en las etapas de desarrollo de los países la conservación de carreteras principales –en el caso nuestro la Red Vial Fundamental-, implica una inversión de magnitud similar a la construcción de la obra nueva. La gestión del agua en la Cuenca afectada constituye el aspecto más significativo en el logro de una infraestructura viaria de condiciones óptimas. En este artículo se resaltan los aspectos más relevantes del estudio hidrológico inicial para estimar las obras de drenaje, promoviendo una visión ampliada del análisis de la Cuenca; se enumeran brevemente los elementos de los diversos sistemas de drenaje de una carretera y se subraya la importancia de esa visión ampliada para facilitar la eficacia de las inversiones y la retroalimentación informativa en la gestación de un Plan de Conservación de las redes; Plan que realzará las inspecciones y su periodicidad. Adicionalmente, se hace relevancia de indicadores de identificación del estado de la red. Las ‘Cicatrices en el Territorio Las actividades antrópicas en la implantación de carreteras y otras diversas obras de infraestructura de transporte y comunicación, que también incluye transporte de energía, generan en el territorio un conjunto de ‘cicatrices’ que de modo particular modifican la estructura natural de la Cuenca y su morfología, produciendo alteraciones de los cursos de agua que de algún modo requieren atenuarse. El drenaje en una carretera en la visión más ortodoxa, tiene como fin eliminar el exceso de agua superficial sobre el camino, restituir la red de drenaje natural, que como dijimos se ha afectado por el trazado, y evitar que el agua –particularmente subterránea-, pueda comprometer la estabilidad de la base o de los terraplenes o de los taludes. En este entendido, y de modo analítico, se requieren aplicar ciertos criterios que se establecen en el Manual Técnico para el Diseño de Carreteras en Bolivia (Vol2 Hidrología y Drenaje): • Estimar la magnitud y frecuencia del escurrimiento producido por las tormentas; • Conocer el drenaje superficial natural del terreno y restituir aquellos drenajes interceptados por el camino; • Determinar las características del flujo de agua subterránea, y; • Estudiar el efecto que la carretera tiene sobre los canales y cursos de agua existentes, cuyo trazado deba ser modificado. Los investigadores norteamericanos G. Keller y J. Sherar, avalados por el patrimonio en su país de un millón de kilómetros de caminos rurales ejecutados, sugieren: “Tres de los aspectos más importantes en el diseño de caminos son: drenaje, drenaje y drenaje”. Podemos afirmar que en el país, en demasiados proyectos aplicados, la gestión del agua en carreteras es apreciada en una sola dimensión que abarca la visión tradicional de solucionar los problemas que genera la presencia de agua en la vía. Sin embargo, el propósito de éste artículo es promover una visión ampliada en diversas dimensiones, para considerar el espacio geográfico no como un ente, sino como un medio físico (Cuenca), que además de ser analizado por la Hidrología, la Geología y la Geomorfología, contiene un vector de vida consistente en una cadena de especies naturales que hacen del territorio un ‘Territorio Vivo’. Francisco ERGUETA ACEBEY es Ingeniero Técnico en Sistemas de Información; Licenciado en Construcciones Civiles por la UMSA y PhD en “Planificación del Territorio y Desarrollo Regional” por la Universidad de Barcelona. Es profesor en la Maestría Interfacultativa (Tecnología y Agronomía) de la UMSA: Ciencias Geomáticas Aplicadas a la Gestión Territorial, Recursos Naturales y Medio Ambiente; y profesor en pregrado de las asignaturas: Hidrología Aplicada e Hidrometría y Fundamentos de Hidráulica, ambas en la Facultad de Tecnología de la UMSA. Es Director de INDESAR (Infraestructura para el Desarrollo Regional). e-mail: [email protected] Veamos una imagen que nos detalla las partes de una Cuenca: Delimitación de la cuenca e identificación de particularidades Definir los límites de la cuenca y el área de análisis en función de las alternativas de la conducción de agua que se pueda dar en ella es sin duda el paso inicial. Del mismo modo, si dentro del área de estudio existe una estación de medición de caudales (estación limnigráfica o limnimétrica), el área o cuenca de aporte de dicha estación será tomada como referencia o como unidad de análisis. Para cada una de las alternativas de análisis se deberá determinar el área de la cuenca. Se requiere identificar claramente las particularidades de cada una de las cuencas en cuanto a elementos que influyan en la disponibilidad y regulación natural del agua, como por ejemplo: glaciares, bofedales, lagunas, zonas de recarga de acuíferos u otras. CAF (2014), Guía para la Gestión de Recursos Hídricos en Cuencas de Montaña Bajo el Efecto del Cambio Climático. La Paz – Bolivia. “Se deberá especificar de forma clara en los planos y/o mapas temáticos que acompañen el estudio su extensión y superficie en el momento del estudio. Igualmente se deberá identificar los elementos de regulación artificial existentes en la cuenca, como por ejemplo, represas, tomas de agua, tanques de regulación, atajados u otros”. territorio -en tanto fisiográficas y morfológicas-, y practicar los sistemas de drenaje en función a ellas; en consecuencia devolver al territorio las propiedades originales anteriores a la aplicación de ‘cicatrices’ a las que deben sujetarse los diseños y trazados, y de este modo restituir en lo posible las condiciones primarias. Podemos afirmar que esta visión de multicriterio se está diluyendo en la apuesta contra la aplicación pragmática de la eficiencia y del costo de oportunidad de la inversión. territorio las condiciones similares a las primarias o de origen; y de modo complementario, facilitar la planificación de los procesos de conservación; anticiparse a los efectos hídricos de escorrentías erráticas y aminorar paulatinamente la visión unidimensional que hace de la carretera un elemento superpuesto en el territorio. La visión ampliada acerca el alcance hacia el establecimiento de una concordancia: correlación – dependencia – eficiencia, entre todos los componentes. La visión ampliada o de multicriterio tiene como finalidad principal atenuar los riesgos sobre la inversión realizada en las carreteras y proporcionar al En tanto se proceda de esta manera, la gestión de las aguas para la implantación de vías en una Cuenca, se hace menos forzada y los sistemas En consecuencia, no se trata de contener y redirigir el agua hacia los drenajes, con la aplicación fría de cálculos mediante el Método Racional y de caudales extremos de Gumbel o Pearson III, etc., y la facilitación de los mismos con programas y aplicaciones del ámbito, como FLUMEN, HECHMS, IBER, HEC-1 Flood Hydrograph Package, el HEC-RAS River Analysis System; sino de identificar los procesos hidrometeorológicos y con ello las características naturales del 88 Presupuesto & Construcción Año 30 N° 68, Enero – Abril 2019 de drenaje son más ‘amigables’ respecto del impacto territorial y principalmente de los procesos de conservación. Por tanto, si ajustamos los criterios analíticos anteriormente mencionados a los aspectos hidrometeorológicos de visión ampliada, tendremos de modo directo otras tareas adicionales que implementar para planificar los sistemas de drenaje, que son las siguientes: • Recopilar registros meteorológicos de al menos veinte años o como mínimo el tiempo compatible con la vida útil de la infraestructura a desarrollar; • Establecer las amenazas climáticas y antrópicas sobre la cuenca afectada; • Establecer el grado de vulnerabilidad del medio físico por sus características naturales; • Evaluar los impactos y los riesgos; • Evaluar la resiliencia local e institucional para eventos extremos y de adaptación al cambio climático; • Evaluar de modo transversal los EEIA (Estudios de Evaluación de Impacto Ambiental), evitando procesos ‘mecánicos’ en la categorización ambiental; • Presentar las conclusiones de todo el análisis complementario a los responsables de la conservación, resaltando aportes para la inversión y la conservación. Estos criterios se resumen aglutinados en procesos de análisis hidrológico que se resume en la ilustración de la página anterior y que se expresa como proceso metodológico en ésta página. En la misma dirección, los trazados topográficos iniciales con criterios geodésicos, podrían sustentarse en esas tareas adicionales para facilitar posteriormente la localización de los sistemas de drenaje. Dicho de otra manera, los planos y mapas no solo deben ser hipsográficos; podrán contener de modo adicional -con la tecnología de representación y modelación actual- SIG, BIM y Mapping, basándose en las nuevas tareas, las características fisiográficas y de cobertura vegetal que podrán facilitar y brindar elementos hidrológicos -como por ejemplo la precipitación efectiva-, para las propuestas de trazado de la carretera y la localización de los elementos de drenaje de modo más compatible a los requerimientos posteriores de restitución de las características del territorio y la planificación de los procesos de conservación de las carreteras. El tratamiento topográfico y el diseño de la rasante de las carreteras también inciden de modo directo en el factor hidráulico y en otros factores de la futura conservación. Los trabajos de topografía así como los multidisciplinarios se hacen imprescindibles a la hora del diseño de un puente, puesto que ya en el campo de la geodesia, pueden aportar ESTUDIO HIDROLÓGICO PARA EL DISEÑO DE DRENAJES EN CARRETERAS RELEVAMIENTO DE INFORMACIÓN HÍDRICA CARACTERIZACIÓN DE LA CUENCA CLIMÁTICA ANÁLISIS DE INFORMACIÓN HIDROLÓGICA TRATAMIENTO DE LOS DATOS DE PRECIPITACIÓN DETERMINACIÓN DE CAUDALES DE CRECIDA DETERMINACIÓN DE CARACTERÍSTICAS MORFOMÉTICAS DETERMINACIÓN DE CARACTERÍSTICAS FISIOGRÁFICAS DETERMINACIÓN DE CARACTERÍSTICAS HIDROGEOLÓGICAS DETERMINACIÓN DE NÚMEROS DE CURVA APLICACIÓN DE MODELOS HIDROMÉTRICOS CÁLCULO DE CAUDALES EN LA CUENCA Y SUBCUENCAS CÁLCULO DE CAUDALES EN MICROCUENCAS ANÁLISIS DE TRANSPORTE DE SEDIMENTOS CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES con información complementaria que es requerida: • El proyecto geométrico de la carretera y sus secciones transversales de construcción, que incluya el trazo, los datos de bancos de nivel, las referencias topográficas y las elevaciones de la subrasante. • El estudio geológico de la zona, que permita inferir la infiltración del agua de lluvia en la cuenca. • Las fotografías aéreas de la zona, a escalas uno a cinco mil (1:5.000) o uno a diez mil (1:10.000), y de ser posible, las restituciones fotogramétricas, a escalas de uno a mil (1:1.000) o uno a dos mil (1:2.000), con el propósito de precisar las características fisiográficas de la cuenca y analizar el comportamiento de la corriente, particularmente cuando se trate de cauces ‘divagantes’ o con llanuras de inundación extensas, de más de un (1) kilómetro de ancho. • De ser posible, los estudios topohidráulicos, hidrológicos o hidráulico-hidrológicos y los proyectos de otros puentes sobre el mismo cauce, que puedan servir como modelos a escala natural para el diseño hidráulico del nuevo puente. En compensación a costos y tiempos en los que se incurre con esta visión ampliada, los resultados de inicio se volcarán en beneficio de un razonable diseño de estas obras que aminore riesgos, y un grado de compatibilidad con el territorio que ate- nuará los impactos en concordancia con el diseño, en lugar de las ‘cicatrices’ que reflejan las carreteras y que se marcan con más rigor por las ocurrencias hidrológicas descontroladas en búsqueda de nuevos cursos debido a las limitaciones que le ofrecen los sistemas implementados con visión tradicional. También es necesario contemplar, que la solución de problemas de drenaje superficial y subterráneo implica, en diversas ocasiones, problemas complejos que no pueden resolverse con sólo las advertencias que vertimos o recomendaciones de manual, y requieren de la participación de especialistas que puedan desempeñarse en los diferentes sistemas de Drenaje Transversal, Drenaje de la Plataforma, Diseño de Canales en Régimen Uniforme u otros variables, Drenaje Subterráneo, Procedimientos y Técnicas de Hidráulica y Mecánica Fluvial, Defensas Fluviales y Criterios Ambientales, etc.. Una de las falencias más reiteradas en la elaboración de proyectos de infraestructura productiva en lo que corresponde a la ingeniería del Proyecto, es el análisis hidrológico de las precipitaciones diarias máximas -que particularmente en puentes-, solo consideran media docena de años o como máximo diez años, cuando debe aplicarse el mismo registro de la vida útil, o como mínimo 20 años. De modo excepcional este número podrá disminuir con la consiguiente justificación técnica. La Guía para la Gestión de Recursos Hídricos sostiene: “… se sugiere una extensión ideal o deseable de registro de series de los parámetros que serán empleados en los análisis; sin embargo, cuando esto no es posible, se sugiere que el analista sea explícito en la descripción de los datos, de su extensión y en las hipótesis de trabajo que emplea, en el caso de que las series no presenten las extensiones temporales sugeridas, dejando en claro lo que está asumiendo para el empleo de sus series y parámetros. De este modo se tendrá una referencia del nivel de incertidumbre del análisis debida a la carencia o escasez de información.” CAF (2014), Guía para la Gestión de Recursos Hídricos en Cuencas de Montaña Bajo el Efecto del Cambio Climático. La Paz – Bolivia. En consecuencia, al menos se deberá aplicar un número de registros mayor o igual al periodo de vida de las estructuras a ser diseñadas. Para referencia, presentamos en la siguiente página la Tabla correspondiente. La Tabla extractada del Manual Técnico para el Diseño de Carreteras en Bolivia (Vol2 Hidrología y Drenaje), indica también el riesgo de falla de las distintas obras suponiendo una vida útil como la indicada, supuesto que es bastante representativo de las condiciones usuales. El Manual sostiene que es importante recalcar que un valor de diseño correspondiente a un período de retorno de 50 años, tiene en promedio una probabilidad de ser igualado o superado igual a 0,02 (2%) en un año cualquiera, sin embargo, la probabilidad que iguale o sobrepase en un período de 10 años sube a 0,18 (18%); en un período de 25 años sube a 0,38 (38%) y en un período de 50 años sube a 0,64 (64%). Es decir, se requiere usar en el diseño un período de retorno alto, para contar con una seguridad de funcionamiento razonable de la obra durante su vida útil. Sin una buena información histórica, los errores más frecuentes se derivan en caudales de diseño con una elección irregular de período de retorno y en consecuencia sistemas de drenaje longitudi- Presupuesto & Construcción Año 30 N° 68, Enero – Abril 2019 89 TIPO DE OBRA Puentes y Viaductos (1) Alcantarillas (S>1.75m ) o HTerrap ≥ 10m y Estructuras Enterradas (2) 2 Alcantarillas (S<1.75m2) Drenaje de la Plataforma Defensas de Riberas Período de Retorno (T años) Verificación (4) Vida Útil Supuesta (en años) Diseño Verificación 200 300 50 22 15 Camino 100 150 50 40 28 Carretera 100 150 50 40 28 Camino 50 100 30 45 26 Carretera 50 100 50 64 40 Camino 25 50 30 71 45 Carretera 10 25 10 65 34 Camino 5 10 5 67 41 Carretera 100 - 20 18 - Camino 100 - 20 18 - Tipo de Ruta Diseño (3) Carretera Riesgo de Falla (%) a) En el caso de Viaductos, el cálculo de caudales en crecida está destinado a calcular la socavación en las fundaciones de las Pilas. Iguales T se empleará para el cálculo de socavaciones en puentes. b) Las Alcantarillas de drenaje construidas bajo terraplenes de altura ≥ 10 m deben diseñarse para estos Períodos de Retorno, cualquiera sea su Sección. En esta misma categoría se clasificarán las estructuras proyectadas bajo el nivel del terreno natural circundante, destinadas al cruce desnivelado de dos vías. c) Para la etapa de diseño de puentes y defensas de ribera, la revancha mínima asociada a la cota de aguas máximas para el período de retorno de diseño debe ser de 1,0 m. d) Para la verificación hidráulica de Puentes se considerará que la revancha asociada a la cota de aguas máximas para el período de retorno de verificación puede reducirse a 0,30 m. nales de sección insuficiente; bajantes de agua sin suficiente disipación de energía, etc. Se puede entender que la baja densidad de las instalaciones de pluviómetros o pluviógrafos sobre el territorio nacional, impiden una aplicación exhaustiva de los datos de precipitación. Sin embargo. los métodos estadísticos y de cuantificación pluvial constituyen una alternativa al alcance de los especialistas, que son en primera y última instancia los responsables del éxito o fracaso del cálculo de los caudales de diseño. En controversia al análisis planteado hasta este punto, se tiene una limitante del ámbito administrativo y de tuición de las carreteras de la Red Vial Fundamental, que está ligada al Manual Técnico para el Diseño de Carreteras Vol 2, que sostiene: “… el mejoramiento del drenaje consultado se extenderá solamente a la franja de expropiación de la carretera…”. Esta afirmación efectivamente suprime la posibilidad de un análisis y aplicación multicriterio en la Cuenca afectada dentro de la que transcurren los drenajes naturales y sobre los cuales se proyecta una carretera. Pero en rigor, el análisis propositivo que se plantea en este artículo podrá constituirse, en todo caso, en retroalimentación 90 para el ajuste de los manuales actualizados y el complemento a un marco jurídico que retome la integración de lo local con lo regional, pues las cuencas no tienen fronteras administrativas, y se hace necesaria la diagnosis y zonificación hidrológica en escala regional para proveer información que facilite los diseños. De modo comparativo, se podrá afirmar que los criterios para el análisis de las características de la Cuenca, no pueden establecerse en la franja mencionada; por el contrario, es altamente probable que esa limitante haya sido registrada mediante una visión exclusivamente jurídica lejos del multicriterio o de un criterio transversal. Si no fuera así, podemos compatibilizar lo que se ha desarrollado hasta ahora en el presente artículo con otras normativas. Aspectos de Hidrología y Drenaje Considerados en el Manual Colombiano De acuerdo al Manual de Drenaje para Carreteras del Instituto Colombiano de Vías, las características físicas más importantes de las cuencas hidrográficas (hoyas hidrográficas), que deben considerarse Presupuesto & Construcción Año 30 N° 68, Enero – Abril 2019 para realizar el estudio hidrológico para el desarrollo de carreteras, son las siguientes: a) Área de drenaje. Es el área plana (proyección horizontal) incluida entre su divisoria topográfica. b) Forma de la cuenca. Esta característica es importante, pues se relaciona con la capacidad de concentración del caudal pico de una creciente. En cuencas circulares esta concentración es mayor, mientras que en cuencas alargadas es menor. c) Sistema de drenaje. Este parámetro indica la cantidad de los cursos de agua en la cuenca y se identifica con la densidad de drenaje, definida esta última como la longitud total de los cursos de agua dentro de la cuenca entre el área de drenaje de la misma. Una cuenca con buen sistema de drenaje tiende a producir un mayor caudal pico de escorrentía superficial. d) Pendiente de la cuenca. Determina, de manera indirecta, la capacidad de concentración del agua y la producción de caudales pico de escorrentía superficial altos en la cuenca. Una cuenca con alta pendiente es propensa a la producción de altos y rápidos caudales pico. Este parámetro se puede calcular por medio de la curva de distribución de pendientes de la cuenca. e) Pendiente del cauce principal. Dado que el cauce principal es el desagüe de la cuenca, este parámetro también determina la rapidez de producción del caudal pico de escorrentía superficial y la capacidad de concentración de la referida descarga. Para evaluar este parámetro existen dos metodologías. La primera se relaciona con la pendiente total del cauce principal, y es igual a la diferencia entre las cotas mayor y menor del cauce sobre la longitud total del mismo. La segunda se define como la pendiente media ponderada del cauce principal; para ello, en primer término, se debe trazar el perfil longitudinal de la corriente, y luego, haciendo base en la cota menor del referido perfil, se calcula un triángulo que tenga la misma área geométrica del mencionado perfil longitudinal. La diferencia de cotas del triángulo resultante, dividida por la longitud del cauce, es igual a dicha pendiente. El valor de esta pendiente representa mejor las características reales de la pendiente promedio del cauce principal. f) Tiempo de concentración. Se define como el tiempo necesario, desde el inicio de la precipitación, para que toda la cuenca contribuya al sitio de la obra de drenaje en consideración, o, en otras palabras, el tiempo que toma el agua desde los límites más extremos de la cuenca hasta llegar a la salida de la misma. Veamos a continuación otros criterios establecidos en el capítulo de Aspectos de Hidrología, Hidráulica y Transporte de Sedimentos del Manual de Carreteras Vol. Nº2 dedicado a Procedimientos para Estudios Viales elaborado en Chile. Aspectos de Hidrología y Drenaje Considerados en el Manual Chileno En él se incluyen los aspectos conceptuales y los fundamentos básicos sobre los cuales se sustentan los criterios y las recomendaciones de diseño. Trata aspectos generales, procedimientos y técnicas hidrológicas, procedimientos y técnicas hidráulicas, alcance de los estudios de hidrología e hidráulica en las diversas etapas de un proyecto, e ilustra algunos procedimientos específicos de diseño para casos típicos de análisis hidrológico y de diseño hidráulico. Los estudios de hidrología y de hidráulica en el proyecto de obras viales deben proporcionar al proyectista los elementos de diseño necesarios para dimensionar las obras que, técnica, económica y ambientalmente, cumplan con los siguientes fines: a) Salvar cauces naturales, lo cual determina obras importantes tales como puentes y alcantarillas de gran longitud o altura de terraplén. b) Restituir el drenaje superficial natural, el cual se ve afectado por la construcción de la vía. Ello debe lograrse sin obstruir o represar las aguas y sin causar daño a las propiedades adyacentes. c) Recoger y disponer de las aguas lluvias que se junten sobre la plataforma del camino o que escurren hacia ella, sin causar un peligro al tráfico. d) Eliminar o minimizar la infiltración de agua en los terraplenes o cortes, la que puede afectar las condiciones de estabilidad de la obra básica. e) Asegurar el drenaje subterráneo de la plataforma y base, de modo de no afectar adversamente las obras de la superestructura. f) Considerar el impacto ambiental que pueden tener las obras proyectadas. Estos incisos de los manuales colombiano y chileno, nos permiten retornar a la visión ampliada de análisis de la Cuenca, en la que también aplicaremos los diferentes tipos de aforos en época de lluvias, para comparar con los caudales extremos y tener criterios finales de mayor precisión para la gestión del agua. En los casos de cuencas con pendientes significativas en las que escurran aguas turbulentas, se recomienda la aplicación del método indirecto de aforo mediante trazadores, preferiblemente con el uso de cloruro de sodio, como agente no contaminante. Si bien este método es poco difundido en nuestro país a diferencia de Europa u otros países de la región sudamericana, es de mayor precisión para este tipo de caudales muy dinámicos. La Facultad de Tecnología de la Universidad Mayor de San Andrés, ha realizado aplicaciones de éste método con resultados prácticos exitosos que próximamente serán difundidos. La precisión de los estudios hidrológicos e hidráulicos es fundamental para la adecuada gestión de las aguas en las cuencas, y en consecuencia, para el diseño de los elementos de drenaje. De modo complementario, las series históricas de precipitaciones pluviales, nos permitirán precisar los períodos de retorno adecuados, y si es necesario, se podrá contar con los datos de estaciones pluviométricas cercanas, que reúnan las condiciones de homogeneidad morfológica y de comportamiento climático similar. En este contexto, la aplicación de los métodos de ‘estaciones vecinas’ se convierte en la herramienta más aconsejable. En ausencia de éstas, se cuenta con diferentes métodos aplicables a la falta de registros pluviales, que se seleccionarán en función a cada caso. Dicho de otro modo, los métodos se aplicarán de acuerdo al cumplimiento de ciertas condiciones que abarcan distancias, morfología de la zona, cantidad de datos faltantes, tipo de datos faltantes, etc. La siguiente Tabla, nos muestra los métodos utilizados para diferentes condiciones. Y aunque bastante clásicos, los métodos de Proporción Normal y de Inverso de la Distancia establecidos en 1952 por Paulhus y Kohler, siguen siendo efectivos en los casos de densidades menores de distribución de estaciones pluviales sobre el territorio, que es el caso nuestro. La complejidad del análisis de datos pluviales en los estudios hidrológicos -cuando la información es incompleta-, se agudiza si no se aplica de modo preciso el método más MÉTODOS APLICABLES PARA DATOS FALTANTES EN REGISTROS PLUVIALES MÉTODO Método de la Razón q DESCRIPCIÓN SINTÉTICA Se aplica a pares de estaciones, en donde A tiene los datos completos y B no. Ventajas: permite rellenar medias de diferentes períodos y puede ser utilizado para valores mensuales y anuales. Método de la Razón-Normal Considera promedios de precipitación anuales en períodos iguales, no normales. Se aplica a tres estaciones cercanas y uniformemente espaciadas con respecto a la estación en estudio. Ventajas: Este método se sugiere para cuando las diferencias en las precipitaciones anuales normales de las estaciones consideradas son mayores que un 10 %. Desventajas: la uniformidad de espaciamiento puede ser difícil de cumplir en algunas regiones. Método de Regresión Lineal Este método es uno de los más utilizados; se recomienda para la estimación de datos mensuales y anuales. Se requiere establecer una regresión y correlación lineal con la estación patrón consistente, mediante una ecuación lineal de dos variables. Método por Razones de Distancias Se utiliza para la estimación de datos menores de un año, en zonas planas; las estaciones deben tener una disposición espacial lineal como la que se muestra en la Figura 3. Donde A y B esté completa su información y la estación X está incompleta. Método por Promedios Vecinales Se utiliza para completar datos menores de un año, en zonas planas no montañosas. Se debe considerar la distribución espacial en donde la estación con carencia de datos, queda ubicada al centro de tres estaciones con estadística completa Método por Razones Promedio Es complementario al método anterior para zonas montañosas, donde las precipitaciones de A, B y C diferirán generalmente en más de un 10%. Método por Correlación con Estaciones Vecinas (CEV) Se utilizan las precipitaciones estimadas a partir de correlaciones entre la estación con datos faltantes y cada una de las estaciones vecinas, a los que se asocian los coeficientes de correlación respectivos (UNESCO-ROSTLAC, 1982). El coeficiente de correlación no debe superar la barrera del valor ± 0,8 (CAZALAC, 2005). Completación por Regresiones Múltiples Se recomienda para estimación de datos mensuales y anuales de la estación en estudio, en base a datos pluviométricos consistentes de una estación cercana. Es recomendable siempre que se cuente con estaciones cercanas y confiables. Transformada Wavelet (TW) Permite estudiar series de tiempo con una resolución baja para escalas grandes (Estructuras generales) y con resoluciones altas para escalas pequeñas (Estructuras finas). Aunque más complejo por la construcción del algoritmo, es bastante fiable. Fuentes: - Revista Tecnológica ESPOL – RTE, Vol. 28, N. 3, 42-52, (Noviembre 2015) - UNESCO – ROSTLAC. 1982. Guía metodológica para la elaboración del balance hídrico de América de Sur. Oficina Regional de Ciencias y Tecnología de la UNESCO para América latina y el Caribe. Montevideo. Uruguay. 129 p - España. 745p Presupuesto & Construcción Año 30 N° 68, Enero – Abril 2019 91 adecuado. En este sentido, los cálculos de caudales de diseño pueden convertirse en un dolor de cabeza, y de no contar con resultados comprobables y contrastados, la ejecución de los diseños se convertirán en el castigo de Sísifo; y tendremos que parchar y reparchar constantemente las condiciones vulnerables resultantes. Este aspecto nos hace reflexionar en que la ‘La vida es como las matemáticas: Si algo es fácil lo estás haciendo mal’. Elementos en los Sistemas de Drenaje El sistema de drenaje de una carretera, es un conjunto de obras que permiten acondicionar el agua existente a procesos de captación, conducción, y evacuación. El exceso de agua en los suelos o en la conformación de una carretera, afecta sus propiedades mecánicas mediante la transferencia de carga, presiones en la porosidad, presiones hidrostáticas, y en tanto se aprecien gradientes significativas de temperatura, generará cambios volumétricos. En consecuencia -aun cuando el agua es un medio físico fundamental para la vida-, será el agente físico más relevante en procesos de deterioro prematuro de las carreteras. Adicionalmente, dependiendo de la disposición geométrica de los elementos a diseñar respecto al eje de la carretera, el drenaje será Longitudinal o Transversal. El drenaje longitudinal captará los escurrimientos para evitar que lleguen a la carretera o permanezcan en ella y causen deterioros. En este tipo de drenaje longitudinal se destacan las cunetas, las contracunetas, los bordillos y los canales de encauzamiento hacia sumideros o zonas de descarga. Estos drenajes se sitúan más o menos paralelos al eje de la carretera. Por su parte, el drenaje transversal se caracteriza por dar paso desahogado al agua que cruza de un lado al otro de la carretera, o bien la evacúa de la corona del modo más rápido posible, mediante cajones, tubos, losas, bóvedas, lavaderos, vados, sifones invertidos, puentes o pontones, bombeo de la corona. Para el desarrollo de los elementos de drenaje se requiere determinar el caudal que debe evacuar cada elemento del desagüe superficial a diseñar (Longitudinal o Transversal). La determinación del caudal estará en función de: • Cuencas (en rigor subcuencas o microcuencas), interceptadas por la carretera (Transversal) • La propia carretera, taludes, etc., (Longitudinal). Drenaje Superficial Consiste en un conjunto de obras destinadas a la recolección de las aguas pluviales, de deshielo o de afloramientos y su canalización y evacuación a los cauces naturales, a sistemas de alcantarillado o a la capa freática del terreno. El funcionamiento a superficie libre de las estructuras hidráulicas de drenaje vial, también llamadas de canal abierto, están ligadas a la presión atmosférica y de acuerdo a la velocidad de la circulación del agua en el tiempo y a las diferencias de cota en su curso, se manifiestan diversos tipos de flujo, que se clasificarán como uniformes, no uniformes o variados, permanentes y no permanentes o combinaciones de los anteriores. Esta clasificación es beneficiosa para facilitar el diseño de los elementos. Son obras que actúan directamente sobre la carretera y las obras para el control de erosión de taludes que resultan ser muy importantes en la estabilidad de la vía. Para ello Derecho de vía Corona Rasante Cuneta Calzada Berma 7,3 m Talud 2m 0,9 Base Asfalto Terraplén Estas aguas que se requieren controlar, conforman dos clasificaciones de sistemas de drenaje en función de la localización de aguas a controlar y evacuar: el Drenaje Superficial y el Drenaje Subterráneo. Dicho de otro modo, la clasificación se aplicará dependiendo de si el agua escurre o no por las capas superiores o inferiores de la corteza terrestre. También y de acuerdo con la dimensión de las obras de drenaje transversales, algunos profesionales optan por dividir el drenaje en mayor y menor. El drenaje mayor requiere de obras que abarquen un claro superior a los 6m. A las obras de drenaje mayor se les denomina puentes o pontones y a las del drenaje menor, alcantarillas o pasos de agua. 92 Para mejor comprensión de la localización de los elementos del sistema de drenaje, veamos inicialmente las partes de una carretera estánda y posteriormente una imagen con información complementaria. Presupuesto & Construcción Año 30 N° 68, Enero – Abril 2019 Sub base Berma Perfil Natural del Terreno requeriremos aplicar las diversas ecuaciones empezando con la de Energía Específica y Número de Froude, para el análisis del Flujo Crítico; la ecuación de Chezy y la de Manning para Flujos Uniformes Permanentes y las ecuaciones de Continuidad y de Energía para el Flujo Gradualmente Variado, etc. El resultado final del análisis para los drenajes superficiales nos acercará a los elementos típicos de este tipo de drenajes subdividiéndolos como se afirmó con anterioridad en Drenaje Longitudinal y Drenaje Transversal. Drenaje Longitudinal Permite el paso del agua a través de los cauces naturales bloqueados por la infraestructura vial, de forma que no se produzcan deterioros en ella. Como se mencionó, tiene la finalidad de captar los flujos de agua para evitar que lleguen a la vía o permanezcan en ella causando deterioro. A este grupo pertenecen las cunetas, bordillos, sumideros, canales de conducción, arquetas, etc. Actúa a modo de by-pass, ofreciendo al agua un camino alternativo para que no interfiera con la carretera. El sistema de drenaje longitudinal lo integran tres tipos de elementos funcionales: • Elementos de canalización: Recogen las aguas pluviales. • Elementos de desagüe: Alivian el caudal de los anteriores, facilitando la salida de las aguas. • Elementos de evacuación: Conducen las aguas hasta su evacuación en un cauce natural. Para todas las definiciones conceptuales de los elementos que se describirán a continuación, aplicaremos la Norma mexicana N·CTR·CAR y las Especificaciones Técnicas de Ingeniería del repositorio digital PTOLOMEO de la Facultad de Ingeniería de la UNAM (Universidad Autónoma de México) aguas hasta los sitios de desagüe. Además de esta función principal, las cunetas prestan otro tipo de funciones útiles para el correcto funcionamiento de la infraestructura viaria: Las Cunetas - Control del nivel freático - Evacuación de las aguas infiltradas - Servir de almacén eventual de la nieve retirada de la calzada Las cunetas deben tener dimensiones adecuadas y precisas, y se diseñan en función de las condiciones hidrológicas e hidráulicas del lugar. También llamados Caces cuando su dimensión es de sección menor, son elementos fundamentales para la vida útil de la vía en modo de zanjas que se construyen adyacentes a la corona en uno o ambos lados, su función principal es la recolección y evacuación de las aguas que escurren sobre la superficie de la corona, de los taludes de los cortes, o del terreno contiguo. Las cunetas conducen las Debido a que el área a drenar por las cunetas es relativamente pequeña, generalmente se las diseña para soportar fuertes aguaceros de 10 a 20 minutos de duración. Las dimensiones, la pendiente y otras características de las cunetas, se determinan mediante el flujo que va a escurrir por las mismas. Las cunetas generalmente se construyen de sección transversal triangular. Elementos de Canalización Las Contracunetas Son zanjas o bordos que se construyen en las laderas localizadas aguas arriba de los taludes de los cortes, con el objeto de interceptar el agua que escurre sobre la superficie del terreno natural, conduciéndola a una cañada inmediata o a una parte baja del terreno, para evitar el saturamiento hidráulico de la cuneta y el deslave o erosión del corte. Según lo indique el proyecto o la Supervisión, las zanjas pueden estar recubiertas o no y los bordos pueden ser de tierra, concreto o suelo-cemento. Los Bordillos Los bordillos son elementos que interceptan y conducen el agua que por el efecto del bombeo corre sobre la corona del camino, descargándola en los lavaderos, para evitar erosión a los taludes de los terraplenes que estén conformados Contracuneta LC Terreno natural Material producto de la excavación de la contracuneta Rasante Cuneta S= 2 • 6 % Sub•base Presupuesto & Construcción Año 30 N° 68, Enero – Abril 2019 93 por material erosionable. Los bordillos pueden ser de concreto hidráulico, concreto asfáltico o de suelo-cemento. En todos los casos se considerarán obras provisionales en tanto el talud se vegete y se proteja por sí mismo o sea protegido mediante otro procedimiento, momento en que deben ser removidos y retirados. Canales de Encauzamiento En terrenos sensiblemente planos, en los cuales el escurrimiento es de tipo torrencial y no existen cauces definidos, es necesario construir canales que intercepten el agua antes de que ésta llegue al camino y la conduzca a sitios elegidos con anticipación, en los que se pueda construir una obra transversal y efectuar el cruzamiento. Si el material extraído al hacer estos canales tiene la calidad adecuada, puede utilizarse en la construcción de los terraplenes. La pendiente del canal se proyecta con base en que la descarga se efectuará en el sitio preestablecido y se evitará construir canales de salida de gran longitud, entre otros factores. Los canales de encauzamiento se clasifican según contemplen 94 o no revestimiento: Revestidos y Erosionables. Drenaje Transversal En esta clasificación se han añadido los Canales Bajantes o Bajantes de Agua, que también podrían figurar entre los drenajes longitudinales, puesto que dependerán del ángulo que formen con el eje de la carretera ya sea en la tendencia de ser paralelo o la tendencia a ser perpendicular. Tubos y Alcantarillas Los tubos son alcantarillas de sección interior usualmente circular y que requiere un espesor de terraplén o un colchón mínimo de 0.60m para un mejor funcionamiento estructural. El material utilizado para este tipo de alcantarilla puede ser de concreto reforzado o lamina ondulada. En tres de las imágenes se puede apreciar el alcantarillado de entrada y salida, que conforma parte de los elementos ODT (Obra de Drenaje Transversal) Alcantarillas Cajón Son estructuras de sección rectangular con paredes, techos y piso de concreto Presupuesto & Construcción Año 30 N° 68, Enero – Abril 2019 reforzado cuya construcción requiere de cuidados especiales. Trabajan en conjunto como un marco rígido que absorbe el peso y el empuje del terraplén, la carga viva y la reacción del terreno. Tanto las losas como los muros son de sección delgada y de poco peso. Bóvedas Las bóvedas son estructuras cuya sección transversal interior está formada por tres parte principales: el piso, dos paredes verticales que son las caras interiores de los estribos y sobre éstas un arco circular de medio punto o rebajado que es el intradós de un arco estructural de sección variable con un mínimo de espesor en la clave. Hasta aquí hemos descrito una parte de los elementos de drenaje en carreteras. En edición posterior de la Revista, continuaremos estos aspectos y también describiremos las acciones de conservación de los elementos.
