Modelacion-Hidraulica-HY8.pdf

UNIVERSIDAD DEL CAUCA
CENTRO DE POSGRADOS EN INGENIERÍA CIVIL
ESPECIALIZACIÓN EN INGENIERÍA DE RECURSOS HIDRICOS
Año: 2017
Asignatura: DRENAJE VIAL
Tema 4: OBRAS DE DRENAJE VIAL

TEMA 1: HIDROLOGÍA APLICADA
Morfometría de una cuenca
Coeficientes de escorrentía y períodos de retorno
Caudales de diseño
TEMA 2: HIDRÁULICA APLICADA
Sección hidráulica de diseño para cunetas y alcantarillas
Procedimiento para el estudio de socavación
TEMA 3: ESTRUCTURAS DE DRENAJE
Chequeo hidráulico de alcantarillas y box culvert.
Longitud máxima de cunetas
Diseño de disipadores de energía
Diseño de filtros. Drenaje Sub-superficial
TEMA 4: OBRAS DE DRENAJE VIAL
Obras de drenaje en carreteras
Cálculo de alcantarillas
Modelación hidráulica. Software HY8
BIBLIOGRAFÍA BÁSICA
Invías 2009. Manual de drenaje para carreteras.
SOP, Antioquia. 1985. Obras de drenaje y protección de
carreteras.
Carciente, Jacobo. Estudio y proyecto de carreteras
Crespo V., Carlos. 1973. Vías de comunicación. Caminos,
ferrocarriles y aeropuertos. México
Hydraulic design of highway culverts.pdf.
www.fhwa.dot.gov/engineering/hydraulics/pubs/hds5si.pdf
Hydraulic design of safe bridges.pdf.
www.fhwa.dot.gov/engineering/hydraulics/pubs/hif12018.pdf
UNIVERSIDAD DEL CAUCA
CENTRO DE POSGRADOS EN INGENIERÍA CIVIL
ESPECIALIZACIÓN EN INGENIERÍA DE RECURSOS HIDRICOS 2017
Asignatura: DRENAJE VIAL

OBRAS DE DRENAJE EN CARRETERAS
INTRODUCCIÓN:
Las obras de drenaje son elementos estructurales que facilitan el
escurrimiento y evitan el almacenamiento de agua en una zona
particular.

Para calcular los caudales máximos que van a transcurrir por una
obra hidráulica, se requieren datos de una estación hidrométrica o
de una estación pluviométrica.

OBJETIVOS DE LAS OBRAS DE DRENAJE
- Dar salida al agua que se acumule en el
camino.
- Reducir o eliminar la cantidad de agua
que se dirija hacia una vía.
- Evitar que el agua provoque daños
estructurales.
- De la construcción de las obras de
drenaje, dependerá en gran parte la
facilidad de acceso y la vida útil de la
vía.

DRENAJE
NATURAL
DRENAJE
ARTIFICIAL
FORMAS DE DRENAJE

DRENAJE
LONGITUDINAL
TIPOS DE DRENAJE
DRENAJE
TRANSVERSAL
DRENAJE
SUBTERRANEO

Se construye sobre la superficie
de la vía o terreno, con
funciones de captación, salida,
defensa y cruce, algunas obras
cumplen con varias funciones al
mismo tiempo.
En el drenaje superficial
encontramos:
* Cunetas
* Contra cunetas
* Bombeo
* Zampeados
* Drenaje transversal
DRENAJE LONGITUDINAL
O SUPERFICIAL

Las cunetas son zanjas que se hacen en uno o ambos lados de la
vía, para conducir las aguas provenientes de la corona y lugares
adyacentes hacia un lugar, donde no provoque daños.
DRENAJE SUPERFICIAL
CUNETAS

La función de las contra cunetas es prevenir que llegue a la vía
un exceso de agua o humedad, aunque se ha demostrado que en
muchos casos no es conveniente usarlas, debido a que como se
construyen en la parte aguas arriba de los taludes, provocan
reblandecimientos y derrumbes.
DRENAJE SUPERFICIAL
CONTRA CUNETAS

Es la inclinación que se da a
ambos lados de la vía, para
drenar la superficie del mismo,
evitando que el agua se
encharque provocando
reblandecimientos o que corra por
el centro de la vía causando
daños debido a la erosión
DRENAJE SUPERFICIAL
BOMBEO

Es una protección a la superficie de rodamiento o cunetas, contra
la erosión donde se presentan fuertes pendientes. Se realza con
piedra, concreto ciclópeo o concreto simple.
DRENAJE SUPERFICIAL
ZAMPEADOS

Su finalidad es permitir el paso transversal del agua sobre una
vía, sin obstaculizar el paso.
En el drenaje transversal encontramos:
* Puentes
* Puentes - Vado
* Bóvedas
* Alcantarillas
DRENAJE SUPERFICIAL
DRENAJE TRANSVERSAL

Los puentes son estructuras de más de seis metros de luz, se
distingue de las alcantarillas por el colchón que estas llevan en la
parte superior.
DRENAJE SUPERFICIAL
DRENAJE TRANSVERSAL
PUENTES

El puente - vado, es una estructura
en forma de puente y con
características de vado, que permite
el paso del agua a través de claros
inferiores en niveles ordinarios, y por
la parte superior cuando se
presentan avenidas con aguas
máximas extraordinarias.
DRENAJE SUPERFICIAL
DRENAJE TRANSVERSAL
PUENTES - VADO

Las bóvedas de medio punto construidas con mampostería son
adecuadas cuando requerimos salvar una luz con una altura
grande de la rasante al piso del rio.
DRENAJE SUPERFICIAL
DRENAJE TRANSVERSAL
BOVEDAS

Evacuan las aguas de escorrentía que drenan corrientes de agua
permanentes o estacionales y los caudales de las cunetas, que a
su vez recogen las aguas lluvias que caen sobre la calzada,
pueden ser de forma rectangular, cuadrada, de arco o tubular y
se construyen de concreto, lamina, piedra o madera.
DRENAJE SUPERFICIAL
DRENAJE TRANSVERSAL
ALCANTARILLAS

Es una alcantarilla en forma de caja o cajón, así se conoce como
alcantarillas de cajón.
DRENAJE SUPERFICIAL
DRENAJE TRANSVERSAL
BOX CULVERT

El drenaje subterráneo elimina la humedad que inevitablemente
llega a la vía y así evitar que provoque asentamientos o
deslizamientos de material.
DRENAJE SUBTERRANEO

Las principales partes de una alcantarilla son:
• Encole: Reduce la velocidad y disipa la energía del agua en la
entrada de las obras de drenaje.
• Estructura de entrada: Conduce el flujo hacia la tubería y
estabiliza el terraplén de la vía y/o el terreno natural con: aletas,
solado, muro cabezal, etc.
• Poceta o lavadero: Recibe el agua de drenaje longitudinal
(cunetas). Se utiliza como encole y a veces se encuentra en el
descole con otras estructuras de conducción de agua.
• Muro Cabezal: Contiene el material de la estructura de la vía y
protege la tubería.
• Aletas: Contiene los taludes del terraplén de la vía y/o el terreno
natural.

• Tubería: Garantiza la conducción del flujo de un lado al otro de
la vía, evitando infiltraciones que puedan afectar los materiales
que componen la estructura de pavimento. Los extremos de los
tubos y el diseño de las juntas deben garantizar un encaje
adecuado entre secciones, de manera que formen un conducto
continuo, libre de irregularidades en la línea de flujo.
• Estructura de salida: Entrega el flujo hacia el descole o sitio de
vertimiento de las aguas y estabiliza las zonas aledañas. No se
debe presentar socavación del terreno de cimentación de la
alcantarilla.
• Descole: Reduce la velocidad y disipar la energía del agua en la
salida de obras de drenaje y entrega de manera segura el agua a
canales naturales u otros canales no erosionables.

CALCULO DE ALCANTARILLAS
1. TIPOS DE FLUJO EN ALCANTARILLAS.
Según sean las relaciones entre los
niveles en las secciones Aguas
Arriba (AA) y aguas abajo (aa) de la
alcantarilla, con los parámetros
característicos de ésta (longitud,
diámetro, rugosidad, pendiente, etc)
se distinguen seis tipos diferentes de
flujo en alcantarillas.
El caudal circulante por la alcantarilla
siempre resulta de la aplicación de
un balance de energía entre las secciones que funcionan como controles,
dado que allí se conocen todas las características del flujo.
En el balance de energía se consideran pérdidas por fricción en la llegada
a la alcantarilla (hf1-2), pérdidas localizadas en la entrada (hloc.ent) y
pérdidas distribuidas por fricción a lo largo de la alcantarilla (hf2-3).

ALCANTARILLA TIPO 1.
Si se cumple que:
la alcantarilla funciona como una
tubería con entrada y salida
ahogadas.
El caudal circulante puede calcularse a través de la expresión:

Si se cumple que:
la alcantarilla funciona como una
tubería con entrada ahogada y
salida con flujo lleno.

ALCANTARILLA TIPO 3
Alcantarilla Hidráulicamente Corta
Si se cumple que:
Igual al caso anterior pero funciona
como un orificio.
El caso de flujo tipo 2 o tipo 3 depende de la fricción y la pendiente.
A mayores pendientes y fricciones más pequeñas será flujo tipo 3
Para distinguir los tipos 2 y 3 de flujo se recurre a las curvas de la Figura 1,
construidas por Bodane, donde se considera la pendiente de la alcantarilla
y su relación diámetro-longitud.
El caudal circulante se calcula como si se tratara de un orificio

Si se cumple que:
se tienen condiciones de flujo a
superficie libre en la alcantarilla.
La alcantarilla funciona como un canal de pendiente fuerte en régimen
supercrítico y por tanto se tendrá tirante crítico en la sección de entrada (2).

Si se cumple que:
La alcantarilla funciona como un canal
de pendiente suave en régimen
subcrítico con caída libre en la salida, por lo que se tendrá tirante crítico en
la sección de salida (3).
Para auxiliarse en la diferenciación de los flujos tipo 4 y 5 se recurre a las
Figuras 2 y 3.

Si se cumple que:
La alcantarilla funciona en régimen subcrítico pero, a diferencia de los tipos
de flujo anteriores sin alcanzar el tirante crítico en ninguna sección.

2. PROCEDIMIENTO DE CALCULO.
El término CD corresponde a un coeficiente de descarga, que refleja las
pérdidas localizadas en la alcantarilla.
Para los tipos de flujo 1 y 2 los valores del coeficiente de descarga se
extraen de la Tabla 1; para el tipo 3 se extraen de la Tabla 2 y para los
tipos 4, 5 y 6 se extraen de la Tabla 3.
La Tabla 4 permite calcular el caudal, el área y la conductividad hidráulica
en condiciones de flujo crítico, para un tirante crítico dado, en canales
circulares.
Las figuras 4 y 5 auxilian para el cálculo del caudal circulante en los tipos 4
y 5 de flujo.
Obs: Las pérdidas por fricción se calculan como

Identificación del tipo de flujo
Para el cálculo del caudal, primero se debe identificar el tipo de
escurrimiento, luego calcular el mismo y finalmente verificar si se está en
las condiciones consideradas.
El tipo de escurrimiento puede ser identificado con el siguiente diagrama:

Procedimiento de cálculo
Los tipos 1, 2 y 3 se calculan sin mayor dificultad, utilizando las tablas 1 y 2
y la figura 1.
El tipo 4 (canal en régimen supercrítico) se calcula así:
1. Estimar el coeficiente de descarga con la tabla 3
2. Con la figura 4 estimar yc; luego determinar Qc, Ac, Kc (con auxilio de
tabla 4 si la alcantarilla es circular).
3. Calcular el término cinético en (1) y la pérdida por fricción entre (1) y (2)
con el Qc antes hallado.
4. Calcular Q con la expresión correspondiente al tipo de flujo 4.
5. Si los valores de caudal resultantes de b) y d) no coinciden, suponer un
nuevo yc rehaciendo el procedimiento hasta que los valores coincidan.

El tipo 5 (canal en régimen subcrítico con tirante crítico a la salida) se
calcula con el siguiente procedimiento:
2. Con la figura 4 estimar un primer valor de yc determinando luego Qc, Ac,
Kc (con la tabla 4 si la alcantarilla es circular).
3. Con la figura 5 (paramétrica en Q2 / 2gC2 (h1-z)D4) estimar el tirante en
(2) y determinar luego K2
4. Calcular el término cinético en (1), la pérdida por fricción entre (1) y (2) y
la pérdida por fricción entre (2) y (3) con el Qc antes hallado.
5. Calcular la carga a la salida de la alcantarilla
6. Corregir la estimación inicial de yc con el valor H/D y la figura 4.
7. A partir del nuevo yc estimado determinar nuevamente Qc, Ac, Kc.
8. Volver a estimar el tirante en (2) con la figura 5 y calcular K2 y la pérdida
por fricción entre (2) y (3) con el nuevo valor de Qc antes hallado.
10. Si los valores de caudal resultantes no coinciden, suponer un nuevo yc
hasta que los valores coincidan.

El tipo 6 (flujo subcrítico en todo el canal) se calcula así:
2. Con y3 calcular A3, K3 (con la tabla 4 si la alcantarilla es circular)
3. Con la figura 4 estimar yc; y luego determinar Qc (con la tabla 4 si la
alcantarilla es circular)
4. Suponer un valor de caudal Q inferior al Qc y un tirante en (2) en función
del tipo de canal. Para ello se determina la pendiente crítica y en caso de
que So<Sc entonces y2>y3; en caso contrario (So>Sc) se elige y2<y3
5. Con el valor de y2 supuesto, calcular el término cinético en (2) y la
pérdida por fricción entre (1) y (2) utilizando el Q antes supuesto.
6. Verificar si se cumple la expresión
7. Si la expresión anterior no se cumple repetir el cálculo suponiendo un
nuevo y2 hasta verificar la expresión anterior (balance entre 1 y 2).
8. Calcular la pérdida por fricción entre (2) y (3) utilizando el Q antes
supuesto.
10. Si el valor de caudal supuesto no coincide con el resultante, suponer un
nuevo Q y rehacer el cálculo hasta que los valores de caudal coincidan.

r , w , r ó w.
b b D D
Cd
0,00 0,84
0,02 0,88
0,04 0,91
0,06 0,94
0,08 0,96
0,10 0,97
0,12 0,98
Tabla 1. Coeficientes de descarga para alcantarillas rectangulares y
circulares para flujo tipo 1 y 2

h1 - Z
D
r , w , r ó w .
b b D D.
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,14
1,4 0,44 0,46 0,49 0,50 0,50 0,51 0,51
1,5 0,46 0,49 0,52 0,53 0,53 0,54 0,54
1,6 0,47 0,51 0,54 0,55 0,55 0,56 0,56
1,7 0,48 0,52 0,55 0,57 0,57 0,57 0,57
1,8 0,49 0,54 0,57 0,58 0,58 0,58 0,58
1,9 0,50 0,55 0,58 0,59 0,60 0,60 0,60
2,0 0,51 0.56 0,59 0,60 0,61 0,61 0,62
2,5 0,54 0,59 0,62 0,64 0,64 0,65 0,66
3,0 0,55 0,61 0,64 0,66 0,67 0,69 0,70
3,5 0,57 0,62 0,65 0.67 0,69 0,70 0,71
4,0 0,58 0,63 0,66 0,68 0,70 0,71 0,72
5,0 0,59 0,64 0,67 0,69 0,71 0,72 0,73
circulares para flujo tipo 3

h1 - Z
D
r , w , r ó w .
b b D D.
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14
0,4 0,93 0,967 1,004 1,042 1,079 1,079 1,107 1,116
0,6 0,925 0,962 0,999 1,036 1,073 1,092 1,101 1,110
0,8 0,915 0,952 0,988 1,025 1,061 1,080 1,089 1,098
1,0 0,88 0,915 0,950 0,986 1,021 1,038 1,047 1,056
1,2 0,86 0,894 0,929 0,963 0998 1,015 1,023 1,032
1,4 0,83 0,863 0,896 0,930 0,963 0,979 0,988 0,996
circulares para flujo tipo 4,5 y 6

Figura 1a. Criterios para alcantarillas cuadradas o circulares

Figura 1b. Criterios para alcantarillas hidráulicamente cortas o largas
con cuerpos rugosos hechos de tubería corrugada (U.S. Geological
Survey (las unidades están en sistema inglés)

Figura 2. Criterio para diferenciar los flujos tipo 4 y 5 (circular)
Las unidades son en sistema métrico

Figura 3. Criterio para diferenciar los flujos tipo 4 y 5 (rectangular)
Las unidades son en sistema métrico

Figura 4. Relación entre
y1/D, Cd y tirante crítico
para alcantarillas
circulares y circulares
de arco (Bodhaina,
1976).
Sugiere un primer valor
que requiere posterior
ajuste.

Figura 5. Relación entre
carga y profundidad de
agua en la sección de
entrada para flujo tipo 5

Tabla 4.

Modelación hidráulica: Software HY8

El HY8 es una colección de programas desarrollada por la FEDERAL
HIGHWAY ADMINISTRATION (FHWA) para el análisis y el diseño de
alcantarillas.
Se compone de cuatro módulos:
1. Módulo de análisis de alcantarillas
2. Módulo de generación de hidrogramas
3. Módulo de tránsito de hidrogramas
4. Módulo para el diseño de estructuras de disipación de energía.
El módulo de análisis de alcantarillas, se desarrolla en alcantarillas con control
a la entrada y a la salida, además, modela desbordamiento o flujo sobre la vía.
Para control a la salida:
Si Hw/D ≥ 0.75 los cálculos son aceptables
Si Hw/D < 0.75 no son exactos y se debe calcular un perfil de flujo.
Permite revisar el funcionamiento hidráulico de alcantarillas con secciones
circulares, rectangulares, elípticas, en arco o definidas por el usuario.

El programa modela un sistema de hasta 6 diferentes conductos paralelos,
teniendo cada uno diferente número de tuberías, secciones transversales,
cotas, pendientes y longitudes.
Cuando las tuberías tienen iguales características de sección, longitud, cotas y
condiciones de entrada y salida, corresponden a un solo tipo de conducto.
También modela el canal de salida, tomando una sección regular o irregular, a
partir de la cual calcula el valor de TW asumiendo flujo uniforme.
Por último, el programa es capaz de generar informes de los análisis
hidráulicos ejecutados.

- Datos de entrada
- De caudales: caudal mínimo, de diseño y máximo, con los cuales elabora
una curva de calibración de la alcantarilla (Hw. vs. Q).
- Del descole: sección, pendiente, rugosidad, cota en la alcantarilla.
- De la vía: perfil de la vía, longitud, ancho y cota del tramo de vía susceptible
de funcionar como vertedero, tipo de superficie (grava, pavimento, otra).
- De la alcantarilla: sección, longitud, rugosidad, número de tubos o celdas,
tipo y condiciones de entrada, cotas batea entrada y salida.

Ejemplo 1
Una cuneta transporta un caudal Q= 200 l/s, para lo cual es necesario
proyectar una alcantarilla en la abscisa K44+440.
Verificar el funcionamiento de la alcantarilla.

Ejemplo 1
Yn= 0,18m
D=0.9 m
q
Yc= 0,26m

Ejemplo 2
Diseñar una alcantarilla multicelda para pasar 13 m3/s debajo de una
carretera de terraplén bajo, que cruza una planicie de inundación.
El nivel del terreno (cota) en la entrada de la alcantarilla es de 100 m y se
espera que el nivel agua (carga de diseño) correspondiente a este caudal
no supere la cota 101.5m.
El ancho de terraplén y plataforma es 12m y una cota 103 m.
La longitud de la alcantarilla es de 20 m.
La pendiente del terreno es de 0.3%.
La sección del cauce aguas abajo es trapecial con ancho de base de 16 m,
taludes 1:0.75 y una rugosidad de (n=0.030).
Se usa tubería de concreto reforzado de DN 60" (152cm) (n=0.014).
La entrada tendrá aleros y muro cabezal con bordes cuadrados (tabla
15.3: Circular concrete Square edge w/headwall)
¿Determinar el número de alcantarillas necesarias para pasar el caudal de
diseño sin causar ningún incremento en el nivel de la carga de diseño?

Ejemplo 2
QT= 13 m3/s. Caudal total que se desea hacer pasar
Cotae= 100 m. Cota terreno en la entrada de la alcantarilla
Cotadis= 101.5 m. Cota del nivel del agua aguas arriba (cota admisible o
de diseño)
L= 20 m. Longitud de la alcantarilla
So= 0.003 m/m. Pendiente de la alcantarilla y del cause aguas abajo, por
ser una planicie de inundación
n= 0.014. Rugosidad de la alcantarilla de concreto
DN= 60 Pulg. Diámetro nominal de la tubería
D= 1.52 m. Diámetro de calculo de la tubería.
Hdis= cotadis - cotae
Hdis= 1.5 m. Carga de diseño
Cotas= cotae - So * L
Cotas= 99.94 m. Cota terreno en la salida de la alcantarilla.

Ejemplo 2
Datos de río aguas abajo:
b= 16 m. Ancho de la base del cause aguas abajo
Z= 0.75. Relación de talud
nt= 0.03. Rugosidad del río aguas abajo
Datos de terraplen y plataforma:
Cotap= 103 m. Cota de plataforma
Bp= 12 m. Ancho de plataforma

Ejemplo 2
1. Abrimos el programa HY-8
2. Cambiamos las unidades al sistema internacional
3. En “New culvert crossing” habilita una ventana para los datos de calculo

Ejemplo 2
4. En el cuadro de “Name” escribimos el nombre del proyecto

Ejemplo 2
5. En “Desing Flow” y” Maximun Flow” escribimos el caudal total [m3/s].
6. En el cuadro de “Tailwater data” van los datos del cauce aguas abajo.
Se selecciona en el cuadro de “Channel Type” el tipo de sección del río
aguas abajo, en este caso es trapezoidal.

Ejemplo 2
7. Bottom Width: Ancho de la base del río aguas abajo, en m.
Side Slope (H:V): Relación de talud “Z”
Channel Slope: Pendiente del río aguas abajo, en m/m.
Manning’s n (channel): Coeficiente de rugosidad de Manning del cauce
aguas abajo
Channel Invert Elevation: Cota de inicio del río aguas abajo en m, en este
caso como la topografía es planicie de inundación, la cota de inicio del río
aguas abajo llegaría a ser la misma cota de salida de la alcantarilla.

Ejemplo 2
8. Crest Length: Longitud de la cresta en m. Este dato no se da en el
ejemplo, pero debemos dar una distancia mayor que la base del río aguas
abajo, de todos modos dar una distancia del doble o triple no influye en los
cálculos.
Crest Elevation: Cota de plataforma, en m.
Top Width: Ancho de plataforma, en m

Ejemplo 2
9. En CULVERT DATA colocar los datos del conducto.
Shape: Escoger el tipo de conducto, ya sea cuadrada circular etc.
Material: Escoger el tipo de material del conducto.
Diameter: Colocar el diámetro de la alcantarilla en mm
Manning’s n: Colocar el coeficiente de rugosidad del material del conducto

Ejemplo 2
10. Inlet Elevation: Colocar la cota de terreno en la entrada de la
alcantarilla en m
Outlet Station: Colocar la longitud de la alcantarilla en m
Outlet Elevation: Colocar la cota de salida de la alcantarilla
Number of Barrels: Colocar el número de conductos (En este ejemplo
como se pide diseñar una alcantarilla multicelda, es decir calcular el
número de alcantarillas necesarias para hacer cruzar el caudal total, se
debe probar tentativamente con distintos números de alcantarillas, hasta
obtener la mas optima de acuerdo a la carga de diseño “Hdis” es decir la
carga calculada “Hw”aguas arriba debe ser menor o igual a la carga de
diseño (Hw≤Hdis)). Finalmente aceptamos “OK”

Ejemplo 2
11. Como resultado obtenemos el siguiente esquema. Para ver los
resultados vamos a “Run Análisis”

Ejemplo 2
12. Se habilita la ventana, en donde vamos a “Culvert Summry Table” y en
este cuadro se puede ver los resultados que deseamos

Ejemplo 2
13. En “wáter Surface Profiles” podemos ver algunos resultados

Ejemplo 2
14. Para probar con otro número de alcantarillas solo debemos ir
nuevamente a ”New culvert crossing” y en ella cambiar solo el número de
alcantarillas aceptar y nuevamente ir la ventana anterior de resultados.
En este ejemplo: HW ≤ Hdis (se debe cumplir esta condición)
Hdis= 1.5m (Carga de diseño)
Hw= 1.31m (Carga calculado aguas arriba)
Como: Hw < Hdis OK

Ejemplo 3
Se requiere diseñar el cruce de una corriente de agua localizada en el
K45+130.
Esta corriente tiene un caudal de 3.11 m3/s para un período de retorno de
20 años, una pendiente aguas abajo del 1% y su sección se puede
asemejar a un trapecio de base 2 m y taludes laterales 1V:1H.
El material de la quebrada es predominantemente tierra, con un coeficiente
de rugosidad n= 0.035.
La alcantarilla se proyecta con un ángulo de sesgo horizontal de 81°, que
corresponde a la orientación natural de la quebrada con respecto a la vía.
En cuanto a su alineamiento vertical, la alcantarilla se proyecta
inicialmente siguiendo la pendiente natural de la quebrada, S= 14.35%.
Tanto la estructura de entrada como la de salida, se proyectan con un
muro de cabezote y aletas, con un ángulo de 45°.

Ejemplo 3
Solución
Para el diseño de la alcantarilla se emplea el software HY-8, cuya pantalla
para entrada de datos se presenta en la figura siguiente.
Los datos corresponden a la información geométrica de la vía, de la
alcantarilla y a los caudales.

Ejemplo 3
Se asume una estructura tipo alcantarilla de cajón en concreto de 1.5x1.5
m de dimensiones, con un coeficiente de rugosidad de 0.014.
Los resultados del análisis se presentan en la siguiente figura:

Ejemplo 3
Tabla de resultados y perfil del flujo en la alcantarilla de 1.5mx1.5 m
Se observa que para el caudal de 3.11 m3/s, la altura Hw es de 1.07 m, es
decir Hw/D=0.71, valor menor a 1.20 y, por lo tanto, dentro de las
recomendaciones de diseño.
Los resultados muestran, también, que el flujo es supercrítico con control a
la entrada, lo que representa un funcionamiento hidráulico adecuado. Sin
embargo, la velocidad a la salida del conducto (7.98 m/s) es bastante alta
y muy superior a la del canal de salida (1.71 m/s), siendo necesario
aumentar la resistencia del concreto y modificar la pendiente del conducto,
disminuyéndola o empleando un fondo escalonado.
Sin embargo, dado el gran transporte de sedimentos y la longitud de la
alcantarilla, se decide emplear una alcantarilla de cajón de dimensiones
2.0mx2.0 m y una pendiente de 5%, con lo que su longitud se disminuye a
23.14 m.

Ejemplo 3
Si se realiza el mismo ejercicio con una alcantarilla de cajón de
dimensiones 1.0x1.0 m, la relación Hw/D alcanza un valor de 1.81, es
decir, la dimensión de 1.0x1.0 es insuficiente, aunque el flujo no se
desborde sobre la vía.

Ejemplo 3
Con las nuevas características de la alcantarilla, mostradas en la figura
anterior, el funcionamiento hidráulico arrojado por el software HY-8 es:

Ejemplo 3
El flujo en la alcantarilla continúa siendo supercrítico con control a la
entrada, llegando el valor de Hw a 0.92 m, con lo que Hw/D=0.46, lo que
aparentemente podría significar el sobredimensionamiento de la sección;
sin embargo, si se considera el arrastre de sólidos y el mantenimiento de
la estructura, la estructura es adecuada.
La velocidad en la salida de la alcantarilla es de 5.04 m/s, apropiada para
concretos convencionales.
Como obra complementaria para protección del talud y disipación de
energía, es necesario proyectar a la salida de la alcantarilla, una rápida
escalonada.

Modelacion-Hidraulica-HY8.pdf

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