Materia de drenaje vial y urbano

P=1/Tr
R=1-(1-P)^n
P=1-R
; P=probabilidad, Tr=período de retorno (años)
; n=vida útil del proyecto, R=Riesgo es la probabilidad de que haya un evento mayor al esperado
SELECCIÓN DEL MÉTODO DE ESTIMACIÓN DE CAUDALES
ELEMENTOS NECESARIOS
Datos de
Análisis de
AFOROS
precipitación frecuencia
no
si
si
no
si
si
si
si
no
si
no
si
si
no
no
no
no
no
MÉTODO
Racional
S.C.S
Hidrograma Unitario
Análisis de crecientes (leyes de distribución)
Análisis de estructuras existentes
IZZARD
CAMPO DE APLICACIÓN
Tamaño de cuenca
5Km2=500Ha
(pequeña)
Medianas
Grandes
Grandes
Toda cuenca
Pequeñas áreas
Estructura
Alcantillado, Cunetas, Sumideros
Alcantarrilas, Puentes
Puentes
Alcantarillado, Puentes
Alcantarillado, Puentes
Cunetas, Sumideros
DRENAJE SUPERFICIAL
Sistema de canalización superficial destinado a recoger y evacuar de la calzada de una vía, y de las laderas
adyacentes, en el menor tiempo posible la escorrentía superficial producida por precipitaciones
atmosféricas intensas.
i
P mm
;
t h
FACTORES A CONSIDERAR EN EL DRENAJE SUPERFICIAL
a) Factores Topográficos, situación de la carretera respecto al terreno natural, en terraplén o en corte.
b) Factores Hidrológicos, presencia de aguas subterráneas, variaciones del nivel freático.
c) Factores Geotécnicos, Naturaleza y condiciones de los suelos: Homogeneidad, estratificación, etc.
d) Factores Geológicos, presencia de fallas graves, corrimientos, erosión, etc.
MÉTODOS DE CÁLCULO DE ESTIMACIÓN DE CAUDALES BASADOS EN FÓRMULAS EMPÍRICAS Y DE MANNING
1) Ecuación de continuidad (Método Área – Velocidad Media)
Dónde:
Q  A Vm m3 / s
A = Área de la sección mojada (m2) ; Vm = Velocidad media calculada con aforos (m/s)


Dónde:
V = velocidad media (m/s)
c = coeficiente de Chezy (m1/2/s)
R = radio hidráulico (m)
A = área de la sección (m2)
P = perímetro mojado (m)
I = pendiente del rio (m/m)
n = coeficiente de rugosidad del cauce (tabla 1.1)
2) Ecuación de Chezy
V  c RI
R  A/ P
c
R1/6
n
3) Ecuación de Poblovky
De una forma más simple:
Ry
c
n
y  2.5 n  0.13  0.75 R

n  0.10
y  1.5 n ; R  1.0m

y  1.3 n ; R  1.0m
Las fórmulas anteriores de Manning o de Poblovky, se utilizan cuando: R=(0.10-3.0)m ; n=(0.011-0.04), para otros casos en
cualquier coeficiente de rugosidad (n) utilizamos:
2


g
g
g 1
1 1
1 1

c  
1  log R    
1  log R  
  g  log R 
2  n 0.13
4  n 0.13


 0.13  n
g=9.81m/s2
A = área de la sección mojada (m2)
;
4) Calculo de Caudales
Q  Ac  R  I
 m / s  Chezy
 m / s   Manning 
1
Q  A   I 1/2  R 2/3
n
3
3
Nota:
Los coeficientes de Manning (c) se pueden observar
directamente en la tabla 1.1 (Rodrigo Lemos pág. 10)
5) Método de Stevens, ríos relativamente anchos y poco profundos, el radio hidráulico (R), se cambia por la profundidad media
(D)
Dónde:
Q  A  c D  I m3 / s Stevens
D = profundidad media (m)
B = ancho del rio (m)
D  A/ B
A =área de la sección (m2)


Dónde:
Q = caudal de diseño máximo previsible (m3/s)
c = coeficiente de escorrentía (Tabla 1.2) (Rodrigo Lemos pág. 19) o de (Tabla 1.4) (Ven Te Chow) (en
función del periodo de retorno (Tr)
A = Área de la cuenca (Ha)
i = intensidad de lluvia (mm/h)
MÉTODO RACIONAL
Q

c i  A
360
Mayor coeficiente de escorrentía, suelo más impermeable. En caso de varios tipos de suelos en la zona, realizamos un ponderado
del coeficiente de escurrimiento:
Dónde:
c = Coeficiente de escorrentía (Tabla 1.4) (Ven Te Chow) vs. Período de retorno (Tr)
c1 A1  c2 A2   cn An
A = Área de la cuenca (Ha)
c
tc = tiempo de concentración (min)
A1  A2   An
L = longitud del río (m) ; H = diferencia de cotas (m) [Cmáx – Cmín]
0.385
 L3 
tc  0.0195 

 H 
 n L 
to  1.45  o o 
 S 
o 

tc  to  tv



to
tv
0.467
d
1 1/2 2/3
J R
n
d
tv 
V
V
Dónde:
no = coeficiente de rugosidad (c) de manning
Lo = longitud del cauce principal (m)
V = velocidad de Manning (m/s)
So = pendiente media de la cuenca (m/m)
J = pendiente de la alcantarilla (m/m)
R = Radio hidráulico (m)
to = tiempo de concentración de la cuenca (min)
tv = tiempo de concentración de la alcantarilla (seg)
También puedo utilizar la Tabla 1.3 (Rodrigo Lemos pág. 20) para encontrar los coeficientes de escorrentía (c).
[tc = 5 – 10 min] para alcantarillado y en cuencas donde no hay río.
[tc = 10 – 12 min] para laderas de vías.
PERÍODO DE RETORNO
Tr=(2–5) años [Cunetas y Sumideros] ; Tr=(10–15) años [Alcantarillas y Pontones (muros de cabecera de alcantarillas)]
MÉTODO S.C.S.
1)
CN  CN1  A1  CN2  A2 
2)
 1000

S  25.4 
 10 
 CN

 CNn  An
(Utilizamos la tabla 5.5.2) (Ven Te Chow para evaluar los C1,C2,…,Cn)
 mm
3) Encuentro el tiempo de concentración (tc) [min], con la fórmula de Kirpich (en el método Racional está la fórmula)
4) Encuentro la intensidad (I) [mm/h] ya sea con las curvas IDF o con la ecuación de intensidad que tengamos
I t
[mm]
60
5)
P
6)
 P  0.2S 
Pe 
t = 24h*60min = 1440 min
I = intensidad [mm/h]
2
P  0.8S
A P
[m3 /s]
7) Q 
t
[mm]
; S = calculado en el paso 2)
A = área de la cuenca (m2)
P = Pe = precipitación (m)
t = 24h*60*60 = 86400 seg
CAUDAL DE CUNETAS
Q
a)
c i  A
1
0.28
[m3 /s] 
 0.28 
 0.00028 para que este en [lt/s]
3.6
3.6
1000
TRAMO DE CARRETERA EN RELLENO O TERRAPLÉN
Q  0.00028  Cp  i  A [lt/s]
Cuneta
Sx
Sx
C1 B  L  C2b  L C1 B  C2b

BL bL
Bb
C B  C2 b
Q  0.00028  1
 i  L  B  b
Bb
Cp =
Q1
Q2
Calzada
Berma
Q12  0.00028  i  L  C1B  C2b  [lt/s]
b
B
Sx
So
Dónde:
C1 = Escurrimiento calzada
C2 = Escurrimiento berma
B = ancho calzada (m)
b = ancho berma (m)
L = longitud cuneta (m)
Sx
L
b) TRAMO DE CARRETERA A MEDIA LADERA
Sx
Sx
Q1
Dónde:
S1 = Área ladera 1 [m2]
C3 = Escurrimiento ladera 1
Q2
TRAMO DE CARRETERA EN CORTE
Q1  0.00028  i  C1B  L  C2b  L  C3S1  [lt/s]
S1
S2
Sx
Q2  0.00028  i  C1B  L  C2b  L  C4 S2  [lt/s]
Sx
Q1
d)
Q1  0.00028  i  C1B  L  C2b  L  C3S1  [lt/s]
Q2  0.00028  i  L  C1B  C2b  [lt/s]
S1
c)
Sx = pendiente transversal
So = pendiente longitudinal
Q = caudal interno de la
cuneta (lt/s)
i = intensidad (mm/h)
Q2
Dónde:
S2 = Área ladera 2 (m2)
C4 = Escurrimiento ladera
2
TRAMO DE CARRETERA A MEDIA LADERA (PERALTADA)
Q1  0.00028  i  C1  2B  L  C2  2b  L  C3S1  [lt/s]
S1
Sx
Sx
Q2
Q2  cuneta normativa
Q1
e)
TRAMO DE CARRETERA EN CORTE (PERALTADA)
S2
Q2  0.00028  i  C4  S2 [lt/s]
S1
Sx
Sx
Q2
Q1
Q1  0.00028  i  C1  2B  L  C2  2b  L  C3S1  [lt/s]
DISEÑO DE CUNETAS
Finalidades de las cunetas:
1. Recoger agua de la escorrentía de la calzada, de las laderas adyacentes y taludes de corte.
2. Recoger aguas subterráneas infiltradas en base, sub base y terrenos adyacentes.
3. Controlar el nivel freático
Generalidades:
1. Ancho mínimo de cuneta: (B≥30cm)
2. Velocidad mínima en cunetas es 0.35m/s, y máxima se observa en la tabla 1.4 (Rodrigo Lemos pág. 25)
Fases del cálculo hidráulico de la cuneta:
1. Cálculo del caudal de escorrentía a eliminarse o desaguar
2. Cálculo de la capacidad hidráulica de la cuneta determinando sus dimensiones
3. Chequeo de la velocidad admisible, para comprobar si hay sedimentación o socavación
CUNETA RECTANGULAR
e
C  Cmin
1. Encuentro la pendiente: J  max
y nos asumimos un ancho (B) inicial, el mínimo es
Lcanal
hs
30cm
Y
Qn
2. Rugosidad hormigón (n=0.014); encuentro el coeficiente: K1  2.67 0.5
B J
3.
B
Observo en tabla No. 40 (m=0 cunetas rectangulares), en la columna correspondiente el valor de
K1, y encuentro(y/b) interpolando si fuera necesario
4.
hs  0.10  Y , encuentro entonces: hT  Y  hs , el espesor mínimo (e = 10cm)
5.
Chequeo la velocidad máxima y mínima (0.35m/s)
e
hs
CUNETA TRAPEZOIDAL
Realizamos todos los pasos anteriores, cambiando solamente el coeficiente de
talud por ejemplo (m=1.25)
CUNETA TRIANGULAR
Utilizo Monograma de Izzard para canales triangulares, donde:
T = ancho de inundación, ancho del espejo de agua entre el bordillo y la calzada
YA = Calado ; Sx = pendiente transversal (m/m) ; So = Pendiente Longitudinal (m/m).
Y
B
Procedimiento:
1. Encuentro el valor de Z = 1/Sx
2. Ubico la relación (Z/n) y uno con la (PENDIENTE LONGITUDINAL), cortando CHARNELA
3. Desde el corte de CHARNELA, uno con CAUDAL (lt/s), hasta cortar PROFUNDIDAD (YA) EN METROS
4. Encuentro (hs)
T
hs
YA
APLICACIÓN A CANALES EN “V”
Como tengo Z, y obtengo (YA) entonces puedo encontrar: T = Z*YA
CONSIDERACIONES UTILIZADAS PARA EL DISEÑO DE CUNETAS
1. SECCIÓN TRANSVERSAL, Son comunes las secciones Rectangulares, Trapezoidales, Triangulares, con coeficientes de talud de
m = 0.5 - 4.0
2. PENDIENTES, las mínimas serán: Cunetas revestidas (0.2%), Cunetas sin revestir (suelo) (0.5%), la máxima no hay, se adapta
al terreno.
3. PUNTOS DE DESAGÜE, Las cunetas se llevan hasta los cauces naturales del terreno, hacia las obras que cruzan las carreteras
(alcantarillas), o proyectando desagües donde no exista. La distancia máxima puede ser 150m, zona lluviosa cada 180m.
4. REVESTIMIENTO, Si la cuneta queda en terreno fácilmente erosionable, el tramo de fuerte pendiente longitudinal, se debe
proteger con un revestimiento resistente a la erosión.
Si las aguas se recogen del talud en corte pueden producir erosión o desbordamientos. Se debe proyectar una cuneta
protectora sobre la coronación del talud, a una distancia tal que quede por fuera que se considera el círculo de falla,
aproximadamente a 2 veces la altura del talud de corte (a), de acuerdo a la siguiente figura:
Cuneta de
coronación
LR
a
R
Circulo de falla
a
Hvertedero o
retardador
i
RETARDADORES
Pequeños diques sumergidos, colocados transversalmente en la cuneta, donde:
H = altura del lumbral del vertedero o retardador [0.40 – 0.50m]
i = pendiente del fondo de la cuneta (%)
LR = distancia entre retardadores;
LR 
H
i
SALTOS
La pendiente del fondo puede fijarse menor que la del terreno natural y de tanto en tanto colocar un escalón que compense la
diferencia de ambas pendientes. Estos escalones llamados saltos tienen alturas (0.60 - 2.0m), se construyen con mampostería u
hormigón.
Al pie del salto debe construirse una batea, en la que se forma un colchón de agua que actúa como disipador de energía. De no
construirse esta batea la fundación del salto deberá proveer el doble de la altura del mismo, teniendo en cuenta los efectos
erosivos del pie. El dimensionamiento hidráulico se realiza en base a las siguientes fórmulas empíricas:
H
a  8 3 y H
Z
ic
d
d  H Z  3 y Z
[m] (resalto ahogado)
it
H
Ls
H  y  Z b  Z  y d
y Z  Z [ m]
3
b
y
Cuneta
[ m]
(H) Se adopta en función del material utilizado
(y) Tirante del agua, del régimen uniforme para el caudal de diseño
(i) Pendiente de la sección elegida, del canal de la cuneta, para la cual la velocidad
es admisible.
 La distancia entre saltos será:
 Si la cuneta es de hormigón:
a
Ls
H  d  a i
; it  ic
it  ic
 4 m/s
Ls 
Vadm
(it) Pendiente original del canal
(ic) Pendiente adoptada del canal
GUMBEL (VALORES EXTREMOS TIPO 1)
QcrTR  Q    yTR

6

S
  TR  
yTR   Ln  Ln 

  TR  1  
QcrTR  Q  KT  S
Dónde:
Qcr = caudal máximo de crecida para un
determinado periodo de retorno (TR)
S = desviación
6
  TR   
KT  
0.5772  Ln  Ln 
 
 
  TR  1   
Desviación Estándar:
S

xx
n 1

Coeficiente de Asimetría:
2
CS 

n x  x

3
 n  1 n  2  S 3
ALCANTARILLAS
Estructuras de desagüe de aguas provenientes de quebradas, cauces naturales, cunetas y aguas subterráneas. Con su emplazamiento debe procurarse que tal
modificación no ocasione perjuicios de importancia en el camino ni en los terrenos adyacentes a él. Debe reducirse a un mínimo razonable y económico los
inconvenientes e interrupciones del tránsito y las inundaciones.
Las etapas usuales en el proyecto de estructuras de diseño de alcantarillas son:
1. Selección de la frecuencia de diseño(TR), depende de la importancia del camino, las dimensiones de la obra,
su costo y el valor de los perjuicios emergentes por insuficiencia de luz de la estructura. B = Luz o ancho de
alcantarilla ; L = longitud de alcantarilla
2. Estimación del demarre (caudal) para cierta frecuencia de diseño (TR)
3. Selección de la estructura, su tamaño y tipo
4. Condiciones de emplazamiento
Via
ht=H
L
B
SELECCIÓN DE LA ESTRUCTURA
La función de la alcantarilla es permitir el paso de la corriente de agua a través del camino de un acceso o de una calle transversal. Este pasaje debe producirse
sin ocasionar un remanso excesivo o velocidad excesiva, el proyectista debe asumir márgenes de seguridad razonables, sin exageración en el cálculo de pérdidas
de carga y velocidades, y elegir la estructura de costo mínimo que se adopte a las condiciones de funcionamiento adecuado, con la debida solidez y seguridad.
El tamaño y tipo de estructura que se adopte para un determinado emplazamiento dependerá del lugar, de la altura mínima, de la rasante sobre el nivel del
agua, del tirante de la corriente aguas abajo, de la velocidad de descarga, de las pérdidas de carga y velocidades.
Las alcantarillas pueden estar recubiertas de un terraplén de circulación vehicular y de espesor variable, serán sometidas a solicitaciones provenientes de la
carga del terraplén y del tránsito, esta última será menor en cuanto sea mayor la altura del terraplén sobre la alcantarilla (pues aumenta la distribución de las
cargas) y viceversa.
P
P
No hay terraplén
e
e pequeño = P será mayor
HóD
Si:
e grande = P será menor
L
CONDICIONES GENERALES
1. Las dimensiones determinantes para el diseño de una estructura corresponden a las solicitaciones del tránsito para terraplenes bajos y a los del piso del
terraplén para elevados rellenos. Una tensión seleccionada racionalmente para el diseño de un plano tipo definiría en consecuencia un rango entre terraplén
máximo y mínimo.
2. En secciones circulares o bóvedas deben adaptarse espesores apreciables de terraplén del orden de (0.50-0.60)m para obtener estructuras razonablemente
económicas.
3. Se presenta un rango de rellenos de orden de (1-2)m, en las que las solicitaciones asumen los valores más bajos.
4. Es necesario una vez dimensionado el plano tipo para sus reales estados de carga durante el uso de la carretera, verificar los que requerirán estas estructuras
durante la ejecución de las obras para el paso de los equipos más usuales durante la construcción.
DIMENSIONES MÍNIMAS
Se recomienda que el ancho mínimo de las secciones transversales no deban ser inferiores a 1m, ya que deben permitir fácil mantenimiento de estas estructuras
sometidas a obstrucciones, erosión, etc.
En caso de alcantarillas ubicadas en cursos (permanentes o no), con arrastres de troncos, ramas, etc., deben diseñarse aberturas que no provoquen
taponamientos ni obstrucciones perjudiciales.
TIPOLOGÍA DE ALCANTARILLAS
En el ecuador las más utilizadas son las rectangulares y circulares. Las RECTANGULARES para condiciones de caudales significativos, y las CIRCULARES para
caudales reducidos. En otros países con frecuencia utilizan alcantarillas de secciones abovedadas y ovaladas. Estas últimas presentan ventajas desde el punto de
vista estructural y de capacidad de carga.
TIPOS DE ALCANTARILLAS
DESIGNACIÓN
MATERIALES
RECTANGULARES Hormigón, mampostería, madera
CIRCULAR
Hormigón, PVC, hierro corrugado
ABOVEDADA
Hormigón, mampostería, hierro
OVALADO
hierro
BÓVEDA
Mampostería, hormigón
HIDRÁULICA DE ALCANTARILLAS
Las alcantarillas son estructuras de conducción, generalmente cortas (un poco mayor al ancho de la
calzada), que se diseñan con criterios económicos, de seguridad, resistencia estructural, capacidad
hidráulica, etc. El funcionamiento hidráulico puede corresponder a: vertedero de pared gruesa, canal o
tubería, orificio, flujo bajo compuerta. El tránsito de la escorrentía puede ser a presión o libre.
Flujo libre
Flujo a presión
Dónde: He=altura de entrada ; hs = altura de salida ; H ó D = altura o diámetro ; H = perdida de carga.
El flujo subcrítico, supercrítico o crítico, con régimen uniforme o variado. Según condiciones de salida pueden ser 2 casos:
a) Salida libre, cuando el tirante libre inmediatamente aguas debajo de la alcantarilla es inferior al crítico correspondiente al caudal de diseño.
b) Salida a presión
HIDRÁULICA DE CONDUCTOS CIRCULARES
Es conveniente utilizar el concepto de módulo de Gasto (K) o de Velocidad (W); Caudal (Q) y Velocidad (V) son funciones del calado (H). Para el diseño de
alcantarillas se recomienda seguir los siguientes pasos:
a) Selección de la frecuencia de diseño, que depende de la importancia del camino, las dimensiones de la obra, su costo y el valor de los perjuicios emergentes
por insuficiencia del ancho o la altura de la estructura.
b) Estimación del caudal de diseño.
c) Determinación del tirante de la corriente en condiciones naturales, es decir sin la obstrucción ocasional de la estructura.
CAUDAL MÁXIMO [h = (0.93 – 0.95)*D] ; VELOCIDAD MÁXIMA [h = (0.80 – 0.85)*D] , cuando se considera n=0.014 (hormigón), adecuado para las condiciones de
trabajo de este tipo de tuberías (circulares).En la tabla 1.7 (pág. 44 Rodrigo Lemos), se observan los valores de módulo de gasto (K) y de velocidad (W) para
diferentes diámetro comerciales.
CAPACIDAD DE DESCARGA DE LA TUBERÍA (a=0.94 y a=1.0)
D
h
a=h/D  a=1 (Flujo a presión), a<1 (Flujo libre), cuando a=0.94 [Máxima Descarga (Qmáx) – Flujo libre]. Para
este cálculo se ha considerado un rango de pendientes entre [S = 0.2-4.0%] que se consideran suficientes para
casos prácticos, los diámetros considerados varían de 18”-36” (tabla 1.7)
Q  MK S
V  NW S
El funcionamiento hidráulico corresponde al vertedero de pared gruesa, canal o tubería, orificio o como flujo bajo compuerta. El
tránsito de la escorrentía puede ser a flujo libre o a presión. El flujo puede ser sub crítico, crítico o súper crítico, con régimen
uniforme o variado.
SALIDA LIBRE, cuando el tirante hidráulico inmediatamente aguas abajo de la alcantarilla es inferior al crítico, correspondiente al Qdis. Las alcantarillas se
diseñan a flujo libre y generalmente en estos casos el flujo que ingresa es crítico o súper crítico. El diseño deberá realizarse según funcionamiento hidráulico de
control de conducto (control de entrada).
CONTROL DE CONDUCTO O DE ENTRADA, sección de control (He): aquella sección donde existe una relación definida entre el caudal (Q) y el tirante (He) en la
entrada. Esta sección en la que se asume que se desarrolla un tirante próximo al crítico. 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 debajo de dicha sección un remanso sub crítico, y aguas abajo un flujo súper
crítico.
Las variables que intervienen en este tipo de flujo son: 1) Tipo y dimensiones de la sección transversal 2) Geometría en la embocadura (muros de cabecera) 3)
Nivel de agua a la entrada (He)
H
He
i
HoD
Yc
H
He
i
Hs
HoD
Hs
ic
(Fig.1)
i > ic
(Fig.2)
He < 1.2 H ó D ; Hs < H ó D
He > 1.2 H ó D ; Hs > H ó D
TIPOS DE ESCURRIMIENTO
1. CONDICIONES A LA ENTRADA DE LA ALCANTARILLA
De acuerdo a la altura que alcanza la corriente aguas arriba de la alcantarilla, respecto al dintel de la misma, hay 2 casos:
i.
Condición de entrada libre (He < 1.2 H o D)
[Fig. 1]
ii.
Condición de entrada sumergida (He > 1.2 H o D)
[Fig. 2]
2. CONDICIONES A LA SALIDA DE LA ALCANTARILLA
Según la altura que alcanza la corriente aguas arriba de la alcantarilla respecto al dintel de la misma se distingue 2 casos:
i.
Condición de salida libre (Hs < H o D)
[Fig. 1]
ii.
Condición de salida sumergida (Hs > H o D)
[Fig. 2]
Nivel de agua a la entrada (He). Existen 2 casos: Entrada a flujo libre y Salida a flujo libre.
CÁLCULOS PARA FLUJO CON CONTROL DE ENTRADA
1. Se define un (Qdis) que lo calculamos
2. Se propone un tipo de alcantarilla (forma y dimensiones)
3. Se elige un tipo de entrada
4. Se calcula el nivel que debe formarse a la entrada (He) necesario para permitir el paso del caudal de diseño. Si el nivel verifica las condiciones del proyecto, es
decir, no supera la altura máxima admisible para el agua a la entrada de la alcantarilla de acuerdo a las condiciones de diseño planteados en el problema en
cuestión, se continúa con el paso 5) de lo contrario se regresa al paso 2)
5. Se observa que el nivel (He) no sea demasiado pequeño, es decir, que la alcantarilla no se haya sobredimensionado pues esto ocasionaría costos excesivos e
innecesarios.
6. Se adopta la alcantarilla propuesta.
D
a=h/D < 1 (Flujo libre)
h
Qmáx de descarga
a = h/D = (0.93-0.95)
n=0.014
Vmáx de salida
a = h/D = (0.80-0.85)
n=0.014
Q  MK S
V  NW S
h
D
h=D => a=1 (Flujo a
presión)
Módulo de gasto (K)
Velocidad de salida (W)
Para diferentes
diámetros comerciales
(D) y diferentes (a)
i  0.2  4%
D  18" 36"
Ejemplo
Datos: n=0.014, Qmáx=2925 lt/s, i=1.5%=0.015, diseñar a flujo libre (a=0.94) (máxima descarga).
De la tabla 1.9, con S=0.015, tomo el caudal de 2318 lt/s < Qmáx = 2925 lt/s, con tubería D=36”, entonces observo que el diámetro es insuficiente. No es
recomendable variar la pendiente ya que tendría que diseñar pozos y obras de disipación. Divido el caudal de diseño (Qmáx) en dos tubos.
D = 32” => Q1 = 1693 lt/s (Tabla 1.9) (S=0.015)
D = 30” => Q2 = 1426 lt/s (Tabla 1.9) (S=0.015), entonces: Q = Q1 + Q2 = 3119 lt/s > 2925 lt/s
PROPIEDADES GEOMÉTRICAS DE LA SECCIÓN CIRCULAR
T
P  D 2 
T  2 h  D  h   D  Sen  2


R
2
 arcsen T D
2
 R  arcsen T D ; h  D 2
; h  D2
D
h
[Perimetro Mojado]
 Sen 
R  D 4  1 
[Radio hidraulico]
 

h  D 2 1  cos  2 
R  D 4 [Sección llena]
 0.339Q 
hc  D 

2.5
 D

 [rad]
0.517
[calado o altura crítica]

Las fórmulas anteriores se pueden observar en el ábaco (figura 6.5)
Para n (rugosidad) variable: (cuando la rugosidad varía a lo largo del tubo) (línea punteada)
Para n (rugosidad) fija: rugosidad uniforme en toda la tubería (Línea llena)
OJO: Cuando tengamos varias rugosidades hacemos un ponderado de cada rugosidad relacionado con la longitud, y encontramos la rugosidad típica.
Ejemplo
Determinar el calado de una tubería que circula, n=0.012, D=0.50m, i=1%, Q=0.3 m3/s, h=?? (Tubería trabaja a flujo lleno)
a) CALADO CIRCULANTE (A flujo libre)
Qll  A  V    4 D 2    1 n J 1/ 2 R 2/3 
Q
0.3

 0.73  Observo en el ábaco Fig 6.5
Qll 0.41
J  1%  0.01 , R  D 4 (Flujo lleno)
Encuentro
Qll    4 0.50 2    1 0.012 0.011/ 2 0.50 2/3 
Qll  0.41 m
y
do
3
y
do
donde do (diámetro de la tubería)
 0.635 , do=D=0.50m, entonces y=0.635  0.50=0.32m
y=0.32m (calado que circula)
s
b) VELOCIDAD CIRCULANTE (A flujo libre)
Vll  1 n J 1/ 2 R 2/3 
Vll  2.08 m/s
1
0.012
0.011/ 2 0.502/3
Debido a que tenemos y/do=0.635 corto la curva V/Vll=1.11
V/2.08=1.11, V=2.30 m/s < 4.5m/s (máxima para hormigón)
PROPIEDADES GEOMÉTRICAS DE LA SECCIÓN RECTANGULAR
A  bh
h
P  b  2h
h  y  hs
q  Q / b (caudal unitario)
b
ALCANTARILLA TOTALMENTE SUMERGIDA
Q   A 2 gZ

1
 Ki  
q2
g
hc 
L
D
3
ic 
n 2 g  B  2  hc 
4/3
B  B  hc 
1/3
Q = Caudal de circulación (m3/s)
µ = Coeficiente de descarga del conducto
A = Área de la sección hidráulica (m2)
Z = Pérdida de carga (m)
Ki = Sumatoria de coeficientes de pérdidas locales
 = Coeficiente de pérdida de carga por rozamiento (m)
D = Diámetro de la tubería, d =B (Tubería rectangular)
ALCANTARILLA PARCIALMENTE SUMERGIDA (Salida libre)
H’ = carga sobre el orificio igual a las pérdidas de carga + Energía Cinética dada por la
Q   A 2 gH '
velocidad de salida del flujo

1
1  Ki  
L
D
EN ALCANTARILLAS NO SE DEBE DISEÑAR TUBERÍAS A FLUJO LLENO (A PRESIÓN), YA QUE
LA MAYOR DESCARGA OCURRE CUANDO a =0.94
CRITERIOS DE DISEÑO DE ALCANTARILLAS
1. Proyectar alcantarillas que funcionen en lo posible con control de entrada (He < D), de lo posible trabajar con (a=0.94) [máxima descarga] o con velocidad
máxima (a=0.84)
2. Verificar que la velocidad de escorrentía en el interior del conducto e inmediatamente aguas abajo del mismo.
3. Prever defensas para controlar la erosión aguas abajo del conducto en caso de elevados caudales y fuertes velocidades de la corriente. Y en zonas con
suelos erosivos se realizará una inspección agua abajo del emplazamiento (lugar donde se ubica la obra) en una longitud no menos a 300m, con el objeto
de detectar posibles erosiones retrogradantes del cauce. En caso de constatarlos diseñar las obras necesarias para su control.
4. No dimensionar secciones con medidas inferiores a 1 metro.
5. Si bien es cierto se debe diseñar sin sobrepasar las velocidades admisibles, también hay que cuidar que las velocidades en el conducto deben ser aquellas
que permitan conducir sólidos y permita realizar el lavado hidráulico interno.
ELECCIÓN DEL MÉTODO DE ESTIMACIÓN DE CAUDALES
Consideramos los siguientes aspectos:
a) FACTORES FÍSICOS Y ESTRUCTURALES; Durabilidad, Altura disponible para la alcantarilla, Carga de relleno sobre ella, Condiciones de apoyo, Rigidez de la
alcantarilla, Resistencia al impacto, Tipo de terreno existente.
b) FACTORES HIDRÁULICOS, Caudales de diseño, Forma y área de la sección transversal del cauce, Velocidad de aproximación, Carga hidráulica total admisible,
Condiciones de entrada y salida, Material de arrastre, Pendiente de alcantarilla, Velocidad de conducto, Rugosidad y longitud de alcantarilla.
c) FACTORES DE CONSTRUCCIÓN Y MANTENIMIENTO, Accesibilidad del lugar, Disponibilidad de materiales.
d) FACTORES DE COSTO DE LA OBRA
MUROS DE CABECERA
Las cabeceras (muros a la entrada de las alcantarillas) se construyen in situ, de mampostería de piedra o de ladrillo, de hormigón armado o simple. Los objetivos
son:
1) Retener el talud del terraplén, 2) Encausar la corriente hacia el conducto, actuando como transición entre cause y conducto, 3) Proteger el talud de las
socavaciones.
Además debe contemplarse en el diseño:
1) Que no sean peligrosas o molestas al tránsito, 2) Que no estorbe las maniobras de los equipos de conservación, 3) Que tenga buena apariencia, seguridad y
menor costo.
Es práctico proyectar ambas cabeceras, la de entrada y la de salida de las mismas características, sin considerar que cada una de ellas cumple una función
distinta.
Cabecera de entrada, Dirige la corriente a la alcantarilla y su forma debe ser tal que disminuya las pérdidas de carga a la entrada, facilitando que la alcantarilla
trabaje con su capacidad máxima.
Cabecera de salida, Disipa la Energía Cinética (Ec) que lleva la corriente, para que no se produzcan socavaciones aguas abajo.
Las pérdidas de carga de entrada varían de (0.5 - 0.1)*V2/2g, para aristas vivas y redondeadas respectivamente.
TIPOS DE MUROS DE CABECERA Y EMPLEO INDICADO
1) MURO RECTO, [Fig1] Usado en alcantarillas pequeñas en pendientes suaves, cuando el eje de la corriente coincide con el eje de la alcantarilla. Ke = 0.5
(aristas vivas) ; Ke = 0.40 (aristas redondeadas).
30
[Fig3]
[Fig2]
[Fig1]
10
[Fig4]
[Fig5]
2) MURO EN L, [Fig2] Utilizado en cambio brusco de la dirección de la corriente Ke = 0.3 (aristas vivas) ; Ke = 0.25 (aristas redondeadas).
3) MURO DE ALA EN ÁNGULO ABIERTO, [Fig3] Utilizado en la mayoría de los casos, especialmente en causes definidos con velocidad moderada Ke = 0.3 (aristas
vivas) ; Ke = 0.2 (aristas redondeadas).
4) MURO DE ALA EN ÁNGULO CERRADO, [Fig4] El más eficiente. Utilizado en causes bien definidos con velocidades altas y bastante arrastre. Tienen la ventaja
de orientar el arrastre facilitando su paso a través de la estructura. Ke = 0.3 (aristas vivas) ; Ke = 0.2 (aristas redondeadas).
5) MURO EN U, [Fig5] Son los más económicos y sencillos constructivamente, pero hidráulicamente los más ineficaces, pueden emplearse en alcantarillas
pequeñas donde las velocidades de salida son bajas o el cauce o está sujeto a erosión. Ke = 0.4 (aristas vivas y redondeadas).
DISEÑO HIDRÁULICO DE ALCANTARILLA
EJERCICIO 1
Bajo el terraplén de una carretera se ha colocado una alcantarilla de concreto reforzado de sección cuadrada de lado (B=1.2m); La rugosidad absoluta de las
paredes (e=1mm), si la diferencia de niveles entre la entrada y la salida es de 1.5m. Calcular el caudal que puede desalojar dicha alcantarilla. La longitud de la
alcantarilla es L=20m
K=perdidas locales
B=1.2m ; e=1mm (perdidas)
R=radio hidraulico => R=A/P
H=1.5m ; L=20m
H = 1.5m
L=longitud de la alcantarilla (m)
Q = ????
He
λ = Factor de perdidas de carga por
hs
Q   A 2 g  H
rozamiento (f)
f = se utiliza cuando son tuberias
1

(Diagrama de Moody)
L =20m
L
K 
D
 25 1
1
e D
 2 log 



 Re
37 
f
f

f 
1
B
1.14  2 Log  
e

Cuando es cuadrada: D=4R; Pero también se puede aplicar otras fórmulas de flujo turbulento como lo siguiente:
1
 1200 
1.14  2 Log 

 1 
 0.137
Tipo de muro de cabecera + Muro de ala
ángulo abierto:
Ke=0.20 ; Ks=0.20 => k = 0.20+0.20=0.4

1
L
k  f
4R

Q  A V  V 
1
20
0.4  0.137
1.2
A 1.22

 0.30
P 4 1.2
4 R  4  0.30  1.2
 0.32
Q 2.53

 1.76 m  Vadm  ok !
s
A 1.22
V  1.76 m  Vse dim entacion  ok !
s
1.2
R
1.2
Q    A  2 g  H  0.32 1.22  19.6 1.5
Q  2.53 m
3
s
EJERCICIO 2
Por una alcantarilla fluye un caudal de 300 lt/s, en flujo uniforme si la alcantarilla tiene una pendiente del 0.5%, y un diámetro de 0.80m. Calcular el calado de
agua de la alcantarilla y la velocidad, si la rugosidad es de 0.015.
Q=300 lt/s (Flujo uniforme)
Q=Flujo libre
V=Flujo libre
Q=0.30 m3/s
Q
V

J=0.5% = 0.005
Qll Vll
D=0.8m
Qll=Flujo lleno
Vll=Flujo lleno
D
n=0.015
Q  A V
y = ??
Y
Qll  A  Vll
V = ??
EJERCICIO 3
En un punto de carretera sobre una quebrada cuya profundidad aguas abajo es (Hs=1.20 m); Cuando se presenta un caudal de diseño (Qd=7.0
m3/s), siendo la profundidad del remanso admisible (He=4.0 m). Se desea conocer cuál es la velocidad media dentro de una tubería de
concreto (D=36.0 in). Los muros de embocadura que conforman el acceso son de aristas redondeadas (embocadura=cabecera) en ángulo
abierto. La longitud de la alcantarilla (L=18.0 m).
Asumimos que esta tubería trabaja a presión.
H
Cuando hay remanso la tubería trabaja a presión, entonces el
radio hidráulico es (R=D/4)
D = 36 in = 0.91 m ; [1 in=2.54x10-2 m]
R = 0.91/4 = 0.229 m
hs = 1.2m
H = He – hs = 4 – 1.20 = 2.80 m
He = 4.0m
D = 36”
L =18m
H 
V
V2 
L  n2  2 g 
1

Ke

2 g 
R 4/3 
H  2 g
L  n2  2 g
1  Ke 
R 4/3
V
Ke = 0.20 (aristas redondeadas, ángulo abierto)
2.80 19.6
 5.68 m/s
18  0.0142 19.6
1  0.20 
0.2294/3
Velocidad admisible del hormigón: Vadmhor = 4.5 m/s. Entonces 5.68 > 4.5 m/s, la solución es que debemos colocar 2 tubos. Pero se debe
tener en cuenta de no llegar a la velocidad admisible, se debe escoger una menor. Calculamos el caudal circulante:
Q = A * V = (/4)*D2 *V = (/4)*0.912 * 5.68 = 3.70 m3/s
SUMIDEROS
UBICACIÓN:
Existe una serie de reglas y criterios para la correcta ubicación de sumideros, y son:
1. Ubicar sumideros en puntos bajos y depresiones
2. En lugares donde se reduzca la pendiente longitudinal de las calles
3. Justo antes de puentes y terraplenes
4. Preferiblemente antes de lo cruces de calles y de los pasos peatonales y cebras
También es necesario tener en cuenta un conjunto de recomendaciones que debe
llevarse a práctica durante la etapa de construcción, y son:
SX
SX
T
YA
Sumidero
YA=Altura del calado
T = Área de inundación de la calle
Sx = pendiente transversal
So = pendiente longitudinal
Z
Analizar el esquema geométrico de la calle, particularmente su sección transversal, de tal Q  0.375   J YA
n
forma de decidir si se debe o no construir un sumidero a cada lado, o solo en el lado bajo.
b) En las intersecciones de calles y en especial cuando deba impedirse el flujo transversal, T  Z  YA ; Z  1/ Sx
puede crearse pequeñas depresiones para garantizar la completa captación de las aguas.
c) No se debe ubicar los sumideros en lugares donde puedan inferir otros servicios públicos como electricidad y telefonía.
a)
1/2
8/3
TIPOS DE SUMIDEROS
La selección del tipo de sumidero es importante, pues en dicha selección depende de la captación del
caudal y en consecuencia el caudal que ingresa a los colectores, los sumideros se dividen en cuatro tipos:
1. Sumidero de ventana
2. Sumidero de reja
3. Sumidero mixto
4. Sumideros especiales
Depresión (Aumenta
eficiencia Hidráulica)
1) SUMIDERO DE VENTANA
Consiste en una abertura a manera de ventana practicada en el bordillo o cordón de acera generalmente deprimida con
respecto a la cuneta, posee además de la ventana un canal lateral de desagüe, una pequeña cámara de recolección de
sedimentos y una tubería de conexión con el colector público. La longitud de la ventana es generalmente 1.50m con una
depresión mínima de 2.5cm. El funcionamiento hidráulico de este sumidero es ineficiente, es especial cuando no existe la
depresión o se encuentra ubicado en calles con pendiente pronunciadas.
Su mayor ventaja radica en su poca interferencia con el tráfico de vehículos, al margen de esto, son costosos y captan
sedimentos y desperdicios, que perjudican su funcionamiento.
Son de utilidad las siguientes recomendaciones para decidir la utilización de este tipo de sumidero:
a) Razones de tipo vial en función a la prioridad de la vía.
b) Es recomendable su uso en puntos bajos.
c) No se debe utilizar cuando existe la posibilidad de captación de sedimentos.
2) SUMIDERO DE REJA
Consiste en la construcción de una cámara donde penetran las aguas pluviales, esta se construye con una reja para evitar la
caída de vehículos, personas u objetos de un cierto tamaño. Generalmente consta de la reja propiamente dicha, la cámara de
desagüe, la tubería de conexión al colector.
Existen numerosos tipos de rejas, tales como barras paralelas al flujo (más común) en la calzada, barras normales al flujo, barras
diagonales. Existen barras rectangulares (pletinas) y redondas.
La mayor ventaja de este sumidero es la capacidad hidráulica bastante superior al de ventana, es especial en pendientes
pronunciadas.
Su mayor desventaja son los inconvenientes que causan al tránsito y la facilidad de captación de
desperdicios que taponan el área útil de la reja, además del ruido que causa al pasar un
vehículo sobre ella. El análisis de sus ventajas y desventajas asi como de sus propiedades
hidráulicas, permite efectuar las siguientes recomendaciones:
T
a) Utilizarlos preferentemente en calles o avenidas con pendientes pronunciadas (>3%)
b) Las barras dispuestas en forma diagonal es preferible utilizarlas por su ventaja para la
circulación de bicicletas.
c) No se deben utilizar sumideros deprimidos de rejas cuando estas utilizan todo el ancho
de la calzada.
SX
d) No se deben utilizar en puntos bajos, salvo cuando no sea posible utilizar los de
ventana.
V
B
L  1.2  Tg  A YA
Tg
g
L
B
SX
T

YA
Sumidero
B
2) SUMIDERO MIXTO
Es una combinación de los dos anteriores, tratando de tomar de cada uno de ellos, lo más positivo, mejorando la eficiencia del
de ventana y reduciendo la ocupación de la calzada del de rejas. Las recomendaciones prácticas para su uso son:
a) Utilizarlos en lugares donde seria en principio, preferible el de ventana, pero donde la eficiencia de captación de estos
sea menos al 75%.
b) Recomendable suponer un área efectiva del 67% del área neta total de la reja y de la ventana
CAPACIDAD DE DRENAJE DE LOS SUMIDEROS
El monograma de IZZARD fue construido para la siguiente ecuación:
Qo = caudal producido en la calle o caudal de avenida
Sx = Pendiente transversal ; So = pendiente longitudinal
n = Rugocidad de manning
YA = Calado ; YA => [cm] => Qo [lt/s] ; YA => [m] => Qo [m3/s]
Z
Qo  0.375    So1/2  YA8/3
n
T  Z  YA ; Z  1/ Sx
CAPACIDAD DEL SUMIDERO DE VENTANA
a)
CÁLCULO DE LA CAPACIDAD:
La capacidad de un sumidero de ventana depende de los siguientes factores:
1. Condiciones de flujo de aproximación (QA, VA) expresada por Caudal de Aproximación (QA), y la altura de agua en el
cordón de la acera o bordillo (YA)
2. Longitud de la ventana (L)
3. Para un mismo caudal (QA) y en relación a un sumidero de longitud (L), su capacidad de captación (Q1) disminuye
con la pendiente longitudinal de la vía, puesto que (YA) se hace menor y por lo tanto se reducen las cargas
hidráulicas al ingreso lateral de las aguas.
4. Especificando (QA, L, So) la capacidad del sumidero de ventana aumenta con incrementos de la pendiente
transversal de la vía (Sx)
b) MÉTODO DE CÁLCULO PARA EL SUMIDERO DE VENTANA
Investigaciones efectuadas por Hopkins University, encontró experimentalmente que (Q A) por un sumidero de ventana son
depresión se expresa mediante la ecuación:
Sx (%)
K
Q1
8
0.23
K
4
0.20
L  YA YA  g
2
0.20
SUMIDEROS DE VENTANAS CON DEPRESIÓN
Se determinó experimentalmente que la capacidad (Q1) del sumidero puede expresarse mediante la siguiente expresión:
K C 
C
Q1
L  YA YA  g
0.45
1.12 M
; M
Tg  Z , pero: Z  1/ Sx
Ho  HoA  a
A'  a
VA 2
HoA  YA 
2g
LF
A ' Tg
F 2
Ho
1
Y
Para el cálculo de sumideros se debe seleccionar las siguientes características:
1. Pendiente transversal de la calzada (Sx)
2. Pendiente longitudinal de la vía (So)
3. Ancho de inundación (T)
4. Coeficiente de rugosidad (n)
Con estos datos determino lo factores hidráulicos, propios del régimen de aproximación tales como: Y A, QA, VA
SUMIDEROS DE VENTANAS EN PUNTOS BAJOS
La capacidad en puntos bajos, se determina en otras condiciones ya que su comportamiento hidráulico difiere de los ubicados
en las vías con pendiente. Si para el caudal del proyecto y las dimensiones de la abertura prevalecen un régimen con superficie
libre, la estructura opera como un vertedero de cresta ancha.
Sin embargo cuando la carga de agua llega a ser mayor que la altura de la ventana, el sumidero se comportará como un orificio.
SUMIDEROS NORMALIZADOS DE REJAS
Para determinar la capacidad de las rejas, se requiere conocer tanto la pendiente transversal como la longitudinal de las calles,
además de las características de la reja.
Sumidero de reja tipo calzada: Tiene 1.50x0.90m, pero sus dimensiones son 1.32x0.72m. El área neta de las ranuras es de
0.68m2 que representa un 72% de la superficie de la cámara (sumidero).
Reja tipo cuneta: Es más pequeña y tiene (0.66x0.96m), 10 ranuras con un área efectiva 0.27m 2, que representa casi el 50% del
área de la cámara.
UBICACIÓN DE SUMIDEROS Y ESPACIAMIENTOS
Se establece como norma de referencia el espaciamiento máximo entre sumideros en función a la pendiente de la calle se´gun
se indica:
Pendiente (%)
0.4
0.4 – 0.6
0.6 – 1.0
1.0 – 3.0
Espaciamiento (m)
50
60
70
80
En calles mayores a 20m de ancho y pendientes mayores, la distancia será máxima será
50m.
REFERENCIA RÁPIDA PARA EL CAUDAL DE SUMIDEROS DE VENTANA CON DEPRESIÓN
Pendiente (%)
1
2
3
4
5
Capacidad (lt/s) para diferentes depresiones
0 cm
5cm
10cm
15cm
2.25
11.70
33.60
64.50
1.40
9.85
28.60
55.00
1.12
7.55
23.50
44.30
0.66
5.33
18.70
34.20
0.00
3.36
14.00
23.80
Valores obtenidos para sumideros de ventana de 1.37m de largo
y 0.15cm de altura de la ventana.
REFERENCIA RÁPIDA PARA SUMIDEROS DE REJA
Como una referencia rápida para el diseño de sumideros de reja normalizados con dimensiones de (0.61x0.90)m, con depresión
de 5cm, se obtiene lo siguiente:
Pendiente de calle (%)
0
1
2
3
4
5
6
7
Capacidad Sumidero (lt/s)
104
99
91.50
89.50
84.50
79.70
75.30
70.70
Pendiente Calle (%)
8
9
10
12
14
16
18
20
Capacidad Sumidero (lt/s)
66.50
63.00
59.30
52.50
47.80
43.90
41.10
39.00