YOSMILETH VILLASMIL

1. ELECTIVA V
CALCULO DE CAUDAL APORTANTE A UN SISTEMA DE DRENAJE VIAL
SUPERFICIAL
Autor
Yosmileth, A. Villasmil, P.
C.I: 20.571.755
Mérida, marzo de 2016
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA
EDUCACIÓN UNIVERSITARIA
INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO
“SANTIAGO MARIÑO”
AMPLIACIÓN MÉRIDA

2. PREVIAMENTE AL CÁLCULO DE LOS CAUDALES PARA EL DISEÑO DE
DRENAJES SE DEBE HACER UN ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN
HIDROLÓGICA DE LA ZONA.
Los drenajes constituyen una parte fundamental para el diseño óptimo de
las carreteras, ya que el agua puede penetrar dentro de la estructura del
pavimento ocasionando el deterioro, por esta razón se debe realizar un
análisis del área de la cuenca, el coeficiente de escorrentía; y con estos
parámetros se diseñaron las obras de drenajes.
El estudio tiene como objetivo estimar el caudal o gasto de diseño que
puede generar el área de la microcuenca y del pavimento de la zona,
considerando una tormenta con un período de retorno adecuado a la
importancia de la estructura de los drenajes superficiales a construir.
CALCULO DEL SISTEMA DE DRENAJES
Sistema de Drenajes.
Uno de los problemas más grave que presenta una vía, es el deterioro de
la misma por el mal diseño del sistema de drenajes, y peor aún la ausencia
del mismo. A continuación se presentan el cálculo del sistema de drenaje
para consolidar la carretera. Para el drenaje longitudinal se recomienda el
diseño de una cuneta tipo A.
Información Hidrológica de la zona.
El estudio hidrológico, tiene como objetivo estimar el caudal o gasto de
diseño que puede generar la red hídrica de la zona, considerando una
tormenta con un período de retorno adecuado a la importancia de la
estructura de los drenajes superficiales a construir.
Entre los parámetros a considerar en el estudio hidrológico se tienen:
1. Análisis de la red hídrica.
a. Método racional.
 Tiempo mínimo de concentración (Tc).
 Período de retorno (Tr).

3.  Intensidad de diseño (Id).
 Coeficiente de escorrentía (C).
 Área de la microcuenca.
Estimación del caudal de diseño (Q).
a. Cálculo de la estructura de drenaje superficial (cuneta).
Análisis de la red hídrica.
Adicionalmente se debe conocer la cartografía de la zona y mediante la
utilización del planímetro se determina el área portante de la microcuenca
para el caudal de diseño de escorrentía superficial, para estimar los
parámetros a implementar en el diseño de los sistemas de drenajes
superficiales
a. Método Racional.
Para estimar el caudal que actúa en la zona y establecer una
aproximación en cuanto al funcionamiento que deben tener los sistemas de
drenajes superficiales (cunetas), se procedió a implementar el método
racional, donde sus resultados son satisfactorios para áreas menores de
500Has. La ecuación es:
Q = C*I*A
Donde:
Q = Caudal de diseño en m3/seg.
C = Coeficiente de escorrentía.
I = Intensidad en Lts/seg/Has.
A = Área de la micro cuenca en Has.
Tiempo mínimo de concentración (Tc):
Se considera como el tiempo requerido para que el agua llegue desde el
punto más distante del área drenada hasta el punto en consideración. Por
ende y tomando en cuenta lo señalado por el manual de drenajes del
Ministerio de Obras Públicas de la República de Venezuela (1.967), los
tiempos mínimos de concentración se pueden establecer en función al

4. cuadro 1 , para el caso de conducir las aguas pluviales implementando
elementos como las cunetas.
Cuadro 1. Tiempos Mínimos de Concentración (Tc)
Elementos
Tiempo mínimo de
concentración (Tc)
Brocales, cunetas y sumideros que drenan
áreas pavimentadas, menores de 2
Hast……
5 minutos
Brocales, cunetas y sumideros que drenan
áreas pavimentadas mayores de 2 Has… y
áreas mixtas (pavimentadas y con
vegetación).
10 minutos
Fuente: Manual de drenaje M.O.P (1967).
Dado que la estructura a diseñar son las cunetas se consideró tomar un
tiempo mínimo de concentración Tc = 5 minutos para áreas pavimentadas
menores de 2Has.
Período de retorno (Tr):
Se obtuvo en función al tipo de elemento a drenar. Según Andueza
(1.999), recomienda considerar un período de retorno, seleccionándolo de
acuerdo a la importancia de la vía y de la obra de drenaje. El período de
retorno (Tr) se seleccionó a partir del cuadro 2
Cuadro 2. (Tr) de acuerdo al tipo de obra para Cuencas Rurales
Sistema Período de Retorno (Tr)
Cunetas 5 años
Alcantarillas 10 años
Pontones 10 años
Puentes 50 años
Fuente: Manual de diseño de drenajes en vías (2001).

5. En este caso se calculara para cunetas por lo tanto el período de retorno
seleccionado es: Tr = 5 años
Intensidad de diseño (Id):
Depende de dos factores como lo son: el tiempo de concentración de la
red hídrica (Tc) y el período de retorno (Tr), e implementando la curva de
precipitación (Intensidad-Frecuencia-Duración) de la Región IV perteneciente
a la zona en estudio Region IV Los Andes, figura 1. Obteniendo como
resultado una intensidad de diseño Id = 450lts/seg/Has. Al interceptar la
curva correspondiente al período de retorno (Tr) para 5 años y un tiempo de
concentración (Tc) igual a 5 minutos.
Figura 1: Curva de precipitación (I.D.F) Región IV.
Fuente: Manual de drenaje M.O.P (1.967).
Coeficiente de escorrentía (C):
Depende de varios factores: tipo suelo, pendiente del terreno, y tipo de
cobertura vegetal del área en estudio. Cuyos valores típicos se indican en el
cuadro 3.

6. Cuadro 3. Valores del Coeficiente de Escorrentía
Cobertura
vegetal
Tipo de suelo
Pendiente del terreno
Pronunciada
>50%
Alta
50%-20%
Media
20%-5%
Suave
5%-1%
Despreciable
1%-0%
Vegetación
ligera
Impermeable
Semipermeable
permeable
0.65
0.55
0.35
0.60
0.50
0.30
0.55
0.45
0.25
0.50
0.40
0.20
0.45
0.35
0.15
Fuente: Manual de drenaje M.O.P (1967).
Tomando en cuenta las condiciones de la zona, se estimó utilizar un
coeficiente de escorrentía superficial C = 0.20, la pendiente del terreno
existente se ubica dentro de los parámetros del 5% hasta el 1% con
pendiente suaves y con un tipo de suelo permeable.
1. Estimación del caudal de diseño (Q).
Q = C x I x A
Donde:
Q = Caudal de diseño (m3/seg).
C = Coeficiente de escorrentía C= 0,20
I = Intensidad de precipitación Id = 450lts/seg/has.
A = Área de la micro cuenca para el ejemplo se usa un Área de la
microcuenca igual a A = 5.32 Has.
Qdiseño = 0.20 x 450x5.32/1000
Qdiseño = 0.479m3/seg.

7. Además del método racional también se pueden calcular los
caudales aportantes tanto de la microcuenca como de la carpeta
asfáltica por la ecuación de Manning
De igual manera se debe conocer el área de influencias de la carretera y
la microcuenca para el diseño de los drenajes, así como también los
coeficientes de escorrentías ver cuadro 3. Y la intensidad con la información
hidrológica de la zona y utilizando manning se obtienen los caudales y los
drenajes.
Figura 2. Áreas de influencias para el diseño de los drenajes.
Fuente: Google earth (2016).
Se diseñara una cuneta tipo A.
Caudal de cuneta, Qcuneta=?
Utilizando una pendiente, So = 8,94%= 0,0894
Coeficiente de rugosidad Manning = 0,012 para concreto.
Profundidad de agua Y = 0,33m. según Manual de drenaje M.O.P (1.967)

8. Cálculo cuneta tipo A:
Base de la cuneta:
b1 = 1,00m
b2 = 0,17m
b = b1 + b2
b = 1,00m + 0,17m = 1,17m
Perímetro mojado:
X1 = √ (0,33m)² + (1,00m)²) = 1,05m
X2 = √ (0, 33)² + (0, 17m)²) = 0,37m
Pm = X1 + X2
Pm = 1,05m + 0,37m = 1,42m
Área de cuneta:
A = b x h/2
A =1,17m x 0,33m= 0,193m2
2
Radio hidráulico:
R = A/Pm
R = 0,19m²= 0,136m
1,42m
Velocidad media:

9. En primer lugar se cálculo la velocidad media del caudal en la cuneta
empleando la fórmula de Manning.
𝐕 =
1
𝑛
x 𝑅
2
3⁄
x 𝑆
1
2⁄
V =__1 x (0,136)2/3 x (0,0894)1/2 = 0,30 m/seg
0,012
Volumen de agua proveniente de la microCuenca:
Para un Área=496836,95 m²
Calculo de intensidad aplicando Manning
1mm/h 2,78lt/seg/has
0,158mm/hX
X=0,44lt/seg/hect
Aplicando manning:
Vol. = 0,44lt/seg/hect x 0, 40= 0,176lt/seg/has
Transformando =1,76x10-8 m³/seg/m²
Para la micro Cuenca:
Vol. pav= 1,76x10-8 m³/seg/m² x 496.836,95 m² = 8, 74x10-3 m³/seg.
Volumen de agua proveniente del pavimento:
Se toma para este ejemplo una sección de pavimento de longitud
L=525, 19 m
Para el caso específico en estudio se toma un ancho de canal
a= 4, 60 m
Area=2415, 87 m²
Calculo de intensidad
1mm/h--- 2,78lt/seg/has
0,158mm/h---X
X=0,44lt/seg/has

10. Aplicando manning:
Vol. = 0,44lt/seg/hect x 0, 90= 0,39lt/seg/hect
Transformando =3,90x10-8 m³/seg/m²
Para el pavimento:
Vol. Pav=3,90x10-8 m³/seg/m² x 2415, 87 m²= 0, 09x10-3 m³/seg.
Aporte Total=vol. pavimento + vol. micro cuenca
Aporte Total= 0, 09x10-3 m³/seg..+8, 74x10-3 m³/seg.=8,83x10-3 m³/seg.
En segundo lugar se implementó la ecuación de continuidad para estimar la
capacidad de la cuneta:
Q cuneta = V x A
Q cuneta = 0,30 m/seg x 0,193m²= 0,58m3/seg
Finalmente se evidenció que la cuneta tipo A, a implementar en la zona
tiene la capacidad de conducir el caudal del área en influencia igual a
0,58m3/seg. Es decir tendrá la capacidad de conducir hasta un caudal
máximo de 0,58 m3/seg. En referencia con los 8,83x10¯³ m³/seg. Que nos
genera las precipitaciones propias del sector.

11. EJERCICIOS DE APLICACIÓN.
Ejemplo 1. Calculo de caudal (Método Racional).
Determinar el máximo caudal de descarga que necesita una alcantarilla para
un periodo de retorno de 10 años y 100 años. En Cochabamba, sobre un
área de 90 acres (0.405ha.), zona rural empedrada un 80% y campos (suelo
arcilloso) 20% del área total de drenaje. Dadas las constantes de regresión
para 10 años: a = 185.51 y b = 21.13. Para 100 años: a = 278.85 y b = 23.60.
(Valores del manual de drenaje en pulgadas /hora)
Solución
Paso 1: Recopile la información, datos de la utilización del suelo, información
de la precipitación, topografía y determine el sitio del análisis:
Lugar: Cochabamba
Paso 2: Área Del Drenaje: Del mapa topográfico y en campo, el área de
drenaje en el lugar es de 90 acres. (36.422 ha.)
Uso del suelo: el drenaje es estimado de la siguiente forma: Rural
(empedrado) 80% del área total del drenaje
Suelo arcilloso (pendiente del 2%) 20% del área total del drenaje.
Paso 3.
Superficie = Hierba Media.
Longitud del flujo por tierra = 1500 pies
Pendiente del terreno Promedio = 2,0%.
Longitud del canal principal = 2300 pies. (701.04 m.)
Pendiente del canal = 1,8%.
Paso 4. Calcular el Tiempo total concentración (tc).
El tiempo de concentración en base a la ecuación (8.2):

12. Tiempo de concentración para el canal:
L: longitud del canal en m: 701.04
H: diferencia de altura m.= L * pendiente = 701.04*1.8/100 = 12.62 m.
Reemplazando
Tiempo de concentración para el flujo por la superficie:
L: longitud del canal en m: 457.2
H: diferencia de altura m.= L * pendiente = 457.2*2*100 = 9.144 m.
Reemplazando en 8.2:
El tiempo total de concentración es la suma del flujo por canal mas flujo por
la superficie: 24.05 min.
Paso 5. Determine la intensidad de la precipitación I, usando las constantes
de regresión.
La determinación de la intensidad es en base a curvas IDF o a constantes de
regresión. Dado a = 185.51 y b = 21.13 para 10 años en la ecuación de
intensidad:
Entonces para 10 años se tiene:
Igual a Para 100 años: a = 278.85 y b = 23.60:

13. Paso 6. Determine el coeficiente de escorrentía C, del anexo Fig. 8.15.
Y Cf de la tabla 8.1 se tiene para 10 años Cf = 1.0 y para 100 años Cf = 1.25.
Entonces Cf (10)*C = 0.34 * 1.0 = 0.34 menor a 1.0 OK.
Cf (100) * C = 0.34 * 1.25 = 0.425 OK:
Paso 7. Calculo de Descarga (Qt)
Q = Cf *C *I *A;
Q (10) = 0.34 * 4.1 * 90 = 125.46 pies3/ seg.= 3.553 m3/seg.
Q (100) = 0.425 * 4.1 * 90 = 156.825 pies3/seg. = 4.441 m3/seg.
Cálculo de las Alcantarillas
Se procedió a realizar el cálculo de las alcantarillas, las cuales conducirán
el agua proveniente de las cunetas; se tomó un diámetro d = 36” para las
alcantarillas que se colocaran en el tramo vial, según el Manual de Drenaje
del MOP (1967), un valor de N=0.017 y considerando una pendiente S = 4%.
A continuación se presenta los cálculos para la demostración de la capacidad
de la tubería de forma manual.
Calculo del área de la tubería a sección llena
Am = π R2
Am = π (0.45)2
AM = 0.63 m2

14. Perímetro mojado a sección llena
Pm = 2 x π x R
Pm = 2 x π x 0, 45
Pm = 2.83 m
Radio Hidraulico
RH = Am / Pm
RH = 0.63 / 2.83
RH = 0.22 m
Calculo de la capacidad de la alcantarilla según Manning.
Q = __1 x R2/3 x S1/2 x A
0.017
Q = __1 x (0.22)2/3 x (0.04)1/2 x 0.63
0.017
Q = 2.70 m3/seg (sección llena)
El diámetro de la tubería utilizado, permite realizar las labores de
mantenimiento con facilidad, aunque se encuentra sobreestimada este
diámetro es recomendado para vías importantes, este evitara la obstrucción
por sedimentos y arrastre, la profundidad mínima para la colocación de la
tubería será de 0,50m según las normas del MOP.

16. Tipos de Alcantarilla por su capacidad:
1. Alcantarilla de un tubo: para caudales iguales o menores a 1.2
m3/s
Longitud de transición
Diámetro interno mínimo: Di = 0.51 m
2. Alcantarillas de 2 tubos: para caudales que oscilan entre 0.5 m3/s
y 2.2. m3/s.
Longitud de transición:
Longitud de protección en la entrada
Longitud de protección en la salida:
Diámetro interno mínimo: Di = 0.51 m.
Alcantarilla de 02 ojos:
Para caudales que oscilan entre 1.5 m3/s, y 4.5 m3/s. Sección del ojo =
ancho * altura = D * 1.25 D. Capacidad máxima de la alcantarilla:

17. Entrada y salida con protección de enrocado y con espesor de la capa de
roca de 0.25 m. Longitud de la transición:
𝑳𝒕 = 𝑫 + 𝒃
b= Plantilla del canal Longitud de protección en la entrada
𝑳𝒑 = 𝟑 ∗ 𝑫
Longitud de protección de la salida:
𝑳𝒑 = 𝟓 ∗ 𝑫
Diámetro interno mínimo:
𝑫𝒊 = 𝟎. 𝟖𝟎𝒎
Alcantarilla de 03 Ojos:
Para caudales que oscilan entre 2.3 m3/s y 10.5 m3/s. Sección del ojo =
Ancho * Altura = D * 1.25 D
Entrada y salida con protección de enrocado y con espesor de la capa de
0.25 m. Longitud de transiciones:
𝑳𝒕 = 𝑫 + 𝒃
b= Plantilla del canal Longitud de protección de la entrada: Lp>=3 D
Longitud de la protección de la salida: Lp>= 5 D Diámetro interno mínimo:
𝑫𝒊 = 𝟎. 𝟖𝟎𝒎
Sumideros
Los sumideros son las estructuras encargadas de recoger la escorrentía
de las calles. Se ubican a cado lado de la calle y en la esquina aguas debajo
de cada manzana.

18. Clasificación de los sumideros
En general los sumideros se dividen en cuatro tipos:
 Sumideros de ventana o acera
 Sumideros de reja o calzada
 Sumideros mixtos o combinado
Calculo de la capacidad de caudal de una cuneta
Cuando la sección transversal de la cuneta consiste esencialmente de un
pavimento con pendiente uniforme, el caudal puede ser rápidamente
calculado usando el nomograma de IZZARD para escurrimiento en un
canal triangular (ver Anexo 5.2). Este nomograma es también aplicable a
secciones compuestas de dos o más partes de secciones diferentes.
El nomograma de IZZARD, permite calcular la altura de agua en el bordillo
de acera para un caudal dado o viceversa. En estos cálculos se debe tener
presente que la altura de agua obtenida es para una longitud de cuneta

19. suficiente para establecer un escurrimiento uniforme, siendo esta
longitud probablemente 15m. Invariablemente, una cuneta va gradualmente
acumulando agua de modo que el caudal no es constante a lo largo de su
longitud.
Para el cálculo del caudal en cunetas es posible el empleo de la fórmula
de Manning considerando una sección triangular.
Los valores del coeficiente “n” de Manning adoptados, son los que se
muestran en la tabla 5.4.
Para cunetas con pendientes pequeñas donde es posible la acumulación
de sedimentos, los valores de “n” mencionados en la tabla deben ser
incrementados en 0.002 a 0.005.
Capacidad de drenaje de los sumideros
Ei nomograma de IZZARD fue construido para la siguiente ecuación:

20. Donde:
Q = Caudal de drenaje de la cuneta ( L / s )
Y = Profundidad máxima ( cm.)
Z = Inverso de la pendiente transversal. n = Coeficiente de Manning.
S = Pendiente longitudinal
Se recomienda utilizar el nomograma de Izzard para valores de Z > 8.
Para valores de Z < 8 utilizar la fórmula de Manning.