APUNTES DE CLASES IRRIGACIÓN Y DRENAJE HUGO AMADO ROJAS RUBIO

Transcripción

1 DRENAJE (I parte) OBJETIVOS: Brindar al alumno los conocimientos básicos para resolver los problemas relacionados al drenaje de carreteras, ciudades, aeropuertos, control de deslizamientos y el drenaje agrícola. Se estudiara los conceptos de la hidrología e hidráulica aplicado al drenaje, dando énfasis en el drenaje de carreteras y agrícola. Las estructuras que se construyen para controlar el flujo de agua superficial proveniente de las precipitaciones de lluvia y/o nieve se llaman por lo general drenaje superficial, mientras que las relacionadas con el agua subterránea en sus diferentes formas se designan como drenaje subterráneo. 1.- Drenaje en carreteras: consiste en la evacuación de las aguas superficiales y en ocasiones de las aguas freáticas lejos del área de influencia de la carretera, a fin de proteger en forma conveniente, segura y economica la inversión realizada en la construcción, la vida de las personas y las propiedades. Las estructuras de las carreteras que controlan el drenaje comprenden el pavimento, el ancho de la faja vial, los taludes, cunetas y contracunetas longitudinales, las alcantarillas y los puentes..- Drenaje agrícola: Se define el drenaje agrícola como la eliminación o disminución del sobrehumedecimiento de los suelos, tanto en la superficie como en el subsuelo, con el objetivo de mantener el nivel freático por debajo de las raíces de las plantas. (ZONA RADICULAR) y lograr un adecuado balance agua-aire que permita el desarrollo y crecimiento de las plantas o reducir la acumulación de sales en el suelo. Para ambos casos, se aplicara los estudios del drenaje superficial o el drenaje del subsuelo. 1

2 El objetivo del drenaje subterráneo es bajar el nivel freático. En este caso se necesitara estudios de hidrología superficial e hidrología subterránea. 3.- DRENAJE PARA EVITAR DESLIZAMIENTOS DE GRANDES MASAS DE TIERRAS: * En la cuenca alta del río Mantaro se presenta problemas deslizamiento. (> 4000msnm) Acciones: Se debe realizar: a) Trabajos de Drenaje Superficial Eliminar el agua que se encuentra en las partes altas. b) Trabajos de prevención contra la saturación del suelo y subsuelo: El primer análisis consiste en realizar o ubicar el plano de deslizamiento. c) Trabajos de Drenaje poco profundo: Alcantarillas y zanjas, intercepción del movimiento de las aguas subterráneas. Pozos de drenaje verticales, túneles de drenaje.

3 DRENAJE DE CARRETERAS Una vía de comunicación, no solo exige una adecuada planeación económica y la selección conveniente de la ruta y materiales de construcción a emplear, sino el diseño racional de estructuras de drenaje, capaces de desalojar en todo momento en forma eficiente el escurrimiento aportado por los lluvias en cualquier tramo de la carretera. 1.- Drenaje Superficial Cunetas y Drenaje Transversal Alcantarillas Drenaje Longitudinal Contra cunetas.- Drenaje Sub-Superficial Eliminar el exceso de humedad en el terraplén. 3

4 Las dimensiones de las estructuras dependen de la cantidad de agua que se desea eliminar. El primer estudio es el Análisis Hidrológico. ESTUDIO DEL DRENAJE TRANSVERSAL - ALCANTARILLAS Las alcantarillas son conductos cerrados que se construyen transversales a un terraplén, y por debajo de este, con el objeto de conducir agua de lluvia proveniente de las cunetas y contra cunetas hacia cauces naturales, eliminado peligros de daños e interrupciones del tránsito. La diferencia entre una alcantarilla y un puente, consiste en que la parte superior de una alcantarilla generalmente no forma parte del pavimento de una carretera. Con mayor frecuencia, la diferencia se establece en base a su longitud. En general, las estructuras que tienen luces menores a 6 metros se llaman alcantarillas, en tanto que aquellas cuya luz sea mayor a 6 metros se denominan puentes. Otra diferencia entre alcantarillas y puentes, es que las primeras se diseñan por lo general para un flujo máximo bajo ciertas condiciones, en tanto que los puentes se diseñan para permitir el paso de sedimentos y desechos así como de embarcaciones flotantes. CONSIDERACIONES DE DISEÑO: El diseño hidráulico tiene como objetivo proporcionar una instalación o sistema de drenaje adecuado, seguro y económico para el flujo que se estima pasara por el durante su vida útil de diseño, sin riesgos no razonables para la vida, estructura de la carretera y propiedades. Por lo general se debe tener en cuenta lo siguiente: La localización del eje de la alcantarilla con respecto al del camino se determina por estudio de los planos cartográficos o en el campo y, generalmente debe estar ubicada sobre el eje de un curso de agua natural existente, o bien en el fondo de una depresión, en el caso de que no exista un curso de agua. 4

5 Por lo regular, el alineamiento de la alcantarilla debe coincidir con el de la corriente natural y, de ser posible, deberá cruzar el camino en ángulo recto. El gradiente hidráulico de la alcantarilla debe coincidir por lo general con el que tenga la corriente. Si la pendiente se reduce en la alcantarilla, da lugar a una reducción de la velocidad, lo que origina que los sedimentos transportados por la corriente se depositen a lo largo de la alcantarilla. Por el contrario, si la pendiente de la alcantarilla se aumenta considerablemente respecto del cauce natural, se obtienen velocidades altas que pueden dar inicio a los problemas de erosión a lo largo y a la salida de la estructura. 1) La construcción de la alcantarilla debe ser en lo posible perpendicular al eje de la carretera. ) Evitar un cambio brusco del cauce natural. 3) Evitar que el cauce se mantenga paralelo a la carretera. 5

6 La pendiente que se da a la alcantarilla en general es la pendiente del cauce natural, pero con la limitación que no genere velocidades a la salida mayores que.5 m/seg. * Las alcantarillas es un canal corto donde no se llega a establecer el flujo uniforme. SECCIONES TRASNSVERSALES DE LAS ALCANTARILLAS: Para caudales medianos a grandes (5 m 3 /s) Se emplea para caudales bajos y cuando la altura de la rasante es bajo. También se cumple las alcantarillas elípticas Para la determinación del flujo a través de la alcantarilla se encuentra hacer estudios hidrológicos. Nos interesa conocer el caudal en A (Caudal de diseño) ANALISIS HIDROLOGICO: Se pueden presentar varios casos: 6

7 1) Que se dispongan de registros de caudales máximos o registros de eventos extraordinarios de avenidas. Ejm: Podemos tener el registro de la máxima avenida en un año. Hacemos un análisis de la probabilidad para determinar el caudal máximo de diseño. Estudio de probabilidad de ocurrencia de valores extremos. Método de Gumbel: P= 1 / T r ; Periodo de retorno o periodo de ocurrencia. De acuerdo a la importancia de la estructura, se escoge una probabilidad determinada. 1.- Tr= 0 años.- Tr= 50 años 3.- Tr= 100 años ==> Corresponde al diseño de una estructura mas importante que 1 y. P = 1 e b e ; b=1/ (Q -Q σ) Donde: Q= Qmax./N σ =Desviación Estándar = ( Q Q) N Ejm: Se dispone del registro de caudales máximos siguiente: AÑO qmax AÑO qmax AÑO qmax AÑO qmax (m3/s) (m3/s) (m3/s) (m3/s)

8 Calcular el caudal para: Tr= 10 años Tr= 30 años Tr= 50 años Tr= 100 años ) Cuando no se tiene datos de caudales, pero si de precipitación. (Intensidad de precipitación i= mm/hora) Se puede disponer de un registro de intensidades de precipitación máximos anuales, que mediante un análisis estadístico se puede determinar la intensidad de diseño. Con base a la relación de precipitación-escurrimiento, existen varios métodos que bien se basan en formulas empíricas, su utilización es mas racional ya que permite la libertad de hacer ajustes para ser utilizados en una región distinta de donde fueron obtenidos. Estas formulas empíricas están basadas en una serie de hipótesis: a) El tiempo máximo de precipitación coincide con el tiempo de pico del escurrimiento.(se asume generalmente para cuencas pequeñas 5 km) b) Todas las porciones de la cuenca contribuyen a la magnitud del pico de la cuenca. c) La capacidad de infiltración es constante en todo el tiempo. d) La intensidad de precipitación es uniforme durante toda la cuenca. e) Los antecedentes de humedad y almacenaje de la cuenca son despreciables. METODO RACIONAL A = Área de la Cuenca (Km) 8

9 C = Coeficiente adimensional que representa la relación precipitación-escorrentía. i = Intensidad de precipitación para la frecuencia e l e g i d a e n m m / h o r a y p a r a u n a d u r a c i ó n i 9 Q=0.78 CiA Valido para áreas pequeñas no mayores a 13 km

10 g u a l a l ti e m p o d e c o n c e n tr a c i ó n t c. L t c = 10( S ) 1 3 L = Longitud de recorrido sobre la cuenca proyectada horizontalmente en km. S = Pendiente medio de la cuenca. Tc = Tiempo de concentración en minutos. Valores del coeficiente de escorrenía C 10

11 Tipo de cuenca C a) Con césped, vegetación, suelo arenoso plano b) Suelo arenoso empinado c) Suelo grueso plano d) Suelo grueso empinado Tipo de área por drenar C a) Zonas comerciales, arenas céntricas b) Áreas vecinales c) Zonas residenciales, áreas familiares d) Áreas de departamentos Para cuencas húmedas con vegetación (Vertientes de los Andes): - Áreas montañosas de fuerte pendiente Terreno ondulante con pequeños bosques Terreno cultivado plano

12 DISEÑO HIDRAULICOS DE LAS ALCANTARILLAS: A) DRENAJE TRANSVERSAL Recomendaciones para el cruce de carreteras: CRITERIOS DEL DISEÑ0: Podemos aplicar las formulas del flujo uniforme: Ecuación de Manning Q = 3 AR S n 1 Ecuación de Chezy: Q=AC RS Pero es importante indicar que las alcantarillas son estructuras de pequeña longitud y el flujo uniforme no se llega a establecer completamente. 1

13 El diseño hidráulico de las alcantarillas comprende el siguiente procedimiento general: 1) Obtener los datos topográficos del lugar y trazar la sección transversal del camino en el lugar de la alcantarilla, incluyendo un perfil del curso de la corriente aguas arriba y aguas abajo. ) Establecer las elevaciones de las cotas de coronación de la alcantarilla en la entrada y a la salida, determinando la pendiente y longitud de la alcantarilla. 3) Determinar el tirante permisible aguas arriba y el probable aguas abajo para la avenida de diseño. 4) Seleccionar tipo y dimensiones de la alcantarilla. Asimismo el diseño de la entrada, muy importante para lograr el buen funcionamiento hidráulico de la estructura. 5) Examinar la necesidad de disipadores de energía en los lugares que sea necesario, asi como de dispositivos de protección adecuados para prevenir la erosión destructiva de la alcantarilla. 6) Disponer de lugares apropiados y seguros para la evacuación a través de las alcantarillas, de las aguas provenientes de la descarga de las cunetas y contra cunetas en el drenaje longitudinal. TIPOS DE FLUJO EN LAS ALCANTARILLAS: El flujo en una alcantarilla de pequeña longitud esta conformada por muchas variables que influyen la geometría de la entrada, la pendiente, dimensiones de la sección, rugosidad condiciones a la entrada y en el desagüe. El diseño se realiza generalmente para el gasto máximo de la tormenta en la sección de entrada de la alcantarilla. Puede funcionar a presión o a superficie libre. Por lo general el nivel tolerable de la carga de agua en la entrada de la alcantarilla, es el principal factor que determina el tamaño de esta y su geometría en la entrada. El tipo de flujo que se presenta en una alcantarilla depende de la cantidad total de energía disponible entre la entrada y la salida. Los estudios experimentales de laboratorio y de campo, indican que las alcantarillas en las carreteras operan con dos tipos de sección de control; en la entrada y en la salida. En las figuras siguientes se ilustran ejemplos de flujo con estos dos tipos de control. Usualmente se establece un valor crítico de comparación H*: Donde: H* = 1.d a 1.5d 13

14 Generalmente se considera: H* = 1.5 d 14

15 En conclusión: Cuando H< H*; se tiende a flujo uniforme en la alcantarilla. En zonas de huaycos, los fluidos que discurren son flujos no newtonianos, y hay que tomar otras consideraciones de diseño aumentando la pendiente y la sección de la alcantarilla. El control de huayco debe partir de la parte alta de la cuenca. - Reforestación - Construcción de estructuras 15

16 FORMULAS A APLICARSE: Caso 1) Caso ) S 0 L + H = Y t + V /g + he + hf he = perdida en la entrada ==> he = kv /g hf = fl/d x V /g K= 0.03 entrada redondeada K = 0.5 entrada afilada Caso 3) Ocurre un flujo mezclado que arrastra aire hacia el interior y reduce la eficiencia de la alcantarilla. En alcantarillas rectangulares: Aprox. 1. < H/d < 1.5 d Estimación del caudal: B Q = C H B d g ( H C d) H C H = Coeficiente de contracción 0.8 bordes redondeados 0.6 bordes afilados En alcantarillas circulares: Q = C C C V π 4 d g ( H d ) Donde: C C = Coeficiente de contracción C V = Coeficiente de velocidad 0.6 bordes redondeados 0.5 bordes afilados C v = H d 1 16

17 CASO 4: Siendo la longitud del conducto relativamente corto es difícil que se establezca flujo uniforme. Q Q Ye + + SoL = Yt + + g A g A e t V ( R n m 3 H ) L V = R 3 V R ( h m H f L ) 1 de Manning ; n Ve + VS = Re + RS = Q = A e V e = A s V s, continuidad. CASO 5: Igual que en el caso 4, sólo que en lugar de Y t, se considera Yc = Tirante crítico. CASO 6: Existe una sección de control a la entrada de la alcantarilla. Funciona como un vertedero de cresta ancha. En alcantarillas circulares: d 0.05 Q So H d gd 1.9 H = Para: 0 < < 0. 8 d d 0.05 Q So H d gd 1.5 H = Para: 0.8 < < 1. d DISEÑO ESTRUCTURAL Se dispone de alcantarillas de acero y de concreto armado. 1. Alcantarilla de acero: Generalmente corrugadas. (mayor resistencia) Corrugado Tipos: 17

18 Circulares Elípticas Ovaladas. Alcantarilla de Concreto Armado: Generalmente rectangulares. CARGAS: Cargas Vivas: Cargas en movimiento, incluido impacto. Cargas Muertas: Causada por el relleno del terraplén, más las cargas superpuestas sobre la superficie, concentradas o distribuidas. CARGAS SOBRE ALCANTARILLAS: 1. Cargas Muerta. Cargas Viva h: altura de cobertura CARGA VIVA.- El efecto de la carga viva es inversamente proporcional a la altura del terraplén sobre la corona de la tubería.. Mediante estudios efectuados en carreteras se ha establecido las siguientes relaciones: Altura de cobertura (mt) Carga Viva (kg/cm ) h (m) Para valores menores que 488 kg/cm, se 99 desprecia efecto de la carga viva S/C (kg/cm )

19 CARGA MUERTA: Corresponde al peso del prisma de suelo sobre la tubería, la presión unitaria de este prisma actúa sobre el plano horizontal de la corona de la tubería. P CM = γ S h s : Peso específico del suelo h : altura del relleno sobre la alcantarilla CARGA TOTAL = CARGA MUERTA + CARGA VIVA Altura de Carga viva Carga muerta la cobertura mt. Carga Total PASOS A SEGUIRSE: Carga Unitario (kg/m ) 1. Determinación de la densidad del material para relleno que se necesita o espera obtener.. Aplicación del coeficiente de carga correspondiente a la carga total para establecer la presión que actuará sobre la alcantarilla. 3. Determinación del esfuerzo compresible aceptable para el diámetro de la tubería, la corrugación y la densidad del suelo. 4. Cálculo de la compresión en la pared de la tubería. 5. Determinación del espesor necesario. 6. En el caso de tuberías de acero, verificación de la rigidez mínima para el manipuleo de la tubería. 7. Verificación de las exigencias de la costura empernada. DENSIDAD DEL MATERIAL PARA RELLENO: El valor recomendado para casos normales, el porcentaje de compactación para el relleno de la tubería es del 85%. PRESIÓN PARA EL DISEÑO: - Si la altura de la cobertura es menor que el diámetro o luz de la tubería, se presume que la carga total actúa sobre la tubería. 19

20 - Cuando la altura de relleno es igual o mayor que la luz o el diámetro de la tubería, el coeficiente de carga varía con la compactación. - PP = K( PCV + P CM ) Cuando h < L ó D ==> K = 1 Donde: P CV = presión debido a la carga viva. P CM = presión debido a la carga muerta K = coeficiente de carga P = presión de diseño Para h > L : Compactación K φ L 3.- COMPRESIÓN ANULAR: Pv L C = P P x L C C C = compresión anular en kg/m L = longitud o diámetro en m. Pp = presión para el diseño en kg/m ESFUERZO DE PARED ADMISIBLE: El esfuerzo de compresión máxima para paredes de tubos de acero. i) Límite de fluencia 300 kg/cm D ii) Esfuerzo de compresión máxima Fb = 30 kg/cm, cuando < 94 r I r = radio de giro = m D = diámetro 0

21 f f b b D D = , cuando 94 < < 500 r r = 3.47 x10 D r 8 D, cuando > 500 r f b = esfuerzo de compresión máxima en kg/cm D = diámetro o luz r = radio de giro Para el diseño del esfuerzo máximo de la pared se afecta para un F.S.= f = c fb f c : esfuerzo máximo de diseño. ESPESOR DE LA PARED: C A = A : área de la pared necesaria, f c Las tuberías corrugadas resisten más a las deformaciones. detalle L.. paso. P. longitud Ejemplo: Tomado del manual de la ARMCO. TUBERÍAS DE ACERO CORRUGADO Corrugación Espesor de la Tubería en mm Longitud y paso en mm Momento de Inercia I en cm 4 /m de ancho 38.1 x x x x

22 Sección Transversal A en cm por metro de ancho 38.1 x x x x B) DRENAJE SUPERFICIAL LONGITUDINAL: PERFIL PLANTA So Q Canal Se trata de un estudio de flujo gradualmente variado. En muchos casos cuando se trata de cunetas pequeñas, se emplea fórmulas de flujo uniforme. A) CARRETERAS A.1 Prevención de problemas de drenaje A. Solución de problemas de drenaje Debemos evitar la presencia del agua en la sub-base o sub-rasante en caminos, pero cuando el agua está lejana debemos prevenir. Sin embargo cuando hay presencia de agua se tiene que plantear la solución. Pavimento de asfalto: bitumen, piedra y arena. El paso de vehículos, acarrea las piedrecillas y la arena. EL agua disgrega el pavimento, ablanda la subrasante (se pierde la cohesión). A.1 ==> Defensas ribereñas, controlar socavación e inundación - Socavación erosiona los taludes y causa el deslizamiento del terraplén de la carretera.

23 - Definir una cota de la rasante del camino; el cual, deberá ser tal que prevenga los problemas mencionados. Rasante del camino R I O - Determinar: El nivel de la rasante del camino en la margen derecha para el régimen hidrológico del río. 3