5. Y ENTONCES,
¿POR QUÉ CON
FRECUENCIA SE
SUBESTIMA EL DISEÑO
HIDRÁULICO DEL SISTEMA
DE DRENAJE DE LAS
CARRETERAS?
6. Las obras de drenaje dan
salida rápida al agua que
llega a las carreteras, o
reducen su ingreso a ellas.
7. El diseño adecuado del
sistema de drenaje de las
carreteras proporcionará
mayor seguridad a los
usuarios y reducirá los gastos
de conservación.
8. El drenaje deficiente puede
provocar graves daños; por
ejemplo:
• Fallas de terraplenes,
• Cortes de la carretera,
• Destrucción de la superficie de
rodamiento,
• Pérdida de estabilidad de cortes,
etc.
9. Las obras de drenaje superficial de las
vías terrestres se clasifican en:
Obras de drenaje transversal
Alcantarillas (obras de drenaje menor)
Puentes (obras de drenaje mayor)
Vados
Puentes – vado
Sifones invertidos
Obras de drenaje longitudinal
(obras complementarias de drenaje)
Cunetas
Contracunetas
Lavaderos
Bajadas
Guarniciones y bordillos
Bombeo transversal de la corona
Canales de encauzamiento
10. Las alcantarillas son obras de
drenaje transversal que tienen
claro menor de 6 m y por su
forma pueden ser de tubo, de
cajón, de bóveda, de losas sobre
estribos, sifones, etc. Las
estructuras con claro mayor de 6
m son tratadas como puentes.
11. En nuestro país se ha tenido la
costumbre de denominar a las
alcantarillas “obras menores”,
porque individualmente drenan
mucho menos caudal que los
puentes y también porque
individualmente cuestan mucho
menos que los puentes.
12. Estadísticamente se ha
determinado que el 97.5% de los
arroyos que cruzan las
carreteras drenan cuencas
pequeñas, y en su mayoría los
cruces se resuelven con obras
de drenaje menor.
13. Las obras complementarias de
drenaje captan y conducen el agua
de lluvia que escurre sobre la
corona del camino, o sobre las
laderas adyacentes (en caso de
secciones en balcón), hacia lugares
más apropiados, a fin de eliminarla
sin inundar o destruir el camino y
sus zonas adyacentes.
14. Los efectos destructivos del agua de
lluvia son evidentes en un camino
que no cuente con obras
complementarias de drenaje, o que
en caso de tenerlas funcionen
incorrectamente. En efecto,
inmediatamente después de un
intenso periodo de lluvias, el
panorama es desolador.
15. Por tanto, las inversiones
monetarias que se destinen
para construir o mejorar los
sistemas de drenaje de las vías
terrestres siempre son
rentables.
16. Las obras de drenaje menor y
obras complementarias de
drenaje representan una
inversión del orden del 20%
del costo total de una
carretera.
17. Posiblemente por los calificativos
“menor” y “complementarias” en
México, este tipo de obras de
drenaje se ha subestimado siendo
en realidad muy importantes, ya que
constituyen prácticamente la
totalidad del sistema de drenaje de
las vías terrestres.
18. Es necesario emplear otras
palabras que definan mejor lo
que conocemos hoy como obras
de drenaje menor y obras
complementarias de drenaje. Así,
empezaría a dárseles la
importancia que realmente
tienen.
19. La nueva normativa de la SCT las
denomina:
• Obras para drenaje transversal.
• Obras para drenaje longitudinal.
20. Dos conceptos muy importantes a
tomar en cuenta en todo diseño
hidráulico de obras de drenaje son:
El agua siempre sigue el camino
más fácil.
Los cursos naturales de las aguas
deben alterarse lo menos posible.
21. Si no se respeta el drenaje natural
de la zona, las carreteras pueden
llegar a funcionar como presas, si
se desarrollan perpendiculares a
un arroyo, o bien como bordos de
protección contra inundaciones, si
se desarrollan paralelas a un
arroyo.
22. Posibles zonas de inundación debidas a la presencia
de un camino con escaso drenaje, construido
perpendicular a un río.
23. Posibles zonas de inundación debidas a la presencia
de un camino sin drenaje, construido paralelo a un
río.
24. Por lo antes expuesto, el drenaje de
las vías terrestres debe estudiarse
desde la elección de ruta,
procurando reducir al mínimo
posible los problemas de
escurrimiento de agua, y teniendo
siempre presente que una mala
elección de ruta invariablemente
ocasionará mayores costos de
conservación.
25. Para el diseño racional de las
estructuras de drenaje, es
necesario realizar estudios
hidrológicos e hidráulicos, que
comentaremos en esta plática.
27. CLASIFICACIÓN DEL DRENAJE DE LAS VÍAS TERRESTRES
SUPERFICIAL
LONGITUDINAL
(OBRAS COMPLEMENTARIAS)
CUNETAS
CONTRACUNETAS
LAVADEROS
BAJADAS
GUARNICIONES
BOMBEO TRANSVERSAL DE LA CORONA
CANALES DE ENCAUZAMIENTO
ALCANTARILLAS
PUENTES
VADOS
PUENTES – VADO
SIFONES INVERTIDOS
TRANSVERSAL
SUBTERRANEO
SUBDRENAJES LONGITUDINALES EN ZANJAS
CAPAS PERMEABLES
SUBDRENES TRANSVERSALES
TRINCHERAS ESTABILIZADORAS
28. SECCIONES TRANSVERSALES
TRIANGULARES: Son las
secciones transversales más
sencillas de construir.
Se construyen donde la
circulación vial es esporádica
o nula, y es la más común en
el medio ingenieril debido a
que cumple con las
recomendaciones mínimas de
seguridad vial.
29. CANAL DE RÁPIDA LISA. Se construye con
una pendiente igual a la del talud. Este
sistema es muy utilizado por ser más
económico, pero presenta el problema de
la poca energía disipada. Normalmente el
flujoessupercríticoIF>1
CANAL DE RÁPIDA ESCALONADA. Para las
características topográficas del país, con
altas pendientes, se requieren
estructuras de caída escalonadas con
flujo rasante, las cuales han sido
analizadas para pendientes entre 5,7° y
55°.
30. CUNETAS:
Son canales que reciben el agua
pluvial de los cortes y zonas
adyacentes y de la mitad del
camino.
31. CUNETAS DE BANQUETA: Son aquellas
que se ubican al pie del talud
inclinado de cada banqueta y
consisten en la construcción de una o
más terrazas sucesivas con el
objetivo de estabilizar un talud.
Pueden tener sección triangular,
rectangular o trapezoidal y su
descarga se efectuará hacia un curso
natural o mediante caídas
escalonadas (canal de rápida
escalonada)hacialascunetas.
32. La ubicación de las cunetas, su longitud y
su pendiente quedan condicionadas al
proyecto geométrico de la carretera. Para
su diseño hidráulico, se requiere conocer
el gasto que drenará la cuneta y
determinar la ubicación de sus descargas
para darle salida al agua y se evite que
inunde la superficie de rodamiento.
33. ZAMPEADOS: Son un sistema de protección contra la erosión para la
superficie de rodamiento o cunetas en zonas con pendientes fuertes.
Se realza con piedra, concreto hidráulico ciclópeo o concreto hidráulico
simple.
34.
35. CONTRACUNETAS:
Son canales que en ocasiones es
necesario construir cerca de la parte
más alta de los cortes, para evitar
que los escurrimientos reconozcan
hacia las paredes de éstos. Su
descarga se debe efectuar hacia el
cauce natural más cercano.
36. PROTECCIONES
Cuando no es posible desaguar la cuneta en una corriente, el flujo que viene concentrado por la
cunetasedebedistribuiryentregardemaneragradualalterreno naturalmediantesuperficiescomo
empedradosorip-rap.
38. LAVADEROS:
Son obras que drenan el gasto de
cunetas hacia zonas bajas. También
son canales que se construyen
sobre los taludes de terraplenes,
para dar salida al agua sin que éstos
sean erosionados. Pueden ser de
concreto simple, de mampostería o
de lámina.
40. ZANJAS DE DRENAJE: También llamadas zanja en el pie, o base del talud de terraplén, son
canales que se construyen en la parte inferior de los taludes de relleno (terraplén) en
formalongitudinallateral otransversal al alineamiento delacarretera,con el objetivo de
recogerlas aguas quebajan porel talud ylosterrenos adyacentesparaconducirlashacia
la quebrada o descarga más próxima del sistema general de drenaje. Por lo general son
rectangulares, pero también pueden ser trapezoidales, si se requiere una mayor
dimensión.
41. Otras secciones transversales: Las secciones rectangulares o
trapezoidales son útiles para transportar mayor volumen de agua.
42. Estas secciones, por ser profundas o con taludes altos, hacen
infranqueables o dificultan en gran manera la salida de vehículos, por
lo que, en caso de ser empleadas, deben estar acompañadas de
barrerasdeseguridad,bordillosoguardarruedas.
43. GUARNICIONES Y
BORDILLOS:
Se colocan en los hombros de
terraplenes, en tramos rectos y
en el intradós de curvas, para
evitar la erosión de los taludes.
44.
45.
46.
47.
48. Figura 13. Accidente de vehículo por ausencia de
bordillo deseguridad encunetarectangular.
49. BOMBEO TRANSVERSAL:
Es la pendiente transversal que se
da a la corona de terraplenes para
desalojar el agua pluvial que cae
sobre ella. Es muy importante, ya
que evita encharcamientos sobre la
superficie de rodamiento.
51. PERALTE:
Esta característica también está definida en el diseño geométrico. El peralte se
caracteriza por ser una inclinación dada al perfil transversal de una carretera en los
tramos en curva horizontal para contrarrestar el efecto de la fuerza centrífuga que actúa
sobre un vehículo en movimiento. Al igual que el bombeo, también contribuye al
escurrimientodelagualluvia.
52. NOTA: En el Manual de drenaje para carreteras (2009), el Instituto de Nacional de
Vías (Invías) recomienda las secciones transversales parabólicas, triangulares y
otras secciones que analizaremos en seguida.
SECCIONES TRANSVERSALES PARABÓLICAS: Se caracterizan por ser secciones
transversales constructivamente complejas y de baja capacidad hidráulica. Este tipo de
sección es la más adecuada en aquellos tramos viales en los que se presenta entrada y
salida permanente de vehículos, como por ejemplo estaciones de servicio, locales
comerciales,etc.
53.
54. Las obras de drenaje transversal
son las que permiten que los
escurrimientos naturales crucen
de un lado a otro la carretera, y
las constituyen las alcantarillas y
los puentes.
55. Una alcantarilla es un conducto relativamente corto a través del cual se
cruza el agua bajo la vía de un costado a otro. Incluye conductos con
cualquier sección geométrica, en especial conductos circulares y
alcantarillasdecajón.
56.
57. ALCANTARILLAS:
Como ya se expresó antes, son
obras con claro menor de 6 m, y
por su forma pueden ser de tubo,
de cajón, de bóveda, losas sobre
estribos, etc.
58. DESCOLE DE CUNETAS: Elementos y
revestimientos hidráulicos que
ayudan a entregar o intersectar el
flujo de agua a corrientes naturales
o estructuras hidráulicas como
pocetas, protecciones y bajantes.
POCETAS: También son conocidas como
cajas colectoras. Por lo general estas
estructuras se ubican a la entrada de una
alcantarilla transversal (encole). Para su
dimensionamiento es necesario considerar
las medidas y la profundidad de la tubería
de la alcantarilla, la profundidad del filtro
entrante o el tamaño de la estructura de
encole y la facilidad de mantenimiento de la
obra.
59. DISIPADOR DE ENERGÍA: Son estructuras hidráulicas diseñadas para transportar un caudal
de una cota superior a una inferior manteniendo la velocidad (energía cinética) dentro de
los límites admisibles, con el fin de evitar la ocurrencia de procesos erosivos tanto en la
caída como en el cauce receptor y la posible falla de la estructura misma. Por lo general
estas estructurassedeben utilizaren losdescoles de las alcantarillas o en cualquierotro
sitio donde la evacuación de aguas pueda producir socavación debido a la alta velocidad
delagua(energíacinética).
61. VADOS:
Son estructuras que se diseñan con el fin de dar paso a
escurrimientos pequeños sobre la corona de la obra vial.
Se localizan generalmente en curvas verticales en columpio,
es necesario dotarlos de un señalamiento adecuado, donde
principalmente se pueda observar la altura del tirante de agua
y poder transitar con seguridad cuando exista corriente de
agua.
Se diseñan a base de losas de concreto y dentellones o
también de mampostería.
El empleo de este tipo de estructuras se permite en caminos
de bajas especificaciones, es decir, para caminos tipos “d” y
“e”.
62. Se presentan a continuación
algunos lineamientos generales
para el proyecto y construcción
de las obras de drenaje
longitudinal y transversal de las
vías terrestres:
63. Gran parte de esta información se
presentó en el artículo:
ATALA, B.G., “Procedimiento para diseño
hidráulico de alcantarillas”, “XV Reunión
Nacional de Vías Terrestres”, Pachuca,
Hgo., México, Julio 2004. (ref 1)
64. Las obras complementarias de
drenaje en zonas de cortes deben
construirse en el siguiente orden:
a) Contracunetas
b) Cunetas
c) Lavaderos
65. Antes de construir cunetas es
necesario verificar que los
cortes sean estables, para
evitar que éstas se azolven o
sean dañadas por el impacto de
caídos.
66. En ocasiones las cunetas son
obstruidas con rellenos para
permitir el paso de vehículos.
Esto impide que el agua
reconozca hacia los lavaderos y
puede ocasionar que desborde y
escurra por la carpeta asfáltica y
la dañe.
67. Es necesario evitar la
construcción de canales
adyacentes a la superficie de
rodadura, ya que representan
riesgos para los usuarios.
68. Sin excepción, las contracunetas
a base de canales deben
construirse revestidas de
concreto, para que sean
impermeables; el espesor del
revestimiento deberá ser de por
lo menos 4 cm.
69.
70. Las contracunetas deben quedar
ubicadas a una distancia no menor
de 6 m de la corona de los cortes,
salvo casos especiales en que por el
tipo de material del corte convenga
retirarlas más. El trazo que se
realiza en campo deberá ser de tal
forma que la contracuneta se vaya
alejando del camino, a fin de que su
descarga no lo afecte.
71.
72. El Manual de drenaje para carreteras del Invías
(2009)recomienda que laszanjas decoronación
sean totalmente impermeabilizadas para evitar
infiltraciones que puedan afectar el talud de la
vía y que la impermeabilización se
complemente con un correcto mantenimiento
en el que, al menos cada dos años, se reparen
las fisuras y las grietas que se presenten.
Para pendientes mayores, las zanjas de
coronación deben ser escalonadas (canal de
rápida escalonada) con emboquillado de piedra
bajo lacaída.
73. Las contracunetas requieren de
un trazo y localización
adecuados. En caso de que se
cuente con planos de topografía
de detalle, deben aprovecharse
para localizar en forma preliminar
la trayectoria de las
contracunetas.
74. Las contracunetas se pueden construir
a base de bordos de mampostería
sensiblemente paralelos al
coronamiento del corte. Esta opción es
conveniente cuando existen en el
suelo afloramientos de roca, ya que si
se excavara se encarecería la obra. El
material para construir los bordos se
obtiene del lugar, fragmentando la
roca que aflora.
75. Antes de construir lavaderos es
indispensable garantizar la
estabilidad de los taludes de los
terraplenes. Si éstos han sufrido
erosión por el agua, es necesario
previamente restituir los
materiales.
76. Los lavaderos deben descargar
en terreno natural, es decir,
siempre fuera de los taludes de
los terraplenes.
77. Los lavaderos deben
construirse normales a los ceros
del terraplén y no sesgados,
para evitar que los dañe el agua
que escurre por el talud.
78. BAJANTES:
También son conocidos como aliviaderos. Son estructuras que recogen las aguas de las zanjas de
coronación que no se pueden entregar a corrientes naturales o de cunetas de terraplén (en este
caso también recibe el nombre de lavadero) y las conducen hacia la parte inferior del talud. Su
diseño se realiza como el de una rápida lisa o escalonada y, por lo general, requiere una obra de
disipación deenergía.
79. CANAL DE PANTALLAS DEFLECTORAS (CPD): e trata de estructuras de vertimiento de fondo liso que
incluyen a cada cierta distancia una serie de elementos disipadores de energía del flujo, es decir
que la energía se disipa a lo largo del canal y no al final como sucede con las rápidas lisas.
El canal de pantallas deflectoras (CPD) es aplicable para pendientes entre el 10% y el 50% de
inclinación.
80. CANAL DE RÁPIDAS CON TAPA Y COLUMPIO (CRTC): La energía con este tipo de
disipador, al igual que el CPD, se disipa a lo largo del canal y no al final como
sucede con las rápidas lisas. El canal de rápidas con tapa y columpio (CRTC) es
aplicableparapendientes mayoresal50%deinclinación.
83. Es necesario garantizar el anclaje
de los lavaderos y de sus
umbrales. Los lavaderos que
carecen de anclaje suficiente se
desplazan, lo que ocasiona
grietas o fracturas en la zona del
umbral, y con ello, infiltraciones
de agua al cuerpo del terraplén.
84. Las bermas de los cortes deben contar
con drenaje adecuado que incluya la
construcción de lavaderos en sus
extremos laterales. Es muy importante
mantener limpias las bermas, ya que
de lo contrario el agua, en vez de
escurrir hacia los lavaderos lo hará por
la paredes de los cortes, las
erosionará y en ocasionaes aportará
un caudal excesivo de agua hacia las
cunetas.
85. Las deficiencias en el bombeo de
la superficie pavimentada
provocan que el agua escurra
sobre el pavimento a lo largo del
camino, lo que representa riesgos
para los usuarios.
86. Los bordillos son imprescindibles
en los casos en que el material
de los taludes de los terraplenes
sea muy erosionable.
87. Es necesario analizar el
funcionamiento de alcantarillas
existentes en las cercanías del
cruce sobre la misma corriente,
recabando su antigüedad, niveles
de agua alcanzados, reparaciones
que ha tenido, daños que ha
provocado, etc.
88. SE DEBE RESPETAR AL
MAXIMO POSIBLE EL CURSO
NATURAL DE LOS ARROYOS.
89. Debe considerarse siempre que
las corrientes tienden a reconocer
hacia sus cauces, que han sido
labrados por el agua durante
muchos años.
90. Desde el proyecto de la
subrasante se debe asegurar que
en los cruces con arroyos los
terraplenes tendrán suficiente
altura para permitir alojar las
alcantarillas con su entrada y
salida al nivel del cauce natural.
91. Al diseñar las alcantarillas se
debe procurar que trabajen a
superficie libre para el gasto de
diseño.
92. El diámetro mínimo de
alcantarillas de tubo debe ser de
1.2 m, para facilitar su
mantenimiento.
93. La longitud de las alcantarillas
deberá ser tal que su entrada y
salida coincidan con los ceros
del terraplén de la carretera,
salvo casos especiales.
94.
95.
96. El nivel de la plantilla de las
alcantarillas en sus secciones de
entrada y salida debe coincidir
con el nivel del cauce natural del
arroyo, salvo casos especiales.
97. En el diseño hidráulico de
alcantarillas debe garantizarse el
correcto encauzamiento de las
aguas; si es necesario, deben
efectuarse canalizaciones en las
zonas de entrada o de salida,
verificando que las nuevas
condiciones no alteren el régimen
hidráulico de la corriente.
98. Es necesario ubicar las
alcantarillas con el esviaje que
requieran, para respetar al
máximo posible los escurrimientos
naturales, aunque las obras
resulten largas y, por tanto, más
costosas.
99. Todo aquello que mejore la entrada
del flujo en las alcantarillas reduce
pérdidas de energía y, por tanto,
mejora la eficiencia hidráulica.
Colocar aleros rectos o curvos,
construir ensanchada la entrada y
redondear bordes pueden favorecer
en este sentido.
100.
101. Para obras de drenaje bajo
terraplenes muy altos, es
conveniente construirlas con mayor
área que la estrictamente necesaria,
ya que en caso de resultar
insuficientes, una falla del terraplén
implica costos de reparación
elevados.
102. Es necesario verificar que la
sobreelevación del agua
ocasionada por el estrechamiento
que produce la obra de drenaje
no afecte terrenos particulares
ubicados aguas arriba del cruce.
103. Asimismo, evitar el diseño de
obras de drenaje con caja de
entrada, ya que generalmente se
obstruyen.
104. Los cuerpos flotantes condicionan
el tipo y dimensiones de las
alcantarillas y en ocasiones
obligan a multiplicar el área
hidráulica necesaria para drenar
el gasto de diseño.
105. Cuando la corrientes tienden a
depositar sedimentos, los azolves
obligan, en general, a construir
obras de mayor altura que la
necesaria desde el punto de vista
hidráulico.
106. El tipo y dimensiones de las obras de
drenaje deben permitir la continuidad
del transporte de sedimentos, para
evitar que se formen grandes
depósitos de materiales en el lado de
aguas arriba, y degradación del
cauce (erosión sin recuperación) en
el de aguas abajo.
107. Cuando se construyen obras de
drenaje con pendientes muy
pronunciadas es necesario
cimentarlas con anclajes, lo cual
eleva mucho su costo.
108. Una solución alterna para el caso de
arroyos de gran pendiente es hacer
coincidir la entrada de la obra con el arroyo,
y su salida con una de las laderas aguas
abajo. En este caso se reducirá
notablemente la pendiente de los
escurrimientos. Será muy importante
construir un canal de salida adecuado y
que la descarga del agua no erosione la
ladera. En ocasiones es necesario construir
obras de protección contra la erosión en el
extremo final del canal de salida.
109. Por supuesto, se insiste en que
ES NECESARIO RESPETAR AL
MAXIMO POSIBLE EL CURSO
NATURAL DE LOS ARROYOS.
110. Debe evitarse construir cercas de
alambre en las zonas de entrada
y de salida de las alcantarillas, ya
que provocan el atoramiento de
troncos y ramas, que obstruyen el
libre paso del agua.
111. Las alcantarillas deben tener como
única función drenar el agua de la
cuenca y debe evitarse que a través
de ellas pasen líneas de servicios
públicos, tales como agua, energía
eléctrica, teléfono, gas, etc. La
vigilancia debe ser más estricta en
los tramos carreteros que pasen por
zonas pobladas o con tendencia a
poblarse.
112. Es necesario vigilar que los lugareños
no construyan en las zonas de
entrada o de salida de las
alcantarillas obras tales como bordos,
diques, derivaciones, etc, ya que
pueden provocar remansos, azolves,
y hasta grandes volúmenes de agua
que no podrían drenar las
alcantarillas, lo que podría ocasionar
el corte de un tramo de la carretera.
113. Es muy importante propiciar la
vegetación propia del lugar en la
zona que ocupa el derecho de vía
de la carretera, principalmente en
los taludes de los terraplenes, a fin
de evitar que la acción del agua de
lluvia los erosione.
114. VEGETACIÓN: Una de las maneras
más efectivas de proteger los
taludes de un corte, terraplén o del
terreno natural contra la acción
erosiva del agua superficial es la
plantación de especies vegetales.
Estas especies vegetales retardan
el escurrimiento disminuyendo la
velocidad del agua y contribuyen a
fomentar una condición de
equilibrio en los suelos respecto al
contenidodeagua.
115. Es necesario retirar de los
taludes de terraplenes, las rocas
que al rodar puedan obstruir
alcantarillas
116. En ocasiones aguas arriba de algunas
alcantarillas existen caminos que se
construyeron provisionalmente para
dar acceso a maquinaria y equipo
durante la construcción de la
carretera. Dichas obras propician un
aporte importante de azolves hacia las
alcantarillas, por lo que es
indispensable eliminarlos al concluir la
construcción de la carretera.
117. Al desazolvar alcantarillas, los
materiales extraídos deberán ser
depositados en zonas mucho
más bajas, aguas abajo de las
obras.
118. Al efectuar la limpieza de la
entrada y salida de las
alcantarillas, es muy importante
no dejar el producto del desyerbe
y despalme en el lado de aguas
arriba de las obras.
119. Las alcantarillas para alivio de
cunetas debe procurarse
construirlas esviajadas, como se
indica en las siguientes figuras.
120.
121.
122. EJEMPLO DE APLICACIÓN
Identifique y nombre las obras de
drenaje y subdrenaje presentes en la
siguiente figura:
Sección típica con sistemas de drenaje y
subdrenaje