UNIDAD 6 DESAGUES PARTE 2 CUNETAS -...

E s c u e l a T é c n i c a d e V i a l i d a d N a c i o n a l N º 1 M . M . d e O . D o n O r e s t e C a s a n o

Tecnicatura Superior en Obras Viales - Trazado II – U6/2— Carlos Alfano -Oscar Savastano 1/40

UNIDAD 6 DESAGUES PARTE 2 CUNETAS - ALCANTARILLAS

Bibliografía Consultada

Carreteras – Estudio y Proyecto Jacob Carciente

Curso de Hidraulica e Hidrologia Vial 2003 Ing.. Guillermo A.Cornejo,Ing. Mario J. Venezia DVBA

Curso de Hidraulica Lorenzo A. Facorro Ruiz

Calculo Hidraulico de Alcantarillas Ingeniero Facundo J. Alonso 2005 Gráficos Hidráulicos para el cálculo de Alcantarillas Ing.F.G.O. Ruhle DNV 1966

Hydraulic Design of Highway Culverts Federal Highway Administration 2012



Gráficos Hidráulicos para el Diseño de Alcantarillas del Ing. Federico G. O. Ruhle – Dirección Nacional

de Vialidad – Año 1966.

OBRAS LINEALES DE SUPERFICIE

Estas obras comprenden los sistemas de desagüe que evacuan las aguas superficiales que escurren dentro de las zonas afectadas por la traza de un camino.

Están compuestas por cordón cuneta, cunetas y canales. El caudal de los flujos en estos sistemas depende de las lluvias o nevadas estando vinculados a las características climatológicas de la región.

Se diseñan para recibir aportes de subcuentas que se interrumpen por la traza del camino y para recibir el desagüe de la ruta y colectoras. A veces también reciben aguas de desagües urbanos próximos a la carretera.

Además del evento de máxima dado para un tiempo de recurrencia adoptado, se suceden numerosos episodios con flujos menores, los cuales al escurrir con menor caudal y velocidad, suelen producir un [proceso de sedimentación del material solido transportado.

Importante es por lo comentado anteriormente el mantenimiento de las cunetas que corren paralelas a la traza de la ruta para su correcto funcionamiento.

Además como se verá más adelante se deben tomar los recaudos necesarios al seleccionar las velocidades máximas permisibles por el tema de la erosión

Los canales con estas características son denominados en los tratados de hidráulica con el nombre de canales erosionables o también canales abiertos.

Características de este tipo de Obras

* La ubicación de estas cunetas esta prefijada, su traza está condicionada por el eje de la carretera.

* Los suelos empleados en su construcción son los que componen los estratos locales.

* En las cunetas el ancho, con la salvedad de un ancho mínimo compatible con los requerimientos de los trabajos de los equipos viales, queda librado a los requerimientos del movimiento de suelos para los terraplenes. Muchas veces se fija un mínimo para el ancho de la solera, usualmente 2 a 3 metros.

* La profundidad de la sección tiene que ver con su dimensionamiento, pero además se fija como criterio una distancia mínima entre la rasante y el fondo de la solera de por lo menos 1.20 metros. Se debe tratar que la nivel máximo de agua estimado este siempre por debajo de la estructura de pavimento.



PENDIENTES

En este tipo de obras a veces no hay mucho margen para poder seleccionar la pendiente más adecuada para el escurrimiento, sobre todo en llanura.

Cuando mas llano es el terreno mayor será la dificultad de poder diseñar pendientes mínimas del orden del 0.5% al 0.2%.

Cuando la pendiente natural del terreno es acompañada por la cuneta, el agua circula naturalmente, sin tener que colocar pendientes adicionales.

En topografías onduladas o montañosas se presenta la dificultad de poder compatibilizar el diseño de las cunetas con un control adecuado de los procesos de erosión. En general la solución en estos casos es revestir el canal o cuneta, también en menor medida utilizar retardadores.

En estos casos además es fundamental provocar salidas graduales de los escurrimientos por medio de alcantarillas aliviadoras de caudales hacia aguas abajo de la carretera, a fin de no potenciar la energía de los flujos.

A la salida de estas alcantarillas deben diseñarse sistemas específicos de evacuación de aguas (denominados bajantes) ,que son por ejemplo las escaleras pre moldeadas de hormigón o revestimientos en el talud del terraplén para evitar la erosión.

Las cunetas aguas abajo de la ruta desaguan solo media calzada, banquinas y taludes, lo que nos permite mayor libertad para resolver la hidráulica de estos sistemas.

SECCION TRANSVERSAL

La sección circular es la que aporta mayor eficiencia hidráulica, pero los canales y cunetas en los desagües de las carreteras deben cumplir otros condicionamientos.

Entre las principales pautas de diseño pueden mencionarse:

Bajos costos de mantenimiento

Otorgar seguridad al transito

Tener buena apariencia estética

Las secciones proyectadas deben permitir ser construidas con las técnicas y equipos empleados para obras Viales

Las secciones más usuales son las trapeciales, triangulares, rectangulares si el canal es

Revestido.



El talud debe estar en consonancia con el tipo de suelo, Ven Te Chow (1982) propone Taludes para

canales en relacion al tipo de suelo.

ALTURA LIBRE

Se denomina altura libre de un canal a la diferencia de cotas entre el borde superior del canal yy la

superficie del agua del caudal dde diseño.

Para el diseño de cunetas se debe tener en cuenta que el agua no afecte la estructura de pavimento ( Hi)

y ademas no debe desbordar hacia el terreno natural lindero anegando colectoras y propiedades

frentistas (He > 0.40m))



REQUERIMIENTOS DE DISEÑO

Cunetas de suelo natural

Como ya se explico anteriormente , el ancho de solera es funcion de las necesidades del movimiento de

suelos para la cosntruccion de terraplenes con un ancho minimo que surge de una utilizacion racional de

los equipos viales.

En terrenos llanos en general se especifican minimos del orden de 2.00 a 3.00 metros, disminuendo el

valor en obras con exceso de desmosntes.

En laderas con pendientes importantes y piso de roca suelen emplearse secciones triangulares.

Con todo lo expuesto vemos que para el diseño de la seccion debemos verificar : La profundidad del

escurrimiento y la velocidad del flujo para evitar erosiones. Esto debe realizarse en aquellos puntos

que la magnitud de los caudales puedan provocar velocidades superiores a la admisible o profundidades

de escurrimiento no tolerables.

En las cunetas revestidas con cesped tendremos perdida de energia y retardo en el flujo,en zonas con

suelo erosioanables este revestimiento es favorable, ya que dara proteccion al suelo y disminuira la

velocidad de escurrimiento.



En el caso de que la velocidad del agua o la profundidad del escurrimiento sean mayores a las

permitidas puede optarse por las siguientes alternativas :

El diseño de cunetas consta de 2 partes :

1) Determinacion de la seccion adecuada para la descarga del canal.

2) Determinacion de la velocidad del fluido en la misma , a fin de compararla con la velocidad

maxima admisible según el tipo de suelo.

Estos determinara la proteccion contra la erosion a proyectar en el caso de que la velocidad

supere la maxima admisible o se volvera a proyectar con nuevas dimensiones.

PASO 1

AREA NECESARIA A [M2] = Q [m3/seg ] / ( V [m/seg] x 0.80 )

Para el predimencionamiento se toma la Velocidad (m/seg) = V x 0.80 , para la misma se especifica en

la Tabla B1



Tabla B1 Velocidad Maxima permisible en canales con suelos naturales

Una vez determinada la seccion A ( m2) es funcion del proyectista fijar las variables que faltan

para resolver el problema.

1)Determinar la forma

2) Determinar la altura del tirante de agua (y) , el ancho de la solera , y si es trapecial determinar la

inclinacion de los taludes.

3)Debemos tener informacion del tipo de suelo donde se va a construir la cuneta.

Una vez fijados todos estos parametros tenemos definida la geometria de la seccion y estamos en

condiciones de calcular las variables del problema que dependen de su geometria .A estos resultados los

vamos a necesitar para las verificaciones que debemos realizar.

Estos son :

Perímetro mojado

En un canal, el perímetro mojado es el contorno del canal que está en contacto con el agua. En un tubo, trabajando a sección llena, el perímetro mojado coincide con la circunferencia interior del tubo.

Área mojada

En un canal, el área mojada, se entiende como la superficie que ocupa el agua en una sección perpendicular al flujo. Esta sección está definida, en la parte superior por la línea de agua, y en la parte inferior por el canal mismo. En un tubo trabajando a sección llena, el área mojada coincide con la sección del tubo.

El Radio Hidráulico, es un parámetro importante en el dimensionado de canales, tubos y otros

componentes de las obras hidráulicas, generalmente es representado por la letra R, y expresado en m es

la relación entre El área mojada (A, en m²). El perímetro mojado (P, en m).

Es decir: Radio Hidráulico :

https://es.wikipedia.org/wiki/Canal_(hidr%C3%A1ulica)

https://es.wikipedia.org/wiki/Tuber%C3%ADa

https://es.wikipedia.org/wiki/Obras_hidr%C3%A1ulicas

https://es.wikipedia.org/wiki/M

https://es.wikipedia.org/wiki/Definiciones_usuales_en_hidr%C3%A1ulica#Canal

https://es.wikipedia.org/wiki/Definiciones_usuales_en_hidr%C3%A1ulica#Canal



TABLA B2 CARACTERISTICAS DE DISTINTOS TIPOS DE SECCION

Paso 2 Verificación de la velocidad de escurrimiento

Conocida la sección, debe calcularse la velocidad real de escurrimiento V

y verificar que la Velocidad real es < Que la velocidad Max .

Si esto no verifica se redimensiona o reviste el conducto.

Efecto de la gravedad - Numero De Froude

Se representa por la relación entre las fuerzas inerciales y las fuerzas gravitacionales. Establece la relación entre la energía cinética y la profundidad del flujo. D:profundidad

Flujo Suscritico: Fuerzas gravitacionales dominantes, baja velocidad.

Flujo Supercrítico: Fuerzas inerciales dominantes, altas velocidades.



Formula de Bazin (1897) para determinar la velocidad media

Donde R

R : Radio Hidráulico (m)

i : pendiente del canal (m/m)

El coeficiente c depende del radio Hidráulico y de que varia según la rugosidad o sea de acuerdo con la naturaleza de las paredes del canal.

Ver tabla B3 para el valor de

TABLA B3

Puede conseguirse una disminución de la velocidad, disminuyendo el Radio Hidráulico, suponiendo el área de escurrimiento constante puede aumentarse el perímetro mojado.



Abaco para la aplicación de la fórmula de Bazin



Formula del Ing. Robert Manning para determinar la velocidad media

Los valores del coeficiente de Rugosidad de Manning propuestos por Ven Te Chow (1982) se indican en la tabla B4

TABLA B4 Coeficiente de Manning

Haciendo Algebra con la primera expresión llegamos a :

En general son necesarias varias iteraciones a partir del resultado de la primera aproximación, para llegar a un diseño óptimo. Programas específicos de la especialidad realizan esta secuencia hasta llegar a la solución del problema.



EJEMPLO CANAL DE SUELO

DATOS

Caudal de diseño = 1.5 m3/seg -

Pendiente Longitudinal = 0.5 %

Caracteristicas Suelo= Arcilla Vel. máx. : 1.50 m/seg

Tirante adoptado 0.50m - Taludes laterales 1:2 - Ancho de solera : 2.00 metros

Para Verificación Velocidad Coef. azin:/ CoefManning : 0.03 tierra c/hierva.

Resultados con el método expuesto

Área mojada 1.50m2 / Perímetro mojado: 4.23m / Radio hidráulico: 0.354m

Velocidad (Bazin): 1.14 m/seg < Ve / Velocidad (Manning): 1.17 m/seg <Ve

Verifica la sección propuesta.

Resolución con Software para cálculo de Canales.



EJEMPLO CANAL DE HORMIGON

DATOS

Caudal : 3.5 m3/seg.

Pendiente 0.7 %

Canal de Hormigón Vel max : 3.00 m/seg

Tirante adoptado 1.00m – Paredes Verticales - Ancho de solera :1.60metros

Para Verificación Velocidad Coef. azin:/ CoefManning : 0.02 Hormigon.

Resultados con el método expuesto

Área mojada1.60m2 / Perímetro mojado: 3.60m / Radio hidráulico: 0.444m

Velocidad (Bazin): 2.87 m/seg < Ve / Velocidad (Manning): 2.43 m/seg <Ve

Verifica la sección propuesta.

Resolución con Software para cálculo de Canales.



ALCANTARILLAS

Tipologia de los flujos

Tipos genericos de control de flujo en una alcantarilla

Control de entrada



Control de salida

Sistematizando el diseño hidraulico de alcantarillas tendremos que si la pendiente del conducto es igual

o mayor a la critica (Control de entrada) la seccion se diseña con las expresiones que verifican el

maximo caudal en la embocadura (Vertedero,compuerta,orificio),mientras que si la pendiente es inferior

a la critica (Control de conducto) el diseño debe realizarse en base a las expresiones que resuelven el

funcionamiento hidraulico de canales.



Maximas pendientes criticas para alcantarillas trabajando sin carga Hidraulica (H=Y)



CRITERIOS PARA EL PROYECTO DE LAS ALCANTARILLAS

Extracto del Curso de Hidraulica e Hidrologia Vial Ings. G.Cornejo –M.Venezia



METODO DE LA FEDERAL HIGHWAY ADMINISTRATION PARA EL CALCULO

HIDRAULICO DE ALCANTARILLAS



CALCULOS PARA FLUJO CON CONTROL DE

ENTRADA

Extraido de Calculo Hidraulico de Alcantarillas Ing. F. Alonso



CAÑO CIRCULAR DE HORMIGON – CONTROL DE ENTRADA



CAÑO CIRCULAR DE ACERO CORRUGADO – CONTROL DE ENTRADA



ALCANTARILLA DE HORMIGON CON CONTROL DE ENTRADA



Flujo con control de salida



Flujo Con Control De Salida

HE = H + ho – L x So

HE = Nivel a la entrada

ho = Nivel a la salida

L= Longitud del conducto

So = pendiente del conducto

Caso A

El coeficiente ke o Ce para algunos autores tiene en cuenta las perdidas en la entrada de la alcantarilla

,se obtiene de la tabla publicada a continuacion en funciondel tipo de embocadura a la entrada.

Una vez determinado el valor de H el resto de las variables de la ecuacion 1 son conocidas.

Para alcantarillas que fluyen llenas Ho es igual a la altura del conducto o a la altura del agua de salida,

para alcantarillas parcialmente llenas Ho es ( hc + D ) /2 hc =Tirante critico , D altura del conducto

,para alcantarillas parcialmente llenas.

El termino L x So es la longitud de la alcantarilla multiplicada por su pendiente.



RESOLUCION DE LOS CASOS CASO B – C – D



VELOCIDAD DE ESCURRIMIENTO EN ALCANTARILLAS

Toda alcantarilla al ser una restriccion al flujo, incrementa la velocidad de escurrimiento del agua

respecto a la del cause natural.

El diseño sera tal que no provoque procesos erosivos,ya sea dentro del conducto como a la salida del

mismo.

La construccion de plateas dentro del conducto y de plateas adicionales entre los muros de alas a la

entrada y salida de la misma permiten soportar esas mayores velocidades de escurrimiento.

Si la alcantarilla diseñada provoca a la salida del conducto procesos erosivos, es necesario realizar obras

complementarias que controles dichos procesos, como retardadores o saltos.

Velocidad Maxima permisible en canales con suelos naturales (Caltrans 1995)



La verificacion de la velocidad de escurrimiento se realiza en la desembocadura dela alcantarilla

calculando el area de la seccion mojada de acuerdo a la profundidad real del escurrimiento.

Tal profundidad depende de las caracteristicas del flujo.

Una vez determinada la seccion a de escurrimiento ,calculamos la velocidad.

Valor que se vera afectado por los coeficientes que han sido indicados en la pagina anterior,según la

salida de la alcantarilla para considerar el aumento de velocidad a la salida de la misma.



PROFUNDIDAD CRITICA

PARA SECCIONES RECTANGULARES

PARA SECCIONES CIRCULARES



Fuente J Carciente

UNIDAD 6 DESAGUES PARTE 2 CUNETAS -...

Documents

Transcript of UNIDAD 6 DESAGUES PARTE 2 CUNETAS -...