5 hidráulica maray

V. HIDRÁULICA DE OBRAS DE ARTE MENORES
5.1 GENERALIDADES
El 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 económica 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.
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 las lluvias en
cualquier tramo de la carretera.
El drenaje puede ser Drenaje Superficial y Drenaje Sub-Superficial, en ambos
casos puede haber Drenaje Transversal y Drenaje Longitudinal. En este caso
se realizará el análisis de los drenajes Superficiales del tipo transversal,
específicamente referido a las alcantarillas y badenes que se proyectan en el
estudio de Preinversión.
Las dimensiones de las estructuras dependen de la cantidad de agua que se
desea eliminar. El primer estudio es el Análisis Hidrológico y luego el hidráulico.
5.2 SELECCIÓN DEL TIPO DE OBRAS DE ARTE
Para mantener el buen estado de las carreteras y garantizar la seguridad de los
usuarios es necesario seleccionar adecuadamente el sistema de drenaje de las
aguas pluviales a través de las vías de paso
Para seleccionar adecuadamente un sistema de drenaje existen muchos
criterios a tomar en cuenta en la que las características físicas de la zona como
la topografía, geología, hidrografía, cobertura vegetal, son de especial
importancia.
El sistema de drenaje vial permite que las aguas provenientes de la escorrentía
provenientes de las precipitaciones y el flujo de las corrientes naturales circulen
sin afectar la vía. Para esto se consideran sistemas de drenaje conocidos como
drenaje transversal y drenaje longitudinal.

Como drenaje transversal básicamente están considerados las alcantarillas y
los badenes, mientras que como drenaje longitudinal se consideran a las
cunetas.
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, eliminando
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.
Las estructuras tipo badén son soluciones efectivas cuando el nivel de la
rasante de la carretera coincide con el nivel de fondo del cauce del curso natural
que intercepta su alineamiento, porque permite dejar pasar flujo de sólidos
esporádicamente que se presentan con mayor intensidad durante períodos
lluviosos y donde no ha sido posible la proyección de una alcantarilla o puente.
El proyecto plantea la construcción de siete tipos de alcantarillas. Las
alcantarillas Tipo I, Tipo II, Tipo III y IV son a base de tubería metálica corrugada
(TMC) de 600 mm, 800 mm, 900 y 1000 mm con aletas de ingreso y salida; la
alcantarilla Tipo V es una alcantarilla rectangular de 1.2 m X 1.5 m a base
concreto armado; la alcantarilla Tipo VI es una alcantarilla de 3.0 m X 3.5 m con
estribos de mampostería de piedra con losa maciza de concreto armado;
mientras que la alcantarilla Tipo VII es una alcantarilla de alivio a base de TMC
de 600 mm con caja de ingreso y aletas de salida;
Cuadro Nº 5.01:
Tipos de Alcantarilla proyectados.
TIPO DE
ALCANTARILLA
MATERIAL CANTIDAD
TIPO I TUBERIA TMC Ø 24" (600 mm) CON ALETAS DE INGRESO Y SALIDA 23
TIPO II TUBERIA TMC Ø 32" (800 mm) CON ALETAS DE INGRESO Y SALIDA 8
TIPO III TUBERIA TMC Ø 36" (900 mm) CON ALETAS DE INGRESO Y SALIDA 3
TIPO IV TUBERIA TMC Ø 40" (1000 mm) CON ALETAS DE INGRESO Y SALIDA 1
TIPO V RECTANGULAR TIPO MARCO DE 1.2 X 1.5 m CONCRETO F´C=210 Kg/cm2 4
TIPO VI SECCION RECTANGULARCON MURO Y LOSA 3.0 X 3.5 m CONCRETO F´C=210 8
TIPO VII TUBERIA TMC Ø 24" (600 mm) CON CAJA DE INGRESO Y ALETAS DE SALIDA 7

La geometría y algunas características básicas de estas alcantarillas se
muestran en las siguientes imágenes:
Imagen Nº 5.01:
Geometría de las alcantarillas Tipo I, Tipo II y Tipo III y IV
Imagen Nº 5.02:
Geometría de la alcantarilla Tipo V

Imagen Nº 5.03:
Geometría de la alcantarilla Tipo VI
Imagen Nº 5.04:
Geometría de la alcantarilla Tipo VII

5.3 PARÁMETROS HIDRÁULICOS PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE ARTE
El análisis del Comportamiento Hidráulico de las alcantarillas de tubería
metálica corrugada (TMC) puede realizarse usando diversas ecuaciones como:
 Manning
 Hazen Williams
 Celebrook—White
El Comportamiento Hidráulico, en este caso, será analizado mediante la fórmula
de Manning.
Los diferentes problemas de flujo en Tuberías a canal abierto para condiciones
de Flujo máximo, se pueden resumir en algunas ecuaciones basadas en la
fórmula de Manning.
 Ecuación I: Conocido el caudal de diseño, la pendiente y el factor de
rugosidad, calcular el diámetro.
 Ecuación II: Conocidos el diámetro, la pendiente y el facto de rugosidad,
calcular la velocidad.
 Ecuación III: Conocidos el diámetro, la pendiente y el factor de rugosidad,
calcular el caudal máximo.
Donde
D : Diámetro interno (m)
Q : Caudal máximo (metro cúbico por segundo m³/s)
N : Coeficiente de rugosidad “n” de Manning
S : Pendiente de conducción (m/m)
V : Velocidad del agua en el tubo (m/s)

Las variables que se deben determinar para el Diseño Hidráulico de las
alcantarillas son:
a. Coeficiente de rugosidad
b. Nivel de calado
c. Velocidades permisibles
d. Diámetros equivalentes.
a. Coeficiente de rugosidad
Cuando nos enfrentamos a la definición de los condicionantes hidráulicos de un
modelo hidráulico, ya sea unidimensional o bidimensional, una de las variables
que más influyen en el comportamiento del modelo es precisamente el
coeficiente de rugosidad.
El coeficiente de rugosidad es un parámetro que determina el grado de
resistencia, que ofrecen las paredes y fondo del conducto al flujo del fluido.
Mientras más áspera o rugosa sean las paredes y fondo del canal, más dificultad
tendrá el agua para desplazarse. Este parámetro ha sido muy estudiado por
muchos investigadores en laboratorio, por lo que se ha elaborado una tabla para
los diferentes valores de rugosidad, dependiendo del material que aloja al
conducto.
El “Manual de Hidrología, Hidráulica y Drenaje” y el “Manual de diseño de
carreteras no pavimentadas de bajo volumen de tránsito” elaborado por el
Ministerio de Transportes y Comunicaciones presenta coeficientes de rugosidad
para ser utilizados en el cálculo hidráulico mediante la fórmula de Manning.
Estos se muestran en los siguientes cuadros.

Cuadro Nº 5.01:
Coeficiente de rugosidad de Manning – Manual de hidrología,
Hidráulica y Drenaje del MTC.
Cuadro Nº 5.02:
Coeficiente de rugosidad de Manning – MDCPBVT MTC.
Teniendo en cuenta los cuadros anteriores y se eligieron los coeficientes de
rugosidad de n= 0.025 para las alcantarillas de TMC y n= 0.013 para las
alcantarillas de concreto.

b. Nivel de calado (%) : (Y/D)
El nivel de calado, Profundidad del flujo, calado o tirante (Y), es la profundidad
del flujo (h), es decir, es la distancia vertical del punto más bajo de la sección
de tubería al punto más alto de la sección de tubería.
Imagen Nº 5.05:
Representación gráfica del calado en tuberías
En cuanto a las Condiciones de Flujo Máximo, en ductos circulares el máximo
caudal se logra cuando el calado es de 93.8%, es decir, el tubo no va lleno.
c. Velocidades permisibles
La velocidad de circulación del agua dentro de las conducciones se puede
determinar utilizando varias fórmulas empíricas, en el caso de la fórmula de
Manning se relaciona la velocidad, el diámetro interior, la pendiente y el
coeficiente de rugosidad.
A lo largo de su trayecto, la velocidad del fluido debe mantenerse dentro de un
rango que nos garantice que va a ser lo suficientemente alta para permitir el
transporte de los sólidos y disminuir el oleaje y lo suficientemente baja para
prevenir problemas como la erosión; a esto se llama Velocidad permisible.
Cuando gotas de líquido golpean las paredes de la tubería con tanta fuerza que
desprenden partículas, producto de la corrosión normal, y dejan la tubería
vulnerable a ser corroído de nueva cuenta, decimos que se presenta una
erosión por fluidos. Si la velocidad del flujo es muy alta, las gotas impactarán
con más fuerza, lo que provoca una mayor erosión.

Cuando la velocidad del flujo excede cierto valor, se presenta el flujo erosional,
por lo tanto, para un diseño óptimo de las tuberías debe considerarse la
Velocidad permisible de acuerdo al material y en algunos caso a las
recomendaciones particulares del fabricante del tipo de material a usar.
El “Manual de Hidrología, Hidráulica y Drenaje” del Ministerio de Transportes y
Comunicaciones señal que se deberá verificar que la velocidad mínima del flujo
dentro del conducto no produzca sedimentación que pueda incidir en una
reducción de su capacidad hidráulica, recomendándose que la velocidad
mínima sea igual a 0.25 m/s.
Por otro lado, el “Manual de diseño de carreteras no pavimentadas de bajo
volumen de tránsito” elaborado por el Ministerio de Transportes y
Comunicaciones menciona que la velocidad del agua en las conducciones de
drenaje estará comprendida entre 0.70 m/s y 4 m/s. Además señala que para
flujos de muy corta duración la velocidad límite admisible varía entre 4.5 – 6.00
m/s.
En el siguiente cuadro se muestra las velocidades admisibles recomendado por
el Manual de hidrología, Hidráulica y Drenaje del MTC.
Cuadro Nº 5.03:
Velocidades máximas permisibles en conductos revestidos – Manual de
hidrología, Hidráulica y Drenaje del MTC.
En nuestro caso, las alcantarillas son de flujo temporal y de muy corta duración
por lo que se optó diseñar las alcantarillas con una pendiente hidráulica entre
0.5% y 2%, para alcanzar valores tales que no produzcan velocidades
superiores a la admisible de 6 m/s.
5.4 ANÁLISIS HIDRÁULICO DEL DRENAJE TRANSVERSAL PROPUESTO
Con el caudal de diseño calculado anteriormente y con los parámetros
hidráulicos definidos se analizó el comportamiento hidráulico de las cantarillas
circulares y rectangulares propuestas para el proyecto. Los resultados se
muestran en los siguientes cuadros.

Cuadro Nº 5.04:
Análisis hidráulico de las alcantarillas circulares de TMC
Cuadro Nº 5.05:
Análisis hidráulico de las alcantarillas circulares de TMC

En estos cuadros se observan las características de los parámetros hidráulicos
de las alcantarillas propuestas para el proyecto. Es importante observar la
capacidad de conducción del flujo hidráulico (Caudal) que servirá para elegir el
tipo de alcantarilla que se proyectará para cada cuenca en estudio. Así mismo,
se observa la velocidad que obtiene cada alcantarilla y que estos se encuentran
dentro de las velocidades máximas permisibles para este tipo de obras.
5.5 ELECCIÓN DEL TIPO DE ALCANTARILLA DE ACUERDO AL CAUDAL
La elección de las alcantarillas se realizó de acuerdo al caudal de la cuenca y
la capacidad hidráulica de la alcantarilla propuesta. En el cuadro siguiente se
muestra el tipo de alcantarilla propuesta por cada cuenca.
Cuadro Nº 5.06:
Tipo de alcantarilla de acuerdo al caudal de la cuenca.
CÓDIGO
CAUDAL
MÁXIMO
(Q) m3
/s
CAUDAL
MÁXIMO
(L/s)
DIÁMETRO
ASUMIDO SEGÚN
CAPACIDAD
HIDRÁULICA (D)
mm
TIPO DE
ALCANTARILLA
C-1 0.624 623.562 600 TIPO I
C-2 2.231 2,231.32 900 TIPO III
C-3 1.387 1,386.72 800 TIPO II
C-4 0.606 605.65 600 TIPO I
C-5 1.449 1,449.30 800 TIPO II
C-6 0.506 505.723 600 TIPO I
C-7 0.164 164.037 600 TIPO I
C-8 5.079 5,079.35 1.20 X 1.50 m TIPO V
C-9 1.712 1,711.55 900 TIPO III
C-10 0.356 356.478 600 TIPO I
C-11 0.207 207.427 600 TIPO I
C-12 0.125 125.204 600 TIPO I
C-13 0.824 824.174 800 TIPO II
C-14 32.064 32,064.37 3.00 X 3.50 m TIPO VI
C-15 14.328 14,327.60 3.00 X 3.50 m TIPO VI
C-16 0.87 870.495 800 TIPO II
C-17 8.221 8,221.13 3.00 X 3.50 m TIPO VI
C-18 0.41 409.755 600 TIPO I

CÓDIGO
CAUDAL
MÁXIMO
(Q) m3
/s
CAUDAL
MÁXIMO
(L/s)
DIÁMETRO
ASUMIDO SEGÚN
CAPACIDAD
HIDRÁULICA (D)
mm
TIPO DE
ALCANTARILLA
C-19 0.372 371.78 600 TIPO I
C-20 0.693 692.726 600 TIPO I
C-21 0.262 262.065 600 TIPO I
C-22 0.092 92.235 600 TIPO I
C-23 0.14 139.513 600 TIPO I
C-24 0.065 65.006 600 TIPO I
C-25 0.874 873.509 800 TIPO II
C-26 0.511 511.498 600 TIPO I
C-27 0.479 479.117 600 TIPO I
C-28 0.042 41.549 600 TIPO I
C-29 6.798 6,797.67 1.20 X 1.50 m TIPO V
C-30 1.82 1,820.10 900 TIPO III
C-31 18.58 18,580.03 3.00 X 3.50 m TIPO VI
C-32 3.945 3,944.73 1.20 X 1.50 m TIPO V
C-33 12.958 12,958.49 3.00 X 3.50 m TIPO VI
C-34 2.944 2,944.29 1000 TIPO IV
C-35 0.024 24.092 600 TIPO I
C-36 0.5 500.436 600 TIPO I
C-37 8.744 8,743.62 3.00 X 3.50 m TIPO VI
C-38 22.177 22,177.49 3.00 X 3.50 m TIPO VI
C-39 1.452 1,451.50 800 TIPO II
C-40 0.67 669.979 600 TIPO I
C-41 11.654 11,654.19 3.00 X 3.50 m TIPO VI
C-42 2.195 2,194.54 900 TIPO III
C-43 0.408 407.727 600 TIPO I
C-44 0.128 127.706 600 TIPO I
C-45 0.201 201.438 600 TIPO I
C-46 0.511 511.234 600 TIPO I
C-47 0.745 745.227 600 TIPO I
C-48 0.317 317.473 600 TIPO I
C-49 0.456 455.684 600 TIPO I

CÓDIGO
CAUDAL
MÁXIMO
(Q) m3
/s
CAUDAL
MÁXIMO
(L/s)
DIÁMETRO
ASUMIDO SEGÚN
CAPACIDAD
HIDRÁULICA (D)
mm
TIPO DE
ALCANTARILLA
C-50 6.407 6,407.35 1.20 X 1.50 m TIPO V
C-51 0.571 571.148 600 TIPO I
C-52 9.541 9,540.68 3.00 X 3.50 m TIPO VI
C-53 0.846 846.37 800 TIPO II
C-54 0.375 375.25 600 TIPO I

5.6 COMPROBACIÓN DEL COMPORTAMIENTO HIDRÁULICO DE DISEÑO
En este caso, aplicando la fórmula de Manning y usando las variables anteriormente determinados, se calculan los
caudales y velocidades para las alcantarillas propuestas en el Expediente técnico.
Cuadro Nº 5.07:
Comportamiento hidráulico alcantarilla circular de TMC.
CÓDIGO
Tipo de
Alcantarilla
CAUDAL
(Q)
m3/s
Diámetro
Interior
(D)
m
Rugosidad
(n) m
Pendiente
(S)
m
Tirante
normal
(y) m
Área
hidráulica
(A) m2
Perímetro
mojado
(p) m
Radio
hidráulico
(R) m
Espejo
de
agua
(T) m
Velocidad
(v) m/s
Energía
específica
(E) m-
Kg/Kg
Número
de
Froude
(F)
Tipo de
flujo
C-1 TIPO I 0.624 0.596 0.025 0.05 0.4378 0.219 1.227 0.179 0.526 2.8407 0.8491 1.4039 Supercrítico
C-2 TIPO III 2.231 0.896 0.025 0.05 0.8219 0.605 2.292 0.2643 0.494 3.6832 1.5134 1.0614 Supercrítico
C-3 TIPO II 1.387 0.796 0.025 0.05 0.5983 0.401 1.67 0.2402 0.688 3.4566 1.2073 1.4449 Supercrítico

CÓDIGO
Tipo de
Alcantarilla
CAUDAL
(Q)
m3/s
Diámetro
Interior
(D)
m
Rugosidad
(n) m
Pendiente
(S)
m
Tirante
normal
(y) m
Área
hidráulica
(A) m2
Perímetro
mojado
(p) m
Radio
hidráulico
(R) m
Espejo
de
agua
(T) m
Velocidad
(v) m/s
Energía
específica
(E) m-
Kg/Kg
Número
de
Froude
(F)
Tipo de
flujo
C-34 TIPO IV 2.944 0.995 0.025 0.05 0.9058 0.743 2.52 0.2948 0.569 3.9617 1.7058 1.1063 Supercrítico

Cuadro Nº 5.08:
Comportamiento hidráulico alcantarilla rectangular de concreto.
CÓDIGO
Tipo de
Alcantarilla
CAUDAL
(Q)
m3/s
Ancho
de
solera
(b)
m
Talud
(Z)
m
Rugosidad
(n)
m
Pendiente
(S)
m
Tirante
normal
(y) m
Área
hidráulica
(A) m2
Perímetro
mojado
(p) m
Radio
hidráulico
(R) m
Espejo
de
agua
(T) m
Velocidad
(v) m/s
Energía
específica
(E) m-
Kg/Kg
Número
de
Froude
(F)
Tipo de
flujo
C-8 TIPO V 5.079 3.5 0 0.013 0.02 0.3193 1.117 4.138 0.27 3.5 4.5448 1.3721 2.5679 Supercrítico
C-14 TIPO VI 32.064 3.5 0 0.013 0.005 1.818 6.363 7.136 0.8917 3.5 5.0391 3.1122 1.1932 Supercrítico
De los cuadros anteriores, podemos concluir que las alcantarillas propuestas tienen un buen comportamiento hidráulico para
conducir los caudales máximos de diseño de las alcantarillas y no presentan velocidades erosivas.

5 hidráulica maray

Más contenido relacionado

La actualidad más candente

Similar a 5 hidráulica maray

Más de MunicipalidadDistrit31

Último

5 hidráulica maray