Seccion-5-Drenaje-Transversal-en-Carreteras

SECCIÓN
N° 5
DRENAJE TRANSVERSAL EN CARRETERAS
5.1 INTRODUCCIÓN
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, en forma permanente o eventual, pueda atravesar bajo la plataforma de la carretera sin
causar daños a ésta, riesgos al tráfico o a la propiedad adyacente.
Se entiende por alcantarilla a una estructura de drenaje cuya luz mayor, medida paralela al eje de la
carretera, sea de hasta 6 m; Losas de luces mayores, se tratarán como puentes en lo relativo a su
cálculo hidráulico. La alcantarilla debe ser capaz de soportar las cargas del tráfico en la carretera, el
peso de la tierra sobre ella, las cargas durante la construcción, etc., es decir, también debe cumplir
requisitos de tipo estructural.
5.2 UBICACIÓN, ALINEACIÓN Y PENDIENTE DE LAS ALCANTARILLAS
La adecuada elección de la ubicación, alineación y pendiente de una alcantarilla es importante, ya que
de ella depende su comportamiento hidráulico, los costos de construcción y mantenimiento, la
estabilidad hidráulica de la corriente natural y la seguridad de la carretera.
En general, se obtendrá la mejor ubicación de una alcantarilla cuando ésta se proyecta siguiendo la
alineación y pendiente del cauce natural, ya que existe un balance de factores, tales como, la pendiente
del cauce, la velocidad del agua y su capacidad de transportar materiales en suspensión y arrastre de
fondo. Cuando se cambia cualquiera de estos factores es necesario compensar con cambios en otro de
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ellos. Por ejemplo, si se acorta un canal largo, se aumenta la pendiente y como consecuencia, aumenta
la velocidad. Un aumento en la velocidad tiene como efecto secundario problemas de erosión, que
agrandan la sección hasta que las pérdidas por fricción compensan el aumento de pendiente y reducen
la velocidad hasta límites bajo aquellos que producen erosión. En un caso como el expuesto o en
general para prevenir la erosión se puede revestir el cauce, o darle al canal una forma tal que reduzca
la velocidad, debido al aumento de la rugosidad.
Al alargar un canal corto ocurre la situación contraria. Se produce una disminución de la pendiente y
como consecuencia disminuye la velocidad. Con esto, la capacidad para transportar materiales en
suspensión se reduce y éstos se depositan. Para estos casos es necesario tratar de mantener la
velocidad original cambiando la forma del canal o disminuyendo la rugosidad.
5.2.1 Ubicación en Planta
Desde el punto de vista económico el reemplazo de la ubicación natural del cauce por otra normal o
casi normal al eje del camino, implica la disminución del largo del conducto, el acondicionamiento del
cauce y la construcción adicional de un canal de entrada y/o de salida. Las distintas soluciones que
podrían darse en el caso general, de un cauce con fuerte esviaje aparecen en la Figura 5.1.
Figura 5.1 Cauces con fuerte esviaje respecto del eje del camino
Caso 1: Se conserva la entrada y la salida del canal natural. Esta solución de la longitud máxima de
alcantarilla colocando la alcantarilla ligeramente a un lado del canal natural se puede obtener por lo
general una mejor función, siendo necesario desviar la corriente.
Caso 2: La entrada se la coloca en el canal natural y la salida se desplaza para tener una alcantarilla
casi normal al eje de la carretera. Como en este caso se ha alargado la línea de flujo, esto será acosta de
reducir la pendiente. Las estructuras de entrada y salida y la alineación del canal deben hacerse a tal
267
modo de minimizar los efectos de cambios bruscos de dirección. Ello podría aumentar la sección de la
alcantarilla comparada con la de la solución anterior. En los efecto será necesario considerar
estructuras especiales en la entrada y salida, la construcción del canal a la salida y su mantención.
Caso 3: Se ha desplazado la entrada de modo que la salida descargue directamente en el canal natural.
El canal de acercamiento a la alcantarilla debe tener una buena alineación con ella para necesitar una
entrada o salida especial. El tamaño del la alcantarilla puede ser influenciado por el hecho que al
aumentar la longitud de flujo debe reducirse la pendiente. Habrá costos adicionales por construcción y
mantención del canal, un posible mayor diámetro y protección del terraplén en la entrada.
Caso 4: En este caso se ha desplazado, tanto la entrada como la salida. No se obtiene un mejoramiento
hidráulico con esta solución y solo conviene usarla cuando hay restricciones de espacio para otras
soluciones. En este caso se requieren estructuras especiales de entrada y de salida de canales de
acercamiento en los dos extremos, los que deben considerarse en el costo, además de una posible
mayor sección de la alcantarilla debido a la disminución de la pendiente.
5.2.2 Perfil Longitudinal
La mayoría de las alcantarillas se colocan siguiendo la pendiente natural del cauce, sin embargo, en
ciertos casos puede resultar aconsejable alterar la situación existente. Estas modificaciones de
pendiente pueden usarse para disminuir la erosión en el o en los tubos de la alcantarilla, inducir el
depósito de sedimentos, mejorar las condiciones hidráulicas, acortar las alcantarillas o reducir los
requerimientos estructurales. Sin embargo, las alteraciones de la pendiente deben ser estudiadas en
forma cuidadosa de tal modo de no producir efectos indeseables.
En la Figura 5.2 se indican los perfiles longitudinales de alcantarillas más usuales con sus respectivas
estructuras especiales de salida o de entrada.
En general, al cambiar la pendiente en cada uno de estos casos, debe tenerse especial cuidado que el
terreno de fundación de la alcantarilla no permita asentamientos, debiendo ser terreno natural firme o
relleno estructural debidamente compactado, en caso contrario las fuerzas de corte causadas por el
asentamiento de terraplenes importantes, pueden causar el colapso total de la estructura.
268
Figura 5.2 Ubicación de alcantarillas, respecto de la pendiente del cauce
5.3 ELECCIÓN DEL TIPO DE ALCANTARILLA
5.3.1 Forma y sección
Las formas usuales de alcantarillas son: Circulares, Cajón (rectangular), Elíptico, Tubo – Arco,
Arco y múltiples. La selección de la forma está basado en el coste de la construcción de la
alcantarilla, las limitaciones de la altura de agua río arriba, altura de terraplén de calzada, y
rendimiento hidráulico.
269
Figura 5.3 Formas de la alcantarilla
La alcantarilla circular es una de las más usadas y resiste en forma satisfactoria, en la mayoría de los
casos, las cargas a que son sometidas. Existen distintos tipos de tubos circulares que se utilizan con
este propósito. El diámetro para alcantarillas de caminos locales o de desarrollo deberá ser al
menos 0,8 m, o bien 1m si la longitud de la obra es mayor a 10 m. En las demás categorías de
caminos y carreteras el diámetro mínimo será de 1 m.
Las alcantarillas de cajón cuadradas o rectangulares pueden ser diseñadas para evacuar grandes
caudales y pueden acomodarse con cambios de altura, a distintas limitaciones que puedan existir, tales
como alturas de terraplén o alturas permisibles de agua en la entrada. Como generalmente se
construyen en el lugar deberá tomarse en cuenta, el tiempo de construcción al compararlas con las
circulares prefabricadas.
En los cauces naturales que presentan caudales de diseño importante, si la rasante es baja respecto del
fondo del cauce, se suelen ocupar alcantarillas múltiples. Sin embargo, cuando se ensancha un canal
para acomodar una batería de alcantarillas múltiples, se tiende a producir depósito de sedimentos tanto
en el canal como en la alcantarilla, situación que deberá tenerse presente.
La capacidad hidráulica de una alcantarilla puede ser mejorada por la selección de entrada apropiada.
Debido a que el canal natural es generalmente más amplio que el barril de alcantarilla, el borde de
entrada de alcantarilla representa una contracción de circulación y podría ser el control de circulación
principal.
5.3.2 Tipos de Entrada
270
Figura 5.4 Cuatro tipos de entrada usuales (esquemático)
Los distintos tipos de entrada en la circulación del flujo disminuirá gradual la pérdida de energía y
creará una condición de entrada más eficiente hidráulicamente por lo tanto, los bordes biselados son
por lo tanto más eficientes que los bordes cuadrados (Figura 5.5). Las entradas con Alas y Muro
frontal reducen la contracción de circulación más lejos (Figura 5.6). Las entrada hundidas con muro
frontal y alas, incrementan la altura eficaz sobre la sección de control de circulación (Figura 5.7), así
incrementando la eficiencia de alcantarilla más lejos.
Figura 5.5 Contracción a la Entrada (esquemático)
271
Figura 5.6 Entrada con Alas y Muro Frontal
sin caída
Figura 5.7 Entrada con Alas y Muro Frontal
con caída
5.3.3 Materiales
Los materiales más usados para las alcantarillas son el hormigón (armado in situ o prefabricado) y el
acero corrugado. En la elección del material de la alcantarilla se deben tomar en cuenta la
durabilidad, resistencia, rugosidad, condiciones del terreno, resistencia a la corrosión, abrasión e
impermeabilidad. No es posible dar reglas generales para la elección del material ya que depende del
tipo de suelo, del agua y de la disponibilidad de los materiales en el lugar. Sin embargo, deberá tenerse
presente al menos lo siguiente:
Según sea la categoría de la carretera se deben considerar las siguientes vidas útiles:
 Autopistas > 50 años
 Colectores y Locales > 30 años
 Desarrollo > 10 años
Si se trata de caminos pavimentados la alcantarilla debe asegurar una impermeabilidad que evite la
saturación del terraplén adyacente, lo cual puede acarrear asentamientos del terraplén con el
consecuente daño al pavimento. Alcantarillas bajo terraplenes con altura superior a 5 m, deberán
construirse preferentemente de hormigón armado, por la dificultad que conlleva el reemplazo.
5.4 ESTUDIOS HIDROLÓGICOS
272
Los estudios hidrológicos permiten determinar el caudal de diseño de la estructura, el cual está en
correspondencia con el tamaño y característica de la cuenca, su cubierta de suelo y la tormenta de
diseño. Para un estudio hidrológico apropiado, se ha dividido según el tamaño en: método para
cuencas menores y cuencas medianas.
5.4.1 Método Racional Modificado
El Método Racional es utilizable en cuencas pequeñas, menores de 25 km². Supone que el
escurrimiento máximo proveniente de una tormenta es proporcional a la lluvia caída, supuesto que se
cumple en forma más rigurosa en cuencas mayoritariamente impermeables o en la medida que la
magnitud de la lluvia crece y el área aportante se satura.
Este método amplía el campo de aplicación del método racional, puesto que se considera el efecto de
la no uniformidad de las lluvias mediante un coeficiente de uniformidad. De este modo, se admiten
variaciones en el reparto temporal de la lluvia neta que favorecen el desarrollo de los caudales punta, y
solucionan el problema que planteaba la antigua hipótesis de lluvia neta constante admitida en la
fórmula racional, que ofrecía resultados poco acordes con la realidad.
El coeficiente de uniformidad representa el cociente entre los caudales punta en el caso de suponer la
lluvia neta variable y en el caso de considerarla constante dentro del intervalo de cálculo de duración
igual al tiempo de concentración de la cuenca en cuestión.
Según dicha formulación, el caudal punta de avenida en el punto de cruce de una vaguada con el
trazado, para un período de retorno dado, se obtiene mediante la expresión:
𝑸 = 𝑪𝑼 ×
𝑪𝑰𝑨
𝟑.𝟔
(5.1)
Donde:
Q: Caudal punta correspondiente a un determinado período de retorno (m3/s).
I: Máxima intensidad media de precipitación, correspondiente al período de retorno
considerado y a un intervalo igual al tiempo de concentración (mm/h).
A: Superficie de la cuenca (Km2).
C: Coeficiente de escorrentía.
CU: Coeficiente de uniformidad.
El método racional se ha utilizado ampliamente para la determinación de caudales de diseño en
carreteras, debido a su simplicidad y lógica. Sin embargo se deben tener presentes sus limitaciones y
las hipótesis involucradas. El método supone que el coeficiente de escorrentía se mantiene constante
para distintas tormentas, lo cual es estrictamente válido sólo para áreas impermeables, de allí la
necesidad de amplificar los valores de (C) para períodos de retorno altos.
5.4.1.1 Determinación del coeficiente de uniformidad (CU)
El coeficiente de uniformidad (CU) corrige el supuesto reparto uniforme de la escorrentía dentro del
intervalo de cálculo de duración igual al tiempo de concentración contemplado en la formulación del
método racional.
273
Aunque el coeficiente de uniformidad varía de un aguacero a otro, su valor medio en una cuenca
concreta depende principalmente de su tiempo de concentración. Esta dependencia es tan acusada que,
a efectos prácticos, puede despreciarse la influencia de las restantes variables, tales como el régimen
de precipitaciones, etc. Según J. R. Témez, su estimación, en valores medios, puede realizarse según
la siguiente expresión:
𝑪𝑼 = 𝟏 +
𝒕𝒄 𝟏.𝟐𝟓
𝒕𝒄 𝟏.𝟐𝟓 +𝟏𝟒
(5.2)
Donde:
CU: Coeficiente de uniformidad, que tiene en cuenta la falta de uniformidad en la distribución
del aguacero.
Tc: Tiempo de concentración (horas).
Dicha expresión está basada en los contrastes realizados en diferentes cursos de agua dotados de
estaciones de aforo, y en las conclusiones deducidas de algunos análisis teóricos desarrollados
mediante el hidrograma unitario.
5.4.1.2 Tiempo de concentración (TC)
El Tiempo de Concentración se define como el lapso de tiempo, bajo precipitación constante, que
tarda el agua en ir desde el punto más distante hidráulicamente definido dentro la cuenca hasta el
punto de evacuación o control.
La Tabla 5.1 y Tabla 5.2 se resumen las expresiones que se han propuesto para estimar el tiempo de
concentración en distintos casos. Por ser este tipo de expresiones producto de resultados empíricos,
obtenidos bajo ciertas condiciones particulares, es necesario tener presente que debe juzgarse
cualitativamente la factibilidad física del resultado entregado, previo a su aceptación. Como norma
general, el tiempo de concentración no debe ser inferior a 10 minutos, salvo que se tengan
mediciones en terreno que justifiquen adoptar valores menores.
274
Tabla 5.1 Fórmulas para el cálculo del tiempo de concentración en regiones llanas
Fuente: Manuales técnicos para el diseño de carreteras de la ABC
Tabla 5.2 Fórmulas Para El Cálculo Del Tiempo De Concentración En Regiones Con Pendientes
Fuente: Manuales técnicos para el diseño de carreteras de la ABC
5.4.1.3 Coeficientes de escorrentía
Los coeficientes de escurrimiento dependen de las características del terreno, uso y manejo del suelo,
condiciones de infiltración, etc. y se necesita un criterio técnico adecuado y experiencia para
275
seleccionar un valor representativo. En la Tabla 5.3 se entregan antecedentes con rangos usuales de
este coeficiente para diversos tipos de situaciones.
Tipo de Terreno
Coeficiente de escorrentía
Pavimentos de adoquín
0,50 – 0,70
Pavimentos asfálticos
0,70 – 0,95
Pavimentos en concreto
0,80 – 0,95
Suelo arenoso con vegetación y pendiente 2% 0,15 – 0,20
7%
Suelo arcilloso con pasto y pendiente 2% - 7%
0,25 – 0,65
Zonas de cultivo
0,20 – 0,40
Tabla 5.3 Coeficientes de escurrimiento (C)
Tipo de superficie
Periodo de retorno en años
2
15
25
Tierra cultivada
Plana 0-2%
0.31
0.38
Promedio, 2-7%
0.35
0.43
Pronunciada mayor 7%
0.39
0.46
Pasto/matorral
Plana 0-2%
0.25
0.32
Promedio, 2-7%
0.33
0.40
Pronunciada mayor 7%
0.37
0.44
Bosque
Plana 0-2%
0.22
0.30
Promedio, 2-7%
0.31
0.38
Pronunciada, mayor
0.35
0.43
7%
Pantano
0.90
0.90
Tabla 5.4 Coeficiente de Escorrentía
0.40
0.44
0.48
0.34
0.42
0.46
0.31
0.40
0.45
0.90
El método racional se ha utilizado ampliamente para la determinación de caudales de diseño en
carreteras, debido a su simplicidad y lógica. Sin embargo se deben tener presentes sus limitaciones y
las hipótesis involucradas. El método supone que el coeficiente de escorrentía se mantiene constante
para distintas tormentas, lo cual es estrictamente válido sólo para áreas impermeables, de allí la
necesidad de amplificar los valores de (C) para períodos de retorno altos. Se asume que el período de
retorno de la lluvia de diseño es igual al del caudal máximo.
5.4.1.4 Determinación de la intensidad
La intensidad se expresa como el promedio de la lluvia en mm/hora para un periodo de
retorno determinado y una duración igual al del tiempo de concentración (Tc) de la cuenca.
Los valores intensidades se pueden obtener a partir de las curvas Intensidad Duraci ón
Frecuencia (IDF). El ajuste de los datos por medio de los mínimos cuadrados resulta en una
ecuación en la cual se entra con la duración en minutos y se obtiene la intensidad.
276
𝑨
𝑰 = (𝑻+𝒅)𝒃
(5.3)
Donde:
I: Intensidad en mm/hora.
A, d y b: Coeficientes determinados
T: Duración de la lluvia en minutos
5.5 DISEÑO HIDRÁULICO
Si observamos una alcantarilla, no es más que un conducto cuya sección puede ser circular,
ovalada, rectangular, etc. Imaginemos que este conducto atraviesa un camino que se
encuentra en la ladera de una montaña. Evidentemente, el camino constituye una barrera
artificial para el agua que escurre a superficie libre sobre la ladera de la montaña y para todos
los cursos de agua que drenan por los múltiples cauces que bajan por la ladera. Cuando esos
flujos encuentran el camino, comienzan a escurrir paralelos al mismo y en la dirección de la
pendiente longitudinal del camino. Por esta razón se construyen a los bordes del camino canales
o canaletas que conducen el agua paralelo al mismo. Estos canales van recolectando agua en su
recorrido hasta llegar a una alcantarilla que la recibe y la cruza transversalmente al otro lado del
camino.
De acuerdo a las dimensiones, material de la alcantarilla, caudal, condiciones de entrada y de
salida de la misma, etc. irán variando las características hidráulicas del flujo; pudiendo variar
desde un flujo a superficie libre con un tirante pequeño, hasta un conducto a presión, cuando
fluye totalmente llena. Se han puesto de manifiesto dos formas fundamentales típicas de
escurrimiento en alcantarillas, que incluyen todas las demás:
1) Escurrimiento con control de entrada
2) Escurrimiento con control de salida
Entendiendo por sección de control, aquella sección donde existe una relación definida entre
el caudal y el tirante. Es la sección en la cual se asume que se desarrolla un tirante próximo al
crítico.
En el escurrimiento con control de entrada, el caudal que puede pasar por la alcantarilla,
depende fundamentalmente de las condiciones de entrada a la misma. Es decir, depende de la
sección transversal del conducto, de la geometría de la embocadura y de la profundidad del
agua a la entrada o altura del remanso. En este tipo de escurrimiento no influyen las
características del conducto mismo.
En el escurrimiento con control de salida debe agregarse a las anteriores el nivel del agua a
la salida, la pendiente, longitud y rugosidad del conducto.
5.5.1 Carga hidráulica en la entrada o profundidad del remanso
277
Corresponde a la profundidad del agua en la entrada, medida desde el punto más bajo (umbral o radier
de la alcantarilla). Esta obra, al limitar el paso libre del agua, causará un aumento de nivel hacia aguas
arriba y en consecuencia puede ocasionar daños a la carretera o a las propiedades vecinas. Se limitará
la carga hidráulica máxima con el fin de proteger la vida de los usuarios o vecinos, proteger la
estabilidad del terraplén, no producir inundaciones a los terrenos adyacentes, no producir daños a la
alcantarilla y a la vía, no causar interrupciones al tráfico y no sobrepasar los límites de velocidad de
agua recomendados en las alcantarillas y en el cauce a la salida.
Tanto para alcantarillas con control de entrada como de salida, los tubos, cajones y losas se diseñarán
hidráulicamente, respetando una carga máxima He, según se trate de canales o cauces naturales
permanentes o impermanentes. En los canales, la carga máxima de diseño será igual a la dimensión de
la alcantarilla. En los cauces naturales se podrá aceptar una carga a la entrada igual a la dimensión de
la alcantarilla más 0,3 m para el gasto de diseño.
Tipo de Cauces
Tubos
Cajones
Losas (L ≤ 6m)
Canales
D (diámetro)
H (altura total)
H - 0.1 m
Diseño Cauces Naturales
D + 0.3 m
H + 0.3 m
H - 0.1 m
D + 0.6 m
H + 0.6 m
H
Verificación Cauces
Naturales
Pero He máximo no puede sobrepasar la cota exterior del SAP - 0.3 m
Tabla 5.5 Carga hidráulica máxima de diseño (he, m)
5.5.2 Velocidad en la salida
Los principales factores que afectan a esta velocidad son la pendiente y rugosidad de la alcantarilla, no
influyendo la forma y tamaño significativamente, salvo en los casos en que se produce flujo a boca
llena.

Velocidad en alcantarillas que fluyen con control de entrada.- La velocidad a la salida de
alcantarillas escurriendo con control de entrada, puede obtenerse en forma aproximada,
calculando la velocidad media de la sección transversal de escurrimiento en el conducto
empleando la fórmula de Manning. Estas velocidades obtenidas por este método suelen ser
algo mayores que las reales debido a que la altura normal, supuesta al aplicar la fórmula de
Manning, rara vez se alcanza en la corta longitud de la mayoría de las alcantarillas.
𝑽=

𝑸
𝑨
𝟏
= ∙ 𝑹𝑯 𝟐/𝟑 ∙ 𝑺𝟏/𝟐
𝒏
(5.4)
Velocidad en alcantarillas que fluyen con control de salida.- En el caso de una alcantarilla con
control de salida, la velocidad media en la salida de la alcantarilla será igual al caudal de
descarga, dividido por el área de la sección transversal de la corriente en dicho lugar.
𝑄
𝑉=
𝐴
Esta área de escurrimiento puede ser la correspondiente a la profundidad crítica (dc), o la
correspondiente al nivel de la superficie libre en la salida (Tw). El que de mayor Area será la
que se utilizara para hallar la velocidad.
*Si la velocidad calculada es mayor a la velocidad máximas admisible, se debe considerar la
construcción de disipadores de energía.
278
Tipo de terreno
Flujo permanente
(m/s)
0,75
0,75
0,9
1
1,2
1,5
1,8
Flujo intermitente
(m/s)
0,75
0,75
0,9
1
1
1,2
1,4
Arena Fina (no coloidal)
Arcilla arenosa (no coloidal)
Arcilla limosa (no coloidal)
Arcilla fina
Ceniza volcánica
Grava fina
Arcilla dura (coloidal)
Material graduado (no coloidal):
Desde arcilla a grava
2
1,5
Desde limo a grava
2,1
1,7
Grava
2,3
1,8
Grava gruesa
2,4
2
Desde grava a piedras (bajo 15 cm)
2,7
2,1
Desde grava a piedras (sobre 20 cm.)
3
2,4
TABLA 5.6 Velocidades Máximas Admisibles (M/S) En Canales No Revestidos
Fuente: Manual de Carreteras de California
5.5.3 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 entrad a de la alcantarilla, pero no
tiene ninguna influencia lo que ocurre aguas debajo de dicha sección. Por eso, las variables que
intervienen en este tipo de flujo son:
•
Tipo y dimensiones de la sección transversal. Ej: circular con diám=2m.
 Geometría de la embocadura. Ej: Con alas a 30° con respecto al eje.
 Nivel de agua a la entrada. Se utiliza la altura He.
Si bien no es sencillo predefinir cuando un flujo tendr á control de entrada, los casos más
típicos son aquellos en los cuales:
1) La entrada está descubierta y la pendiente es supercrítica ( Figura 5.8), pudiendo o no
fluir llena la sección en parte del conducto.
279
Figura 5.8 Flujo con control de entrada.
Fuete: Carciente, 1985.
2) La entrada está sumergida, y sin embargo no fluye lleno el conducto (Figura 5.9),
pudendo ser subcrítica o supercrítica la pendiente.
280
Figura 5.9 Flujo con control de entrada.
Fuete: Carciente, 1985.
5.5.3.1 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)
2)
3)
4)
Se adopta un caudal de diseño.
Se propone un tipo de alcantarilla (forma y dimensiones).
Se elige un tipo de entrada.
Se calcula el nivel que debe formarse a la entrada “He” necesario para permitir el
paso del caudal de diseño. Si ese nivel 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. Se adopta la
alcantarilla propuesta como una de las posibles soluciones del problema.
En las Figuras 5.20 a la Figura 5.60 se identifican los ábacos y las ecuaciones que se deben usar en
cada caso, dependiendo de la forma de la sección y de la disposición de los elementos a la entrada de
la obra, es decir muros frontales, alas, tipo de aristas y forma como empieza el conducto. En la misma
Figura se definen las situaciones que pueden darse a la entrada y se definen los ángulos de los muros
frontales y de los muros de ala.
El Federal Highway Administration (FHWA) ha generado mediante modelos de regresión,
expresiones polinómicas de quinto grado que entregan la carga hidráulica a la entrada directamente.
Estas ecuaciones entregan resultados equivalentes a los obtenidos mediante los gráficos y son válidas
para cargas comprendidas entre la mitad y tres veces la altura de la alcantarilla. Las expresiones son
del tipo siguiente:
𝑯𝒆 = [𝒂 + 𝒃 ∙ 𝒛 ∙ 𝑭 + 𝒄 ∙ (𝒛 ∙ 𝑭)𝟐 + 𝒅 ∙ (𝒛 ∙ 𝑭)𝟑 + 𝒆 ∙ (𝒛 ∙ 𝑭)𝟒 + 𝒇 ∙ (𝒛 ∙ 𝑭)𝟓 − 𝟎. 𝟓 ∙ 𝒊] ∙ 𝑫
(5.5)
281
Donde:
He
a...f
F
Q
D
b
i
z
= Carga a la entrada (m)
= Coeficientes de regresión
= Q/D5/2 en alcantarillas circulares, o bien Q/(BD3/2) en alcantarillas de cajón
= Caudal (m3/s)
= Altura de la alcantarilla (m); diámetro en el caso de los tubos
= Ancho de la alcantarilla (m)
= Pendiente longitudinal (m/m)
= 1,81130889 (factor de conversión para unidades métricas)
Descripción Según Tipo de Obra
Código
Alcantarilla circular de concreto, aristas
vivas Muro Frontal, alas 33 < p < 83g
1
0,08748 0,70658 -0,2533
0,0667
Alcantarilla circular de concreto, aristas
ranuradas, muro frontal, alas 33 < p < 83g
2
0,1141
0,65356 -0,2336
0,05977 -0,0062 0,000243
Alcantarilla circular de concreto, aristas
ranuradas, tubo prolongado (sin muro ni
alas)
3
0,10879
0,66238 -0,2338
0,05796 -0,0056 0,000205
Alcantarilla circular de acero corrugado,
muro frontal, alas 33 < p < 83g
4
0,16743
0,5386
Alcantarilla circular de acero corrugado, tubo
cortado a bisel (sin alas)
5
0,10714 0,75779 -0,3615 0,12339
Alcantarilla circular de acero corrugado, tubo
prolongado (Sin muros ni alas)
6
0,18732 0,56772 -0,1565 0,04451 -0,0034
Alcantarilla de cajón, aristas vivas, muro
frontal, 33 s p < 83g
7
0,07249 0,50709 -0,1175
0,02217 -0,0015 0,000038
Alcantarilla de cajón, aristas vivas, muro
frontal, alas (3 = 17 ó 100g
8
0,12212 0,50544 -0,1086
0,02078 -0,0014 0,000035
Alcantarilla de cajón, aristas vivas, muro
frontal, alas con P = 0g
9
0,14414 0,46136 -0,0922 0,02003 -0,0014 0,000036
Alcantarilla de cajón, aristas biseladas, muro
frontal, alas 50g
10
0,15661 0,39894
a
b
c
d
e
f
-0,0066 0,000251
-0,1494 0,03915 0,00344 0,000116
-0,064
0,0112
-0,0161 0,000767
0,00009
-0,0006 0,000015
Tabla 5.7 Coeficientes de regresión para alcantarillas con control de entrada
5.5.4 Flujo Con Control De Salida
El escurrimiento en alcantarillas con control de salida puede presentarse con conducto lleno o
parcialmente lleno, ya sea en una zona o en toda la longitud de la alcantarilla. Si cualquier sección
transversal escurre llena, se dice que el escurrimiento es a sección llena. En la Figura 5.11 y Figura
5.12 muestra el flujo de una alcantarilla con condiciones de escurrimiento con control de salida
Sumergida y No Sumergida respectivamente para varias alturas.
Los procedimientos de cálculo son diferentes si la salida es sumergida o no y por lo tanto se analizarán
los distintos casos separadamente. Las variables que intervienen en este tipo de flujo son las mismas
282
que intervienen en el control de entrada más las que corresponden al tramo entre esta sección y
la sección salida:







Tipo y dimensiones de la sección transversal. Ej: circular con diám=2m.
Geometría de la embocadura. Ej: Con alas a 30° con respecto al eje.
Nivel de agua a la entrada. Se utiliza la altura He.
Nivel de agua a la salida.
Pendiente del conducto.
Rugosidad del conducto.
Largo del conducto.
En el caso de flujo con control de salida comienzan a intervenir en el c álculo las
características del flujo en la alcantarilla y a la salida de la misma. Desde el punto de vista del
cálculo conviene identificar distintos tipos de escurrimiento en alcantarillas con control de
salida. Para el cálculo se presenta cuatro tipos de flujo con control de salida:
A)
B)
C)
D)
Sección llena con nivel aguas abajo por encima del dintel de la sección de salida.
Sección llena con nivel aguas abajo por debajo del dintel de la sección de salida.
Sección parcialmente llena en un tramo del conducto.
Sección parcialmente llena en todo el conducto.
5.5.4.1 Cálculos para flujo con control de salida
Figura 5.10 Línea de Energía Hidráulica a flujo lleno
Si planteamos la ecuación de energía entre la entrada y la salida de la alcantarilla, resulta una ecuación
general del tipo:
𝑯𝒆 = 𝑯 + 𝒉𝒐 − 𝑳 ∙ 𝑺𝟎
(5.6)
He = Profundidad de agua en la entrada (m).
H = Energía empleada en la obtención de energía de velocidad a la salida, mas la
perdida por fricción y pérdidas a la entrada (hv+hf+he).
ho = Profundidad de agua en la salida. Es el mayor entre:
𝒅𝒄 +𝑫
ó Tw (Altura de agua a la salida de la alcantarilla)
𝟐
L =Longitud de la alcantarilla (m).
So = Pendiente de la alcantarilla (m/m).
283
Procedimiento de cálculo para Salida Sumergida (Caso A)
Figura 5.11 Alcantarilla con salida sumergida
En este caso la carga (H), o energía necesaria para hacer circular un gasto dado por la alcantarilla, se
emplea en vencer las pérdidas de entrada, pérdidas por frotamiento, evaluadas con la ecuación de
Manning, y altura de velocidad en la salida.
𝑯 = 𝒉𝒗 + 𝒉𝒇 + 𝒉𝒆
(5.7)
Donde:
𝑽𝟐
𝒉𝑽 = 𝟐𝒈
(5.8)
𝑽𝟐
𝒉𝒆 = 𝒌𝒄 ∙ 𝟐𝒈
𝒉𝒇 =
(5.9)
𝟐𝒈∙𝒏𝟐 ∙𝑳 𝑽𝟐
𝑹𝟒/𝟑
∙
(5.10)
𝟐𝒈
El valor de H se calcula, entonces según la ecuación:
𝑯 = (𝟏 + 𝒌𝒆 +
𝟐∙𝒈∙𝒏𝟐 ∙𝑳
𝒗𝟐
𝑹𝟒/𝟑
𝟐𝒈
)∙
(5.11)
Donde:
Ke = Coeficiente de pérdida de carga en la entrada (Tabla 5.6)
n = Coeficiente de Rugosidad de Manning (Tabla 5.7)
L = Longitud de la alcantarilla en metros.
R = Radio Hidráulico en metros (Razón entre área y perímetro mojado)
V = Velocidad Media en la Alcantarilla en m/s.
La carga (H) es la diferencia entre la línea de energía en la sección de entrada y la cota piezométrica en
la sección de salida. Sin embargo, en general, debido a que la velocidad en el remanso es pequeña se
supone que la línea de energía es coincidente con el nivel de aguas a la entrada, lo que implica que los
niveles calculados pueden ser algo mayores que los reales.
La Tabla 5.6 entrega coeficientes de pérdida de carga en la entrada para los distintos tipos de entrada
en alcantarillas que escurren llenas o parcialmente llenas con control de salida. Este coeficiente al ser
284
multiplicado por la altura de velocidad, entrega la pérdida de energía debida a la singularidad que
produce la entrada a la obra.
Coeficiente
(Ke)
Tipo de estructura y características de la entrada
1. Tubos de hormigón
- Conducto prolongado fuera del terraplén
- Borde ranurado
- Borde cuadrado
- Con Muro de Frontal con o sin Alas
- Borde ranurado
- Borde cuadrado
- Borde redondeada (r = 1/12 D)
- Borde biselada
2. Tubos circulares de metal corrugado
- Conducto prolongado fuera del terraplén
- Sin Muro Frontal
- Con Muro Frontal perpendicular al eje del tubo sin o con Alas y bordes
cuadrados
- Con Muro Frontal perpendicular al eje del tubo con o sin Alas y bordes biselados
0,2
0,5
0,2
0,5
0,2
0,2
0,9
0,5
0,25
3. Alcantarillas de cajón en hormigón armado con muro Frontal paralelo al terraplén
- Sin Alas, y bordes cuadrados
0,5
- Bordes aristas redondeadas (r = 1/12 D) o biseladas
0,2
- Con Alas formando ángulos entre 30° y 75° con el eje del conducto
0,4
- Bordes cuadrados
0,2
- Bordes del dintel con aristas redondeadas (r = 1/12 D) o biseladas
0,5
- Con Alas formando ángulos entre 10° y 25° con el eje del conducto, y bordes
0,7
cuadrados
- Con Alas alabeados y aristas redondeadas (r = 1/4 D) en el dintel
0,1
Tabla 5.8 Coeficientes de pérdida de carga a la entrada en alcantarillas con control de salida
Materiales
n
0,012
a) Hormigón
b) Metal Corrugado
Ondulaciones estándar (68 mm x 13 mm)
0,024
25% revestido
0,021
Totalmente revestido
0,012
Ondulaciones medianas (76 mm x 25 mm)
0,027
25% revestido
0,023
Totalmente revestido
0,012
Ondulaciones grandes (152 mm x 51 mm)
25% revestido
0,026
Totalmente revestido
0,012
Tabla 5.9 Coeficientes de rugosidad para materiales usados en alcantarillas
285
Procedimiento de cálculo para Salida no sumergida (casos B, C y D)
Si el nivel de la corriente inmediatamente aguas abajo de la salida se encuentra por debajo del dintel
de la alcantarilla. La condición de salida sumergida no existe y la determinación del nivel de aguas a la
entrada se realiza en forma diferente. La mayoría de los cauces naturales suelen ser relativamente
anchos comparados con la alcantarilla, y la profundidad de agua en el cauce puede ser menor que la
profundidad crítica de la alcantarilla, por lo cual el nivel de la corriente aguas abajo no influye en la
capacidad o en el nivel de remanso en la entrada. Los casos en que se produce esta situación
corresponden a los presentados en la Figura 5.12, letras B, C y D.
Figura 5.12 Alcantarilla con salida no sumergida
Para el cálculo de la alcantarilla en los tres casos nos basamos en la ecuación (5.6) para su resolución.
De la misa, sólo conocemos el término L∙So.
Para la estimación de (ho), que representa el nivel de agua a la salida, se adopta el mayor entre:
a) Tw, que es el nivel de agua a la salida cuando es conocido, y
b) El promedio entre dc (profundidad crítica) y D (Diámetro de la alcantarilla). Que
representa la altura de la línea piezométrica aproximada, mencionada anteriormente.
𝒅𝒄 + 𝑫
𝟐
286
Donde:
dc = Es la profundidad crítica para el caudal de diseño. Se proponen tablas para estimar este
valor (Figura 5.13 hasta la Figura 5.19).
D = Es el diámetro o altura de la alcantarilla.
** Para una sección rectangular o cuadrada La altura crítica para un gasto Q (m3/seg), está dada por
𝐐 𝟐/𝟑
𝐝𝐜 = 𝟎. 𝟒𝟔𝟕 × (𝐁)
, siendo (B) el ancho de la obra en metros.
Para la estimación de (H), se utilizan los nomogramas de las Figura 5.20 hasta Figura 5.60. Al igual
que se hizo en flujo con control de entrada, vamos a suponer 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, de
cierto material, con cierta pendiente, con ciertas características de entrada y para un caudal de diseño
dado. Notar que en este caso interesa el material de la alcantarilla porque nos define la rugosidad (n),
también influye la pendiente, y su condición de nivel aguas abajo.
El procedimiento de cálculo es el siguiente:
1. Se traza una recta que une las dimensiones de la sección transversal de la alcantarilla con la
longitud de la misma, definiendo un punto en la recta de paso. Notar que hay dos (o más)
curvas de longitud, de las que debe elegirse la que corresponde a las condiciones de
embocadura que corresponda a nuestro diseño en particular.
2. Se une el caudal de diseño, con ese punto recién definido en la recta de paso, cortando la recta
de H.
**Ese valor de H obtenido, se introduce en la ecuación (5.6), junto con ho y con L.So, para obtener el
valor de He buscado. Se compara este valor de He obtenido con el obtenido en el cálculo con
control de entrada y se elige el mayor.
287
Figura 5.13 Profundidad Critica para Tubos Circulares
288
Figura 5.14 Dimensiones Criticas para alcantarillas de cajón de metal corrugado.
289
Figura 5.15 Profundidad Critica para el Tubo Ovalado de Hormigón con el eje largo horizontal
290
Figura 5.16 Profundidad Critica para el Tubo Ovalado de Hormigón con el eje largo vertical
291
Figura 5.17 Profundidad Critica para Tubo Abovedado de Metal Corrugado Estándar
292
Figura 5.18 Profundidad Critica: Tubo Abovedado de Placa de Metal Corrugado con radios de 457 mm
293
Figura 5.19 Profundidad Critica para Alcantarillas de tipo Arco de Metal Corrugado
294
NOMOGRAMAS CON CONTROL DE
ENTRA Y SALIDA PARA EL CÁLCULO
DE ALCANTARILLAS
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
Ejercicios:
1.- Para una carretera se quiere determinar la dimensión de la alcantarilla según las siguientes
características hidrológicas:
Área de la cuenca(A): 12.9 Ha ~ 0.129 Km2
Longitud del cauce (L): 0.583 Km ~ 583 m
Elevación Superior: 2565 msnm
Elevación Inferior: 2550 msnm
Periodo de Retorno: 15 años
Longitud de la alcantarilla: 15 m
Ancho del canal aguas abajo: 3 m (Sección Cuadrada)
Periodo de Retorno
2
15
25
(T)
A
886
629
528
d
11
4
2
b
0.749 0.553 0.485
Datos obtenidos de la curva IDF
LOS PASO QUE SE VAN A DESCRIBIR A CONTINUACIÓN SON PARA DETERMINAR
EL CAUDAL DE DESCARGA QUE NECESITA NUESTRA ALCANTARILLA:
1.1 Determinar el Tiempo de concentración
Para el cálculo del tiempo de concentración en regiones con pendientes (Cuencas pequeñas) se
tiene la ecuación en la tabla 5.2 del Libro.
La pendiente será:
𝑺=
𝒌 = 3.28 ∙
2565 − 2550
= 𝟎. 𝟎𝟐𝟓𝟕 𝒎/𝒎
583
𝐿
𝑆 1/2
⇝ 3.28 ∙
583
= 𝟑𝟔𝟑𝟔. 𝟔𝟓𝟒𝟏
0.02571/2
Remplazando el valor de (k) en:
𝒕𝒄 = 0.0078 ∙ 𝑘 0.77 ⇝ 0.0078 ∙ 3636.65410.77 = 𝟒. 𝟑𝟎𝟑𝟔 𝒎𝒊𝒏 ≅ 𝟎. 𝟎𝟕𝟏𝟕 𝑯𝒓𝒔.
337
1.2 Determinar el coeficiente de uniformidad (CU)
Este coeficiente está representado por la ecuación 5.2 del Libro.
𝑡𝑐 1.25
0.07171.25
𝑪𝑼 = 1 + 1.25
⇝1+
= 𝟏. 𝟎𝟎𝟐𝟔
0.07171.25 + 14
𝑡𝑐
+ 14
1.3 Determinar el coeficiente de escurrimiento
El coeficiente de escurrimiento depende de las características del terreno, uso y manejo del
suelo, condiciones de infiltración. En la Tabla 5.3 se encuentran los coeficientes para
diversos tipos de situaciones.
C(promedio) = 0.45 (Suelo arcilloso con pasto y pendiente 2% - 7%)
1.4 Determinación de la intensidad
Los valores de la intensidad se pueden obtener a partir de las curvas Intensidad Duraci ón
Frecuencia (IDF). En nuestro caso tenemos los valores resumidos en la tabla:
Periodo de Retorno
(T)
A
d
b
2
15
25
886
629
528
11
4
2
0.749 0.553 0.485
Para un Periodo de Retorno de 15 años y con la ecuación 5.3 témenos:
𝑰=
𝐴
629
⇝
= 𝟏𝟗𝟓. 𝟏𝟏𝟕𝟓 𝒎𝒎/𝒉𝒓
𝑏
(𝑡𝑐 + 𝑑)
(4.3036 + 4)0.553
1.5 Calculo del caudal de descarga
El caudal punta de avenida será (ecuación 5.1):
𝑸 = 𝐶𝑈 ×
𝐶𝐼𝐴
0.45 ∙ 195.1175 ∙ 0.129
⇝ 1.0026 ×
= 𝟑. 𝟏𝟓𝟓𝟒 𝒎𝟑 /𝒔𝒆𝒈
3.6
3.6
338
COMO YA TENEMOS EL CAUDAL DE DESCARGA (Q=2.641 M3/SEG) PASAMOS A
DISEÑAR NUESTRA ALCANTARILLA:
Los procedimientos que se describirán a continuación son para la alcantarilla seleccionada (respuesta)
339
I.
Elegimos el tipo de alcantarilla (tentativo), material, forma del conducto y tipo de entrada.
Tipo de alcantarilla = Tubo circular de Metal Corrugado Standard con bordes cuadrados,
Muro Frontal y Alas.
Diámetro = 1.350 m.
II.
Suponer que nuestra alcantarilla escurre con CONTROL A LA ENTRADA
Con el nomograma de la FIGURA 5.21 tenemos:
𝐇𝐞
= 𝟏. 𝟏𝟓 ⟹ Despejando ⟹ 𝐇𝐞 = 1.15 ∙ 1.35 = 𝟏. 𝟓𝟓𝟐𝟓 𝐦
𝐃
Verificar a la carga máxima de diseño: (Tabla 5.5 del Libro)
𝐇𝐞𝐦𝐚𝐱 = D + 0.3 ⟹ 1.35 + 0.3 = 𝟏. 𝟔𝟓 𝐦
∴
III.
IV.
como 𝐇𝐞 < 𝐇𝐞𝐦𝐚𝐱 ⟹ el resultado es el apropiado
Suponer que nuestra alcantarilla escurre con CONTROL A LA SALIDA.
Calcular la altura de agua a la salida de la alcantarilla (Tw)
𝑹𝑯 =
𝑨
𝑷
=
𝟑∙𝑻𝒘
𝟐∙𝑻𝒘+𝟑
𝑨
𝑸 = ∙ 𝑹𝑯 𝟐/𝟑 ∙ 𝑺𝟏/𝟐
𝒏
(1)
(2)
Remplazando valores a la ecuación (1) y (2):
3 ∙ 𝑇𝑤
3 ∙ 𝑇𝑤 2/3
3.1554 =
∙(
) ∙ 0.02571/2
0.03
2 ∙ 𝑇𝑤 + 3
Despejando:
Tw = 0.4159 m
∴ 𝐂𝐨𝐦𝐨 𝐓𝐰 < 𝐷 ⟹ 𝐋𝐚 𝐬𝐚𝐥𝐢𝐝𝐚 𝐞𝐬 𝐍𝐎 𝐒𝐔𝐌𝐄𝐑𝐆𝐈𝐃𝐀
V.
Calcular la altura de la línea piezométrica aproximada (ho):
 Tw = 0.4159 m
 El valor de la Profundidad Critica (dc) para Tubos Circulares se encuentra en la
Figura 5.13
dc = 0.96 m.
D = 1.50 m.
𝑑𝑐 + 𝐷 0.96 + 1.35
=
= 𝟏. 𝟏𝟓𝟓 𝒎
2
2
340
∴ 𝒉𝒐 = 𝟏. 𝟏𝟓𝟓 𝒎

VI.
“ho” es el mayor entre Tw y
𝒅𝒄+𝑫
𝟐
Calcular la carga (H): (Como la salida es NO SUMERGIDA entonces se utiliza los
nomogramas de las Figuras 5.24
 El coeficiente de pérdida de carga → ke = 0.5 (Tabla 5.8)
(con muro de frontal perpendicular al eje del tubo sin o con Muros de ala y bordes
cuadrados)
 Con el nomograma de la Figura 5.24 para una longitud de alcantarilla de 15 m y
Ke = 0.5 se tiene:
H = 0.48 m
VII.
La profundidad del agua en la entrada medida desde el umbral (He) (Ecuación 5.6)
𝑯𝒆 = 𝑯 + 𝒉𝒐 − 𝑳 ∙ 𝑺𝟎 ⟹ 0.48 + 1.155 − 15 ∗ 0.0257 = 𝟏. 𝟐𝟒𝟗𝟓 𝒎
∴ Teniendo el valor de He (Control de Entrada) y He (Control de Salida), se debe verificar
que tipo de control tiene nuestra alcantarilla. Para eso debemos escoger el mayor de los dos
valores y ese también será el tipo de control que tenga:
𝑯𝒆 (𝑪𝒐𝒏𝒕𝒓𝒐𝒍 𝒅𝒆 𝑬𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂) = 𝟏. 𝟓𝟓𝟐𝟓 𝒎.
𝑯𝒆 (𝑪𝒐𝒏𝒕𝒓𝒐𝒍 𝒅𝒆 𝑺𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂) = 𝟏. 𝟐𝟒𝟗𝟓 𝒎.
∴ El tipo de Control es de 𝐄𝐧𝐭𝐫𝐚𝐝𝐚, con 𝐇𝐞 = 𝟏. 𝟓𝟓𝟐𝟓 𝐦.
VIII.
La velocidad a la salida de la alcantarillas escurriendo con control de entrada es:
𝑻 = 𝟐 × √𝑻𝒘 ∙ (𝑫 − 𝑻𝒘) ⟹ 2 × √0.4159 ∙ (1.35 − 0.4159) = 𝟏. 𝟐𝟒𝟔𝟔 𝒎
𝑻 = 𝐬𝐢𝐧
∅
∅
× 𝑫 ⟹ 1.2466 = 𝐬𝐢𝐧 × 𝟏. 𝟓
𝟐
𝟐
341
Despejando: = 3.9295 rad
𝑷=∅×
𝑫
1.35
⟹ 3.9295 ×
= 𝟐. 𝟔𝟓𝟐𝟒 𝒎
𝟐
2
2/3
𝑸 𝟏
𝑨 𝟐/𝟑
3.1554
1
𝐴
𝟏/𝟐
= × ( ) × 𝑺𝒐
⟹
=
×(
) × 0.02571/2
𝑨 𝜼
𝑷
𝐴
0.024
2.6424
El número de Manning para Tubos de concreto es: n=0.024 (Tabla 5.9)
Despejando: A = 0.942 m2
𝑽=
𝑸
3.1554
⟹
= 3. 𝟑𝟓 𝒎/𝒔
𝑨
0.942
** La velocidad máxima Admisibles en canales no revestidos es de 2.7 m/seg (Tabla 5.6) en
un tipo de terreno de grava a piedras (bajo 15 cm).
∴ Como: 𝟑. 𝟑𝟓 > 2.7 (𝐯𝐞𝐥𝐨𝐜𝐢𝐝𝐚𝐝 𝐌𝐚𝐱𝐢𝐦𝐚) ⟹ Requiere protección a la Salida.
2.- Una nueva alcantarilla en un cruce de calzada es requerida pasar un caudal circulación de 8.5 m3/s
(Para un periodo de retorno de 50 años). Con las siguientes condiciones de flujo:




Cota máxima del terraplén = 34.595 m.
ELhd = 33.528 m (Cota máxima a la entrada).
Cota del lecho del torrente en la entrada de la alcantarilla = 30.480 m.
Pendiente natural del torrente = 2 %.
 Tw = 1.219 m (Altura de agua a la salida).

Longitud de la alcantarilla = 76.200 m.
Diseñe la alcantarilla usando secciones tipo cajón.
342
SOLUCIÓN:
Los procedimientos que se describirán a continuación son para la alcantarilla seleccionada (respuesta)
343
I.
Elegimos el tipo de alcantarilla (tentativo), material, forma del conducto y tipo de entrada.
Tipo de alcantarilla = Cajón de Metal Corrugado con pared fina Proyectada.
Altura de la caja → B = 3.1m
D = 1m
Área de la caja = 2.638 m2
II.
Suponer que nuestra alcantarilla escurre con CONTROL A LA ENTRADA
Con el nomograma de la FIGURA 5.34 tenemos:
𝐇𝐞
𝐐 = 𝟖. 𝟓 𝐦𝟑 /𝐬
} ⟹
= 𝟐. 𝟐𝟒 ⟹ Despejando ⇝ 𝐇𝐞 = 2.24 ∙ 1 = 𝟐. 𝟐𝟒 𝐦
𝟎.𝟓
𝟐.𝟓
𝐃
𝐀 ∙ 𝐃 = 𝟐. 𝟔𝟑𝟖 𝐦
La carga máxima de diseño en este caso está dado por:
𝐇𝐞𝐦𝐚𝐱 = 𝑬𝑳𝑯𝑫 − 𝑬𝑳𝑰 = 33.528 − 30.480 = 𝟑. 𝟎𝟒𝟖 𝒎
∴
como 𝐇𝐞 < 𝐇𝐞𝐦𝐚𝐱 ⟹ el resultado es el apropiado
III.
Suponer que nuestra alcantarilla escurre con CONTROL A LA SALIDA.
IV.
La altura de agua a la salida de la alcantarilla (Tw) es:
Tw = 1.219 m (Dato)
∴ 𝐂𝐨𝐦𝐨 𝐓𝐰 > 𝐷 ⟹ 𝐋𝐚 𝐬𝐚𝐥𝐢𝐝𝐚 𝐞𝐬 𝐒𝐔𝐌𝐄𝐑𝐆𝐈𝐃𝐀
V.
Calcular la altura de la línea piezométrica aproximada (ho):
 Tw = 1.219 m
 El valor de la Profundidad Critica (dc) para Secciones rectangulares de Metal
Corrugado se encuantra en la Figura 5.14:
𝑸
= 𝟑. 𝟐𝟐
} 𝒅𝑪 = 𝟎. 𝟖𝟎 𝒎
𝑨 ∙ 𝑫𝟎.𝟓
𝑪𝒖𝒓𝒗𝒂 ∶ 𝟎. 𝟑 ≤ 𝑨𝒍𝒕𝒖𝒓𝒂 / 𝑩𝒂𝒔𝒆 ≤ 𝟎. 𝟒
𝒅𝒄 + 𝑫 0.80 + 1
=
= 𝟎. 𝟗𝟎 𝒎
𝟐
2
∴ 𝒉𝒐 = 𝟏. 𝟐𝟏𝟗 𝒎

“ho” es el mayor entre Tw y
𝒅𝒄+𝑫
𝟐
344
VI.
Calcular la carga (H): Como la salida es SUMERGIDA entonces se utiliza la Ecuación
(5.11).
𝑯 = (𝟏 + 𝒌𝒆 +
𝟐 ∙ 𝒈 ∙ 𝒏𝟐 ∙ 𝑳 𝒗 𝟐
)∙
𝑹𝟒/𝟑
𝟐𝒈
 El coeficiente de pérdida de carga → ke = 0.5 (Tabla 5.8)
(Cajón sin muros ni alas y bordes cuadrados)
 El coeficiente de rugosidad de Manning → n = 0.024 (Tabla 5.9)
 La longitud de la alcantarilla → L = 76.20 m (Dato)
 Radio Hidráulico → 𝐑 𝐇 =
A
P
⇝
2.638
3.1+2∗1
= 𝟎. 𝟓𝟏𝟕𝟑 𝐦
𝑄
8.5
 Velocidad media en la alcantarilla→𝑽𝒎 = 𝐴 ⇝ 2.638 = 𝟑. 𝟐𝟐𝟐𝟏 𝐦/𝐬𝐞𝐠
𝟐 ∙ 𝟗. 𝟖𝟏 ∙ 𝟎. 𝟎𝟐𝟒𝟐 ∙ 𝟕𝟔. 𝟐𝟎 𝟑. 𝟐𝟐𝟐𝟏𝟐
𝑯 = (𝟏 + 𝟎. 𝟓 +
)∙
⟹ 𝑯 = 𝟏. 𝟖𝟗𝟏 𝒎
𝟐 ∙ 𝟗. 𝟖𝟏
𝟎. 𝟓𝟏𝟕𝟑𝟒/𝟑
VII.
La profundidad del agua en la entrada medida desde el umbral (He) (Ecuación 5.6)
𝑯𝒆 = 𝑯 + 𝒉𝒐 − 𝑳 ∙ 𝑺𝟎 ⇝ 1.891 + 1.219 − 76.20 ∗ 0.02 = 𝟏. 𝟓𝟖𝟔 𝒎
∴ Teniendo el valor de He (Control de Entrada) y He (Control de Salida), se debe verificar
que tipo de control tiene nuestra alcantarilla. Para eso debemos escoger el mayor de los dos
valores y ese también será el tipo de control que tenga:
𝑯𝒆 (𝑪𝒐𝒏𝒕𝒓𝒐𝒍 𝒅𝒆 𝑬𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂) = 𝟐. 𝟐𝟒 𝒎.
𝑯𝒆 (𝑪𝒐𝒏𝒕𝒓𝒐𝒍 𝒅𝒆 𝑺𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂) = 𝟏. 𝟓𝟖𝟔 𝒎.
∴ El tipo de Control es de 𝐄𝐧𝐭𝐫𝐚𝐝𝐚, con 𝐇𝐞 = 𝟐. 𝟐𝟒 𝐦.
VIII.
La velocidad a la salida de la alcantarillas escurriendo con control de entrada es:
La velocidad con control de entrada puede calcularse como un canal abierto, mediante la
formula de Manning. El número de Manning para cajones de metal corrugado es: n=0.024
(Tabla 5.9)
2/3
𝟏
𝑨 𝟐/𝟑
1
2.638
𝟏/𝟐
𝑽 = × ( ) × 𝑺𝒐
⇝
×(
) × 0.021/2 = 𝟑. 𝟕𝟗 𝒎/𝒔
𝜼
𝑷
0.024
2 × 1 + 3.1
** La velocidad máxima Admisibles en canales no revestidos es de 2.7 m/seg (Tabla 5.6) en
un tipo de terreno de grava a piedras (bajo 15 cm).
∴ Como: 𝟑. 𝟕𝟎 > 2.7 (𝐯𝐞𝐥𝐨𝐜𝐢𝐝𝐚𝐝 𝐌𝐚𝐱𝐢𝐦𝐚) ⟹ Requiere protección a la Salida.
345
PARA EL DISEÑO HIDRAULICO DE ALCANTARILLAS SE PUEDE UTILIZAR UN
PROGRAMA LLAMADO “HY – 8”.
El Programa “HY-8” analiza dos clases de flujo en la alcantarilla:
I.
II.
Outlet Control: Profiles.- Realiza el análisis para un caudal parcialmente lleno en la
salida de la alcantarilla.
Outlet Control: Full Flow.-Realiza el análisis para un caudal lleno en la salida de la
alcantarilla.
También tiene dos formas de analizar las perdidas en la salida:
I.
II.
Exit Loss: Standart Method
Exit Loss: USU Method
El programa trae por defectos el Sistema de unidades inglesas por esta razón conviene modificar el
sistema de unidades y cambiar al SI (sistema internacional de unidades métricas).
Sistema de unidades que trae por defecto
Sistema de unidades cambiada al “SI (métrico)”
Para añadir una nueva alcantarilla presionamos el icono
Barra de Herramientas).
“Add new culvert crossing” de la
346
En esta planilla existe cinto sub planillas:
I.
DISCHARGE DATA.- Donde encontraremos los caudales de diseño para la alcantarilla:
Nombre
Descripción
Minimum Flow Caudal Mínimo de Diseño (m3/seg)
Design Flow
Caudal de Diseño (m3/seg)
Maximum Flow Caudal Máximo de Diseño (m3/seg)
II.
TAILWATER DATA.- Aquí encontraremos las característica de nuestro canal de aporte:
Nombre
Channel Type
Bottom Width
Side Slope (H:V)
Channel Slope
Manning’s n (channel)
Channel Invert Elevation
Descripción
Tipo de canal
Ancho del Canal (m)
Pendiente de las paredes del Canal (Canal trapezoidal)
Pendiente del Terreno
Numero de Manning del Canal
Elevación del canal en la entrada (m)
En la Pestaña “Channel Type” podemos escoger el tipo de canal:
∗ 𝐑𝐞𝐜𝐭𝐚𝐧𝐠𝐮𝐥𝐚𝐫 𝐂𝐡𝐚𝐧𝐧𝐞𝐥
(Canal Rectangular)
∗ 𝐓𝐫𝐚𝐩𝐞𝐳𝐨𝐢𝐝𝐚𝐥 𝐂𝐡𝐚𝐧𝐧𝐞𝐥
(Canal Trapezoidal)
∗ 𝐓𝐫𝐢𝐚𝐧𝐠𝐮𝐥𝐚𝐫 𝐂𝐡𝐚𝐧𝐧𝐞𝐥
𝐂𝐡𝐚𝐧𝐧𝐞𝐥 𝐓𝐲𝐩𝐞
(Canal Triangular)
(Tipo de canal) ∗ 𝐈𝐫𝐫𝐞𝐠𝐮𝐥𝐚𝐫 𝐂𝐡𝐚𝐧𝐧𝐞𝐥
(Canal Irregular)
∗ 𝐄𝐧𝐭𝐞𝐫 𝐑𝐚𝐭𝐢𝐧𝐠 𝐂𝐮𝐫𝐯𝐞
(Entre en la curva de Clasificación)
∗ 𝐄𝐧𝐭𝐞𝐫 𝐂𝐨𝐧𝐬𝐭𝐚𝐧𝐭 𝐓𝐚𝐢𝐥𝐰𝐚𝐭𝐞𝐫 𝐄𝐥𝐞𝐯𝐚𝐭𝐢𝐨𝐧
{(Entre la la altura de agua en la Salida "Tw")
347
 Después de llenar todos los datos, presionamos el botón "View…", para que nos muestre
algunas características del flujo en el canal y una curva de clasificación:
III.
ROADWAY DATA.- En esta subtitulo pondremos los datos de nuestra carretera:
348
Nombre
Roadway Profile Shape
First Roadway Station
Crest Length
Crest Elevation
Roadway Surface
Top Width
Descripción
Tipo de calzada (constante o irregular)
Primera estación de la calzada (m)
Longitud de la cuneta que aporta sus aguas a la alcantarilla (m)
Elevación de la carretera (m)
Tipo de superficie de calzada
Ancho de la calzada (m)
 En la Pestaña “Roadway Profile Shape” podemos escoger el tipo de calzada:
𝐂𝐨𝐧𝐬𝐭𝐚𝐧𝐭 𝐑𝐨𝐚𝐝𝐰𝐚𝐲 𝐄𝐥𝐞𝐯𝐚𝐭𝐢𝐨𝐧
∗
(Elevación de la calzada constante)
𝐑𝐨𝐚𝐝𝐰𝐚𝐲 𝐏𝐫𝐨𝐟𝐢𝐥𝐞 𝐒𝐡𝐚𝐩𝐞
{
(Tipo de calzada)
𝐈𝐫𝐫𝐞𝐠𝐮𝐥𝐚𝐫
∗
(Elevación de la calzada tiene pendiente)
IV.
CULVERT DATA.- Se ingresa los datos y características de la alcantarilla a ser analizada:
Descripción
Valor
Name
El nombre
Alcantarilla 1
Shape
La forma
Circular
Material
El material
Concreto
Diameter
El diámetro (mm)
1500.00
Manning’s n
El “n” de Manning
0.012
Inlet Type
El tipo de entrada
Convencional
Inlet Edge Condition Condición de borde de entrada Borde Cuadrados en la Entrada
Inlet Depression?
¿Si existe una caida de entrada?
No
Nombre
 En las pestañas “Shape” y “Material” podemos escoger la forma y el material de nuestra
alcantarilla respectivamente:
349
𝐂𝐢𝐫𝐜𝐮𝐥𝐚𝐫
(Circular)
𝐂𝐨𝐧𝐜𝐫𝐞𝐭𝐞 𝐁𝐨𝐱
∗
(Cojón de Concreto)
𝐄𝐥𝐥𝐢𝐩𝐭𝐢𝐜𝐚𝐥
∗
(Elíptico)
𝐏𝐢𝐩𝐞 𝐀𝐫𝐜𝐡
∗
(Tubo arco)
𝐔𝐬𝐞𝐫 𝐃𝐞𝐟𝐢𝐧𝐞𝐝
∗
(Definido por el usuario)
𝐒𝐡𝐚𝐩𝐞
𝐀𝐫𝐜𝐡, 𝐎𝐩𝐞𝐧 𝐁𝐨𝐭𝐭𝐨𝐦
(Forma de la alcantarilla)
∗
(Arco y piso )
𝐋𝐨𝐰 − 𝐏𝐫𝐨𝐟𝐢𝐥𝐞 𝐀𝐫𝐜𝐡
∗
(Perfil de arco − bajo)
𝐇𝐢𝐠𝐡 − 𝐏𝐫𝐨𝐟𝐢𝐥𝐞 𝐀𝐫𝐜𝐡
∗
(Perfil de arco − alto)
𝐌𝐞𝐭𝐚𝐥 𝐁𝐨𝐱
∗
(Cajón de Metal)
𝐀𝐫𝐜𝐡 − 𝐁𝐨𝐱 𝐂𝐨𝐧𝐜𝐫𝐞𝐭𝐞
∗
{ (Arco − Caja de concreto)
∗
𝐂𝐨𝐧𝐜𝐫𝐞𝐭𝐞
(Concreto)
𝐏𝐕𝐂
∗
( PVC)
𝐂𝐨𝐫𝐫𝐮𝐠𝐚𝐭𝐞𝐝 𝐒𝐭𝐞𝐞𝐥
∗
(Acero Corrugado)
𝐒𝐭𝐞𝐞𝐥 𝐒𝐭𝐫𝐮𝐜𝐭𝐮𝐫𝐚𝐥 𝐏𝐥𝐚𝐭𝐞
∗
(Placa de acero estructural)
𝐂𝐨𝐫𝐫𝐮𝐠𝐚𝐭𝐞𝐝 𝐀𝐥𝐮𝐦𝐢𝐧𝐮𝐦
∗
(Aluminio corrugado)
𝐌𝐚𝐭𝐞𝐫𝐢𝐚𝐥
(Material de la alcantarilla)
𝐒𝐭𝐞𝐞𝐥 𝐨𝐫 𝐀𝐥𝐮𝐦𝐢𝐧𝐮𝐦
∗
(Acero ó Alumimio)
𝐀𝐥𝐮𝐦𝐢𝐧𝐮𝐦 𝐒𝐭𝐫𝐮𝐜𝐭𝐮𝐫𝐚𝐥 𝐏𝐥𝐚𝐭𝐞
∗
(Placa de aluminio estructural)
𝐂𝐨𝐫𝐫𝐮𝐠𝐚𝐭𝐞𝐝 𝐌𝐞𝐭𝐚𝐥 𝐑𝐢𝐯𝐞𝐭𝐞𝐝 𝐨𝐫 𝐖𝐞𝐥𝐝𝐞𝐝
∗
(Metal Corugado soldado ó remachado)
𝐒𝐦𝐨𝐨𝐭𝐡 𝐇𝐃𝐏𝐄
∗
(Uniforme HDPE)
𝐂𝐨𝐫𝐫𝐮𝐠𝐚𝐭𝐞𝐝 𝐏𝐄
∗
{ (PE corrugado)
∗
 En las pestañas “Inlet Type” y “Inlet Edge Condition” podemos escoger el tipo de
entrada y la condición de borde en la entrada respectivamente:
350
𝐂𝐨𝐧𝐯𝐞𝐧𝐭𝐢𝐨𝐧𝐚𝐥
(Convencional)
𝐒𝐢𝐝𝐞 − 𝐓𝐚𝐩𝐞𝐫𝐞𝐝, 𝐂𝐢𝐫𝐜𝐮𝐥𝐚𝐫
∗
(Entrada circular con alas y muro frontalsin caida)
𝐈𝐧𝐥𝐞𝐭 𝐓𝐲𝐩𝐞
𝐒𝐢𝐝𝐞 − 𝐓𝐚𝐩𝐞𝐫𝐞𝐝, 𝐑𝐞𝐜𝐭𝐚𝐧𝐠𝐮𝐥𝐚𝐫
(Tipo de entrada)
∗
(Entrada rectangular con alas y muro frontal sin caida)
𝐒𝐥𝐨𝐩𝐞 − 𝐓𝐚𝐩𝐞𝐫𝐞𝐝
∗
{ (Entrada con alas y muro frontal con caida)
∗
𝐁𝐞𝐯𝐞𝐥𝐞𝐝
(Biselado)
𝐁𝐞𝐯𝐞𝐥𝐞𝐝 𝐄𝐝𝐠𝐞
∗
( Borde Biselado )
𝐁𝐞𝐯𝐞𝐥𝐞𝐝 𝐄𝐝𝐠𝐞 𝐓𝐨𝐩 𝐖𝐢𝐧𝐠𝐰𝐚𝐥𝐥
∗
(Bordes biselados en la parte superior de la entrada)
𝐁𝐞𝐯𝐞𝐥𝐞𝐝 𝐄𝐝𝐠𝐞 𝐓𝐨𝐩 𝐀𝐧𝐝 𝐒𝐢𝐝𝐞 𝐖𝐢𝐧𝐠𝐰𝐚𝐥𝐥
∗
(Bordes biselados en la parte superior y laterales de la entrada)
𝐆𝐫𝐨𝐨𝐯𝐞𝐝 𝐄𝐧𝐝 𝐏𝐫𝐨𝐣𝐞𝐜𝐭𝐢𝐧𝐠
∗
(Alcantarillado proyectado con bordes Ranurados)
𝐆𝐫𝐨𝐨𝐯𝐞𝐝 𝐄𝐧𝐝 𝐢𝐧 𝐇𝐞𝐚𝐝𝐰𝐚𝐥𝐥
∗
𝐈𝐧𝐥𝐞𝐭 𝐄𝐝𝐠𝐞 𝐂𝐨𝐧𝐝𝐢𝐭𝐢𝐨𝐧
(Borde ranurado en la entrada)
(Condición de borde de entrada)
𝐌𝐢𝐭𝐞𝐫𝐞𝐝
∗
(Alcantarillado cortado a bisel)
𝐌𝐢𝐭𝐞𝐫𝐞𝐝 𝐭𝐨 𝐂𝐨𝐧𝐟𝐨𝐫𝐦 𝐭𝐨 𝐒𝐥𝐨𝐩𝐞
∗
(Alcantarillado cortado a bisel segun inclinación del talud)
𝐏𝐫𝐨𝐣𝐞𝐜𝐭𝐢𝐧𝐠
∗
(Alcantarillado proyectado)
𝐒𝐪𝐮𝐚𝐫𝐞 𝐄𝐝𝐠𝐞 𝐰𝐢𝐭𝐡 𝐇𝐞𝐚𝐝𝐰𝐚𝐥𝐥
∗
(Bordes cuadrados en la entrada)
𝐒𝐪𝐮𝐚𝐫𝐞 𝐄𝐝𝐠𝐞 𝐓𝐨𝐩 𝐖𝐢𝐧𝐠𝐰𝐚𝐥𝐥
∗
(Bordes cuadrados en la parte superior de la entrada)
𝐓𝐡𝐢𝐧 𝐄𝐝𝐠𝐞 𝐏𝐫𝐨𝐣𝐞𝐜𝐭𝐢𝐧𝐠
∗
{ (Borde proyectado con pared fina)
∗
V.
SITE DATA.- En este subtitulo se debe ingresar los datos de las características topográficas
de lugar donde se encontrara la alcantarilla:
351
Nombre
Site Data Input Option
Inlet Station
Inlet Elevation
Outlet Station
Outlet Elevation
Number of Barrels
Descripción
Opción de entrada de datos de sitio
Estación de entrada (m)
Elevación de entrada (m)
Estación de Salida (m)
Elevación de salida (m)
Numero de alcantarillas
Luego presionamos el botón “Analyze Crossing” para que realice el analizis hidráulico de la
alcantarilla. En esta parte también muestra las diferentes características de la alcantarilla:
a. Crossing Summary Table.- Esta tabla contiene los resultados de la elevación en la entrada de
la alcantarilla, el caudal de descarga y el numero de iteraciones que el programa realizo.
 También existe un botón con el nombre de “Crossing Rating Curve”, que muestra la
curva Caudal de Diseño vs. el Tirante de Agua.
b. Culvert Summary Table = Abre una tabla de respuesta, con todas la característica a flujo
parcialmente lleno o flujo lleno según sea el caso. En esta tabla encontraremos:
 Total Discharge.- Caudal de descarga (Q).
 Culvert Discharge.- Descarga en la alcantarilla.
 Headwater Elevation.- Elevación a la entrada de la Alcantarilla (ELHD).
 Inlet Control Depth.- Profundidad del agua con control de entrada.
 Outlet Control Depth.- Profundidad del agua con control de salida.
 Flow Tipe.- Tipo de Flujo.
 Normal Depth.- Profundidad Normal (hn).
 Critical Depth.- Profundidad Critica (dc).
 Outlet Depth.- Profundidad a la salida.
 Tailwater Depth.- Altura de agua a la salida (Tw).
 Outlet Velocity.- Velocidad a la salida de la alcantarilla (V).
 Tailwater Velocity.- Velocidad en el canal (VCANAL).
352
c. Water Surface Profiles = Abre una tabla con todas las característica geométricas de la
alcantarilla y del flujo de agua, también grafica la alcantarilla (Selected Water profile).












Total Discharge.- Caudal de descarga (Q).
Culvert Discharge.- Descarga en la alcantarilla.
Headwater Elevation.- Elevación a la entrada de la Alcantarilla (ELHD).
Inlet Control Depth.- Profundidad del agua con control de entrada.
Outlet Control Depth.- Profundidad del agua con control de salida.
Flow Tipe.- Tipo de Flujo.
Length Full.- Tramo de la alcantarilla que escurre lleno.
Length Free.- Tramo de la alcantarilla que escurre libre.
Last Step.- Último paso.
Mean Slope.-Pendiente del espejo de agua.
First Depth.- Altura de agua al ingresar a la alcantarilla.
Last Depth.- Altura de agua al salir de la alcantarilla.
PASOS PARA ANALIZAR UNA ALCANTARILLA: (EJEMPLO 1)
I.
Iniciamos el programa HY – 8. La ventana aparecerá de esta forma:
El programa trae por defectos el Sistema de unidades inglesas por esta razón conviene modificar el
sistema de unidades y cambiar al SI (sistema internacional de unidades métricas). Para realizar esta
operación debemos desmarcar la casilla que indica “Add a culvert crossing”, para cambiar las
unidades y presionamos el botón “Continue”.
Sistema de unidades que trae por defecto
Sistema de unidades cambiada al “SI (métrico)”
353
II.
III.
Añada una nueva alcantarilla
“Add new culvert crossing” (Barra de Herramientas)
Ingresar los datos de descarga del proyecto en “DISCHARGE DATA”:
Nombre
Descripción
Minimum Flow Caudal Mínimo de Diseño (m3/seg)
Design Flow
Caudal de Diseño (m3/seg)
Maximum Flow Caudal Máximo de Diseño (m3/seg)
IV.
Valor
3.00
3.16
3.50
Ingresar los datos del canal de Salida del proyecto en “TAILWATER DATA”:
Nombre
Channel Type
Bottom Width
Side Slope (H:V)
Channel Slope
Manning’s n
(channel)
Channel Invert
Elevation
Descripción
Tipo de canal
Ancho del Canal (m)
Pendiente de las paredes del Canal (Canal trapezoidal)
Pendiente del Terreno
Numero de Manning del Canal
Elevación del canal en la entrada (m)
Valor
Canal rectangular
3.00
No existe
0.0652
0.03
2549.62
Seleccione que al" botón de "View…", vea la curva de clasificación:
354
V.
Ingrese los siguientes datos de la carretera "ROADWAY DATA":
Nombre
Roadway Profile Shape
First Roadway Station
Crest Length
Crest Elevation
Roadway Surface
Top Width
VI.
Descripción
Valor
Tipo de calzada (constante o irregular)
Regular
Primera estación de la calzada (m)
0.00
Longitud de la cuneta que aporta sus aguas a la alcantarilla (m)
100.00
Elevación de la carretera (m)
2552.00
Tipo de superficie de calzada
Pavimento
Ancho de la calzada (m)
14.00
Ingrese los siguientes datos de la alcantarilla “CULVERT DATA”:
Descripción
Valor
Name
El nombre
Alcantarilla 1
Shape
La forma
Circular
Material
El material
Concreto
Diameter
El diámetro (mm)
1500.00
Manning’s n
El “n” de Manning
0.012
Inlet Type
El tipo de entrada
Convencional
Inlet Edge Condition Condición de borde de entrada Borde Cuadrados en la Entrada
Inlet Depression?
¿Si existe una caida de entrada?
No
Nombre
355
VII.
Ingrese los siguientes datos del lugar de la alcantarilla “SITE DATA”:
Nombre
Site Data Input Option
Inlet Station
Inlet Elevation
Outlet Station
Outlet Elevation
Number of Barrels
Descripción
Valor
Opción de entrada de datos de sitio Ingresar los datos de la Alcantarilla
Estación de entrada (m)
0.00
Elevación de entrada (m)
2550.00
Estación de Salida (m)
15.00
Elevación de salida (m)
2549.62
Numero de alcantarillas
1
Luego Seleccionamos Analizar Alcantarilla “Analyze Crossing”
VIII.
Después de analizar la alcantarilla, esta nos nuestra varias opciones , entre ellas esta:
a. Crossing Rating Curve = Nos muestra cómo actúa el Caudal de Diseño vs. el
Tirante de Agua.
356
b. Culvert Summary Table = Abre una tabla de respuesta, con todas la característica a
flujo parcialmente lleno. En esta tabla encontraremos:
 Caudal de descarga: Q = 3.16 m3/s
 Elevación a la entrada de la Alcantarilla = 2551.40 m (Control de
entrada)
 Profundidad del agua con control de entrada: He = 1.40 m
 Profundidad del agua con control de salida : He = 0.04 m
(Flujo parcialmente lleno).
 Profundidad Normal:
hn = 0.52 m
 Profundidad Critica:
dc = 0.92 m
 Profundidad a la salida: hn = 0.66 m
 Altura de agua a la salida: Tw = 0.42 m
 Velocidad a la salida de la alcantarilla: V = 4.24 m/s
 Velocidad en el canal
: V = 2.53 m/s
c. Water Surface Profiles = Abre una tabla con todas las característica geométricas de
la alcantarilla y del flujo de agua, también grafica la alcantarilla (Selected Water
profile).
 Caudal de descarga: Q = 3.16 m3/s
 Elevación a la entrada de la Alcantarilla = 2551.40 m (Control de
entrada)
 Profundidad del agua con control de entrada: He = 1.40 m
 Profundidad del agua con control de salida: He = 0.04 m
 Tramo de la alcantarilla que escurre lleno = 0.00 m
357





Tramo de la alcantarilla que escurre libre = 14.90 m
Ultimo paso = 0.06 m
Pendiente del espejo de agua = 1.08 %
Profundidad del agua al ingresar a la alcantarilla = 0.92 m
Profundidad del agua al salir de la alcantarilla = 0.66 m
358
IX.
El análisis que se realizo es para un flujo que escurre parcialmente lleno, para obtener
mejores resultados también tendremos que realiza un análisis para un flujo que escurre llena.
Por tanto cerramos todas las ventanas de nuestro programa y cambiamos el análisis para un
flujo que escurre llena:
X.
Volvemos a abrir la ventana de dato de la alcantarilla realizando un clic en el icono
,
luego seleccionamos Analizar Alcantarilla “Analyze Crossing”. Para obtener los resultados
XI.
Conclusiones:
El programa nos proporciona los siguientes resultados, que comparados con los hallados
manualmente témenos:
Resumen del Análisis realizado
manualmente
Alcantarilla con Control en la Entrada:
He (Control en la entrada) = 1.425 m.
Tw = 0.4159 m.
dc = 0.93 m.
Alcantarilla con control en la salida:
He (Flujo lleno) = 1.0595 m.
V (En la salida) = 4.8023 m/s.
Resumen del Análisis realizado en el
programa “HY-8”
Alcantarilla con Control en la Entrada:
He (Control en la Entrada) = 1.40 m.
Tw = 0.42 m.
dc = 0.92 m.
Alcantarilla con control en la salida:
He (Flujo lleno) = 0.81 m.
V (En la salida) = 4.24 m/s.
359
PASOS PARA ANALIZAR UNA ALCANTARILLA: Cajón de metal corrugado (EJEMPLO 2)
I.
Iniciamos el programa HY – 8 y cambiamos el sistema de unidades
Sistema de unidades que trae por defecto
II.
III.
Añada una nueva alcantarilla
Sistema de unidades cambiada al “SI (métrico)”
“Add new culvert crossing” (Barra de Herramientas)
Ingresar los datos de descarga del proyecto en “DISCHARGE DATA”:
Nombre
Descripción
Minimum Flow Caudal Mínimo de Diseño (m3/seg)
Design Flow
Caudal de Diseño (m3/seg)
Maximum Flow Caudal Máximo de Diseño (m3/seg)
IV.
Valor
8.00
8.50
9.00
Ingresar los datos del canal de Salida del proyecto en “TAILWATER DATA”:
Nombre
Channel Type
Channel Invert
Elevation
Constant Tailwaler
Elevation
Descripción
Enter Constant Tailwaler Elevation
Valor
Ingrese la altura del agua a la
salida (Tw)
Ingrese la parte inferior del canal (m)
28.96
Ingrese la altura de agua a la salida (m) 28.96 +
1.219 = 30.18 m
30.18
Presione el botón "View…", para ver las características del flujo en el canal:
360
V.
Ingrese los siguientes datos de la carretera "ROADWAY DATA":
Nombre
Roadway Profile Shape
First Roadway Station
Crest Length
Crest Elevation
Roadway Surface
Top Width
VI.
Ingrese los siguientes datos de la alcantarilla “CULVERT DATA”:
Nombre
Name
Shape
Material
Span
Rise
Manning’s n
(Top/Sides)
Manning’s n
(Bottom)
Inlet Type
Inlet Edge
Condition
Inlet Depression?
VII.
Descripción
Valor
Tipo de calzada (constante o irregular)
Regular
Primera estación de la calzada (m)
0.00
Longitud de la cuneta que aporta sus aguas a la alcantarilla (m)
100.00
Elevación de la carretera (m)
34.54
Tipo de superficie de calzada
Pavimento
Ancho de la calzada (m)
76.20
Descripción
El nombre
La forma
El material
Base
Altura
El “n” de Manning para el Cajón de
Metal Corrugado
El “n” de Manning para el Piso de la
alcantarilla (Concreto)
El tipo de entrada
Condición de borde de entrada
¿Si existe una caida de entrada?
Valor
Alcantarilla Cajón
Metal Box
Corrugated Steel
3073.40
1016.00
0.024
0.012
Convencional
Thin Edge Poryecting
(Borde Proyectada con pared fina)
No
Ingrese los siguientes datos del lugar de la alcantarilla “SITE DATA”:
Nombre
Site Data Input Option
Inlet Station
Inlet Elevation
Outlet Station
Outlet Elevation
Number of Barrels
Descripción
Valor
Opción de entrada de datos de sitio Ingresar los datos de la Alcantarilla
Estación de entrada (m)
0.00
Elevación de entrada (m)
30.48
Estación de Salida (m)
76.20
Elevación de salida (m)
28.96
Numero de alcantarillas
1
361
Como la Alcantarilla escurre totalmente lleno, no es necesario volver a analiza la alcantarilla.
VIII.
Después de analizar la alcantarilla, esta nos nuestra varias opciones , entre ellas esta:
a. Crossing Rating Curve = Nos muestra cómo actúa el Caudal de Diseño vs. el
Tirante de Agua.
b. Culvert Summary Table = Abre una tabla de respuesta, con todas la característica a
flujo parcialmente lleno. En esta tabla encontraremos:
362










Caudal de descarga: Q = 8.50 m3/s
Elevación a la entrada de la Alcantarilla = 32.75 m (Control de entrada)
Profundidad del agua con control de entrada: He = 2.27 m
Profundidad del agua con control de salida : He = 1.53 m
(Flujo Totalmente lleno).
Profundidad Normal:
hn = 0.60 m
Profundidad Critica:
dc = 0.89 m
Profundidad a la salida: hn = 1.02 m
Altura de agua a la salida: Tw = 1.22 m
Velocidad a la salida de la alcantarilla: V = 3.19 m/s
Velocidad en el canal
: V = 0 m/s
**Como la Alcantarilla escurre totalmente lleno, no es necesario volver a analiza la alcantarilla.
c. Water Surface Profiles = Abre una tabla con todas las característica geométricas de
la alcantarilla y del flujo de agua, también grafica la alcantarilla (Selected Water
profile).
 Caudal de descarga: Q = 8.50 m3/s
 Elevación a la entrada de la Alcantarilla = 32.75 m (Control de entrada)
 Profundidad del agua con control de entrada: He = 2.27 m
 Profundidad del agua con control de salida: He = 1.53 m
 Tramo de la alcantarilla que escurre lleno = 76.22 m
 Tramo de la alcantarilla que escurre libre = 0.00 m
 Ultimo paso = 0.00 m
363
 Pendiente del espejo de agua = 10.00
 Profundidad del agua al ingresar a la alcantarilla = 1.02 m
 Profundidad del agua al salir de la alcantarilla = 01.02 m
364
IX.
Conclusiones:
El programa nos proporciona los siguientes resultados, que comparados con los hallados
manualmente témenos:
Resumen del Análisis realizado
manualmente
Alcantarilla con Control en la Entrada:
He (Control en la entrada) = 2.24 m.
dc = 0.80 m.
Alcantarilla con control en la salida:
He (Flujo lleno) = 1.589 m.
V (En la salida) = 3.79 m/s.
Resumen del Análisis realizado en el
programa “HY-8”
Alcantarilla con Control en la Entrada:
He (Control en la Entrada) = 2.27 m.
dc = 0.89 m.
Alcantarilla con control en la salida:
He (Flujo lleno) = 1.53 m.
V (En la salida) = 3.19 m/s.
365