El documento presenta información sobre el diseño de obras de drenaje en carreteras, incluyendo definiciones y tipos de alcantarillas, variables hidráulicas, criterios de diseño, programas de cómputo y cuadros comparativos. Explica conceptos como alcantarilla, pendiente longitudinal, tipos de alcantarillas según capacidad, tipos de cabeza, y programas como HEC-RAS, HY-8 y HYDROCULVERT para el cálculo hidráulico.

1. DISEÑO DE OBRAS DE DRENAJE
EN CARRETERAS
Ing. José Martín Diaz Arias
Satipo, Junio 2014

2. 2 ALCANTARILLAS
Se define como alcantarilla a la estructura cuya luz sea menor a
6.0 m y su función es evacuar el flujo superficial proveniente de
cursos naturales o artificiales que interceptan la carretera.
En la proyección e instalación de alcantarillas el aspecto técnico
debe prevalecer sobre el aspecto económico, es decir que no
pueden sacrificarse ciertas características hidráulicas sólo con el
objetivo de reducir los costos.
Sin embargo, es recomendable que la ubicación, alineamiento y
pendiente que se elija para cada caso, estará sujeta al buen
juicio del especialista, quien deberá estudiar los aspectos
hidrológicos, hidráulicos, estructurales y fenómenos de
geodinámica externa de origen hídrico, para obtener finalmente
la solución más adecuada compatible con los costos,
operatividad, servicialidad y seguridad de la carretera.

3. Comparación entre alcantarilla - puente

4. Secciones típicas de alcantarillas

5. Secciones de alcantarillas con fondo natural

6. Variables hidráulicas en alcantarillas

7. Variables hidráulicas en alcantarillas

8. Control al ingreso

9. Control al ingreso

10. Control a la salida

11. Control a la salida

12. Flujo sobre la alcantarilla

13. Flujo
sobre la
carretera

14. Alcantarilla de perfil tipo sifón invertido

15. Alcantarilla de alineamiento curvo

16. Alcantarilla múltiple con un ojo para flujo mínimo

17. Alcantarilla de 3 tramos

18. Alcantarilla de 2 tramos

19. Diseño hidráulico
con ábacos

20. Criterios de diseño de alcantarillas
Ubicación en planta
La ubicación en planta ideal es la que sigue la dirección de la corriente,
sin embargo, según requerimiento del Proyecto la ubicación natural
puede desplazarse, lo cual implica el acondicionamiento del cauce, a
la entrada y salida con la construcción de obras de encauzamiento u
otras obras complementarias. Se debe, elaborar una relación de
alcantarillas completa con una columna para indicar el Angulo de
esviaje de la alcantarilla con respecto a la vía. En las curvas se indica
la palabra, “radial”.
Pendiente longitudinal
La pendiente longitudinal de la alcantarilla debe ser tal que no altere
desmesuradamente los procesos geomorfológicos, como la erosión y
sedimentación, por ello, los cambios de pendiente deben ser
estudiados en forma cuidadosa, para no incidir en dichos procesos
que pueden provocar el colapso de la estructura. Para las
alcantarillas pluviales y donde sea posible, se recomienda mantener
una pendiente de 2%.

21. TIPOS DE ALCANTARILLAS MAS COMUNES:
En general para carreteras en zonas lluviosas se recomiendan los siguientes tipos de alcantarillas y
pontones:
Tipo Función
Tipo de Caudal y capacidad
máxima estimada
TMC 600 mm
Ó tubos de concreto
Solamente como pase de riego. Qmax = 0.40 m3/s
TMC 900 mm Pluvial, de dimensiones mínimas
por mantenimiento
Qmax = 0.90 m3/s
TMC 1200 mm Para quebradas menores Qmax =1.20 m3/s
TMC 1500 mm Para quebradas medianas Qmax= 2.00 m3/s
TMC 1800 mm Para quebradas grandes Qmax= 4.00 m3/s
Marcos de concreto Quebradas Caudal variable, poca cobertura
de la carretera.

22. OTRAS OBRAS DE ARTE TRANSVERSALES
Tipo Función
Tipo de Caudal y capacidad
máxima estimada
Badén Quebradas Arrastre de sedimentos, huaycos,
caída de rocas etc.
Pontones, L> 6 m Quebradas grandes Arrastre de sedimentos, huaycos,
caída de rocas etc.
Puentes, L> 10 m Quebradas grandes, Ríos Se requiere estudio de
hidrología, socavación, etc. Gran
caudal, arrastre de sedimentos,
huaycos, caída de rocas etc.

23. TIPOS DE CABEZALES
Tipo Alero.- Es el más común, cuando el ancho de la quebrada se
debe reducir para conducir el agua hacia el ingreso de la alcantarilla
TMC. Puede ser a la entrada y a la salida de la alcantarilla.
Tipo Cajón.- Solamente se usa a la entrada de las alcantarillas y
sirva para contener el agua de las cunetas hacia la alcantarilla, tiene
que tener un nivel de ingreso por debajo de la cota del tubo (10 cm)
para los sedimentos y piedras. En las paredes verticales se pueden
apreciar las descargas de los subdrenes. También se puede usar en
un sector de corte en roca.
Tipo Muro.- Es de altura variable y se puede usar para descargar el
agua pluvial y se recomienda que solamente tengan una caída de 2 a
3 m como máximo dependiendo del material donde se descarga. En
la planta, el muro puede ser de mucho mayor longitud que el
requerido por la alcantarilla para asegurar la contención de la
plataforma.

24. Cuadro comparativo entre alcantarillas TMC y alcantarillas tipo Marco
Parámetro TMC Marco de concreto
armado
Comentarios
Costos Menor costo Mayor costo Depende mucho de los
agregados
Rapidez de
construcción
Rápido Normal Mejor es la TMC
Rugosidad 0.024 0.015 El concreto tiene mayor
capacidad hidráulica
Calculo hidráulico Ábacos HDS05
HEC RAS
HY8
Ábacos HDS05
HEC RAS
HY8
El cálculo es similar, varían
los coeficientes y ábacos.
Relleno controlado Si requiere un relleno
estructura para que
funcione
No requiere un
relleno estructural, el
marco es
autoportante
Sin embargo el pavimento si
require un control de los
rellenos estructurales en
ambos casos.
Velocidad máxima Depende del espesor de
la plancha metálica
Depende de la
calidad del concreto
y el recubrimiento.
En ambos casos v max < 5 m/s
Cabezales De concreto De concreto Son iguales

25. Cuadro comparativo entre alcantarillas TMC y alcantarillas tipo Marco
Parámetro TMC Marco de concreto
armado
Comentarios
Recubrimiento 0.60 m 0.00 Si marco de concreto se
refuerza puede quedar a nivel
de rodadura.
Limpieza La corruga puede
atrapar sedimentos,
piedras, palizadas
El acabado liso
permite una mejor
limpieza del interior
Mejor el marco de concreto
Pendiente longitudinal Entre 2% y 5% Entre 2% y 5 %, pero
permite gradas,
cambios de
pendiente, etc.
Mejor la alcantarilla Marco
Sección transversal Circular
Abovedada
Arco superior
Super SPAN
Rectangular,
Puede tomar
cualquier forma.
Debido a los encofrados
Resistencia a la
abrasión
No resiste arrastre de
sedimentos permanente.
Puede resistir mejor
el arrastre de
sedimentos
Para flujos constantes es
mejor una alcantarilla Marco
Mantenimiento Es fácil de cambiar los
paños dañados.
Resanar, picar y
cambiar los hierros
oxidados, usar
epóxidos como
puente de adherencia.
Es mejor la TMC para el
mantenimiento.

26. Algunos Programas de Cómputo para
calcular alcantarillas
- HEC RAS
- HY8
- HYDROCULVERT

27. Programa HY8

28. Programa HY8

29. Programa HY8

30. Programa HY8
Modulo de
disipación de
energía a la
salida

31. Programa HY8

32. Programa HY8
Total
Discharge
(cms)
Culvert
Discharge
(cms)
Headwater
Elevation
(m)
Inlet
Control
Depth (m)
Outlet
Control
Depth (m)
Flow
Type
Normal
Depth (m)
Critical
Depth (m)
Outlet
Depth (m)
Tailwater
Depth (m)
Outlet
Velocity
(m/s)
Tailwater
Velocity
(m/s)
0.00 0.00 266.20 0.000 0.000 0-NF 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
0.40 0.40 266.62 0.418 0.130 1-S2n 0.276 0.315 0.277 0.026 1.785 2.520
0.80 0.80 266.80 0.603 0.277 1-S2n 0.387 0.451 0.393 0.040 2.163 3.320
1.20 1.20 266.95 0.751 0.404 1-S2n 0.477 0.556 0.485 0.051 2.416 3.901
1.60 1.60 267.10 0.901 0.523 1-S2n 0.559 0.646 0.567 0.061 2.616 4.371
2.00 2.00 267.23 1.029 0.641 1-S2n 0.630 0.727 0.641 0.070 2.774 4.773
2.23 2.23 267.30 1.097 0.0* 1-S2n 0.671 0.769 0.681 0.075 2.856 4.983
2.80 2.80 267.45 1.254 0.880 1-S2n 0.766 0.866 0.777 0.086 3.028 5.449
3.20 3.20 267.56 1.362 1.005 1-S2n 0.831 0.928 0.842 0.093 3.135 5.741
3.60 3.60 267.67 1.472 1.135 1-S2n 0.896 0.987 0.906 0.100 3.230 6.014
4.00 4.00 267.79 1.589 1.269 5-S2n 0.962 1.041 0.969 0.106 3.311 6.268

33. Programa HY8

34. Programa HYDROCULV

35. Programa HYDROCULV

36. Programa HYDROCULV

37. Programa HYDROCULV

38. Programa HYDROCULV

39. Programa HYDROCULV