Semana 14

SISTEMAS DE DRENAJE

INTRODUCCIÓN Los caminos producen una alteración en el drenaje natural, de forma particular en las laderas por las que discurren, e interceptan los cauces de agua; en esta misma línea, la escorrentía superficial corta los caminos en forma de regueros de diferente caudal. Estas alteraciones requieren soluciones de drenaje diferentes; por un lado, será necesario actuar sobre los puntos en los que se corta un drenaje importante (cauce o arroyo) y, por otro, en aquellos en los que hay un cambio de sentido de la pendiente de la rasante. 
El objetivo principal del drenaje de caminos es el de reducir o eliminar la energía generada por una corriente de agua y evitar la presencia de agua o humedad excesiva en la calzada, ya que ésta puede repercutir negativamente en las propiedades mecánicas de los materiales con que fue constituida; esto hace que la previsión de un drenaje adecuado sea un aspecto vital para el diseño de caminos. 
Muchos de los problemas asociados al drenaje pueden ser evitados a la hora de trazar y diseñar el camino, por lo que resulta necesario incluir el sistema de drenaje durante la alineación y planeamiento del mismo. Para que éste sea eficaz, durante su periodo de vida se deberán satisfacer dos criterios fundamentales: 
  • Se debe alterar lo menos posible la red de drenaje natural. 
  • Se debe drenar el agua superficial y subsuperficial del camino y esparcirla de tal forma que se impida la acumulación excesiva en zonas inestables y la erosión ulterior aguas abajo. 

CRITERIOS A TENER EN CUENTA El proyecto deberá tener en cuenta las pautas con que se han elegido los sistemas de drenaje, así como el saneamiento de los caminos y las superficies de actuación, de acuerdo a criterios de: 

•  Eficacia.
•  Seguridad de los usuarios (peatonal, bicicletas, vehículos de mantenimiento, vehículos autorizados, etc.).
•  Facilidad constructiva.
•  Durabilidad.
•  Mantenimiento necesario y su frecuencia.
•  Satisfacción desde el punto de vista constructivo.
•  Minimización del impacto. 

En algunos casos, la posibilidad de aplicación de los criterios anteriores puede verse limitada por la naturaleza del camino o por su ubicación territorial. El proyecto de un camino o senda natural, una vez aplicados los criterios mencionados, incluirá una combinación de drenajes superficiales y profundos que favorezca la evacuación de las aguas sobrantes.

 Drenaje transversal  Las obras de drenaje transversal deberán perturbar lo menos posible la circulación del agua por el cauce natural, sin excesivas sobreelevaciones del nivel del agua por posibles aterramientos, ni aumentos de velocidad debidos a erosiones potenciales aguas abajo. 
A continuación se exponen los criterios a considerar para este tipo de obras: 
a) Planta. Las obras de drenaje transversal se dispondrán, a ser posible, en dirección coincidente con el cauce natural. 
b) Perfil. En la medida de lo posible, se tratará de ajustar el perfil de la obra de drenaje transversal al perfil del lecho del cauce. 
c) Sección. Se procurará respetar las dimensiones del cauce natural y no provocar fuertes estrechamientos, recurriendo para ello a un sobredimensionamiento.

 Al margen de los criterios expuestos, hay que tener en cuenta que para la ejecución de cualquier obra de drenaje transversal en cauces de dominio público hidráulico será necesario obtener la preceptiva autorización por parte de la Administración Hidráulica competente.
 Para vadear estos cauces naturales se dispone de dos opciones: mediante pequeños puentes y pasarelas (losa sobre estribos) o mediante obras de fábrica (caños de diferentes materiales y marcos de hormigón prefabricado). Comparando ambas opciones, se puede afirmar que la primera de ellas es más costosa, y constructivamente más complicada, aunque también ofrece soluciones más estéticas que las obras de fábrica. 
Por lo general, los pequeños puentes o pasarelas se colocarán sobre cauces de agua más o menos permanentes y con poca sección. Las pasarelas suelen estar formadas por piezas prefabricadas de madera tratada, piezas mixtas (madera y metal) o losas de hormigón armado; tienen luces comprendidas entre 4 y 10 m, compuestas por un solo vano, con estribos en hormigón armado, piedra del lugar y situados fuera del cauce. La principal ventaja que presentan las pasarelas frente a los caños es que no se aterran u obturan y tienen mejor comportamiento hidráulico. 
En el capítulo dedicado a se hace especial referencia a este tipo de obras. 

Para pequeños cauces lo más conveniente es la colocación de un paso sobre marcos de hormigón prefabricado; de esta forma, se altera menos la morfología del cauce y se mejora el comportamiento hidráulico respecto a un tubo o batería de tubos.

Badenes El badén es un tipo de obra de drenaje que se adecúa a las características geométricas del cauce y tiene por objeto facilitar el tránsito estable tanto de personas como de vehículos. El badén debe tener una longitud aproximadamente igual al ancho del cauce, de manera que la geometría natural del cauce no se vea alterada. Además, a veces se disponen badenes o tramos de camino a menor cota, especialmente preparados para que las aguas, a partir de un cierto caudal, los desborden, ayudando así a las pequeñas obras de drenaje transversal colocadas aguas arriba del badén. Entre los factores que se deben tomar en cuenta para el diseño y localización de un badén se incluyen los siguientes: 

• Niveles mínimos y máximos de agua para el diseño. 
• Condiciones de la cimentación. 
• Geometría de la sección transversal del cauce. 
• Potencial de socavación. 
• Protección aguas abajo de la estructura contra la socavación. 
• Estabilidad del cauce y de las márgenes. 
• Materiales de construcción disponibles.

Los badenes pueden ofrecer una alternativa satisfactoria al uso de tubos y puentes para el cruce de arroyos en caminos de bajo volumen de tránsito, siempre que el uso de la vía y las condiciones de flujo del arroyo sean las adecuadas. Éstos se deben construir en lugares estrechos a lo largo del cauce y ubicarse en zonas con buenas condiciones de cimentación y no debe usarse para el paso de cauces de gran profundidad que implican rellenos altos.

Semana 13

DRENAJE EN CARRETERAS

En una carretera, el sistema de drenaje es el conjunto de obras que permiten un manejo adecuado de los fluidos, para la cual es indispensable considerar los procesos de captación, conducción, y evacuación de los mismos.

El exceso de agua u otros fluidos en los suelos o en la estructura de una carretera, afecta sus propiedades geo mecánicas, los mecanismos de transferencia de carga, presiones de poros, subpresiones de flujos, presiones hidrostáticas, e incrementa la susceptibilidad a los cambios volumétricos. Por tal motivo, y aun cuando el agua es un elemento fundamental para la vida, es una de las causas más relevantes del deterioro prematuro de la infraestructura vial. 

1..-Objetivos de los drenajes en carreteras

El objetivo de este tipo de obras  es el de conducir las aguas de escorrentía o de flujo superficial, rápida y controladamente hasta su disposición final. De esta manera, se convierten en un soporte importante para el control de la erosión en taludes y la protección de la estructura del pavimento, permitiendo la rápida evacuación del agua, que además de afectar la estructura, afecta la seguridad de los usuarios.

2.-Importancia del drenaje

- El agua no drenada altera las propiedades de los materiales en las calles y facilita su rápida       deformación y destrucción.

- Hace perder resistencia a las bases y suelo.

- Se garantiza más durabilidad de la carretera en construcción.

3.- Criterios de diseño

A la hora de proyectar el drenaje de una carretera deben tenerse presentes una serie de factores que influyen directamente en el tipo de sistema más adecuado, así como en su posterior funcionalidad. Los más destacables son:

• Factores topográficos:

Dentro de este grupo se engloban circunstancias de tipo físico, tales como la ubicación de la carretera respecto del terreno natural contiguo- en desmonte, terraplén o a media ladera, la tipología del relieve existente- llano, ondulado, accidentado- o a la disposición de sus pendientes en referencia a la vía.

• Factores hidrológicos:

Hacen referencia al área de la cuenca de recepción y aporte de aguas superficiales que afectan directamente a la carretera, así como la presencia, nivel y caudal de las aguas subterráneas que puedan infiltrarse en las capas inferiores del firme.

• Factores geotécnicos:

La naturaleza y características de los suelos existentes en la zona condicionada la facilidad con la que el agua puede llegar a la via desde su punto de origen, así como la posibilidad de que ocasione corrimientos o una erosión excesiva del terreno. Las propiedades a considerar son aquellas que afectan a su permeabilidad, homogeneidad, estratificación o compacidad, influyendo también la existencia de vegetación.

4.- Drenaje superficial

Conjunto de obras destinadas a la recogida de las aguas pluviales o de deshielo, su canalización y evacuación a los cauces naturales, sistemas de alcantarillado o a la capa freática del terreno.

Son obras que actúan directamente sobre la carretera y las obras para el control de erosión de taludes que resultan ser muy importantes en la estabilidad de la vía.

Las obras de drenaje superficial que trabajan directamente sobre la carretera se consideran como longitudinales o transversales, según la posición que estas guarden con respecto al eje de la vía.

4.1.-Drenaje longitudinal:

Permite el paso del agua a través de los cauces naturales bloqueados por la infraestructura viaria, de forma que no se produzcan destrozos en esta última.

Tiene por objeto captar los flujos de agua para evitar que lleguen a la vía  o permanezcan en ella causando desperfectos. A este grupo pertenecen las cunetas,  bordillos, sumideros, arquetas y bajantes.

Actúa  a modo de by-pass, ofreciendo al agua un camino alternativo para que no interfiera con la carretera.

El sistema de drenaje longitudinal lo integran tres tipos de dispositivos funcionales:

• Elementos de canalización.- Recogen las aguas pluviales.
• Elementos de desagüe.- Alivian el caudal de los anteriores, facilitando la salida de las aguas
• Elemento de evacuación.- Conducen las aguas hasta su evacuación en un cauce natural.

a)- Elementos de canalización.-

A.1.- Cunetas

Las cunetas son zanjas que se hacen a ambos lados del camino con el propósito de recibir y conducir el agua pluvial de la mitad del camino (o de todo el camino en las curvas), el agua que escurre por los cortes y a veces la que escurre de pequeñas áreas adyacentes.

Además de esta función principal, las cunetas prestan otro tipo de funciones útiles para el correcto funcionamiento de la infraestructura viaria, como son:

            - Control de nivel freático

            - Evacuación de las aguas infiltradas

            - Servir de almacén eventual de la nieve retirada de la calzada

Debido a que el área a drenar por las cunetas es relativamente pequeña, generalmente se proyectan éstas para que den capacidad a fuertes aguaceros de 10 a 20 minutos de duración.

Las dimensiones, la pendiente y otras características de las cunetas, se determinan mediante el flujo que va a escurrir por las mismas. Las cunetas generalmente se construyen de sección transversal triangular.

A.2.- Caces

Un caz es una franja estrecha situada longitudinalmente en los bordes de la calzada y cuyo cometido es recoger conducir las aguas superficiales y de escorrentía hasta un elemento de desagüe. Dado su reducido tamaño, se emplean únicamente para evacuar pequeños caudales, como los recogidos únicamente en la superficie de la calzada, o en las zonas donde el espacio es limitado, como travesías y núcleos urbanos.

b)- Elementos de desagüe.-

A fin de disminuir en la medida de lo posible los caudales a evacuar, se disponen una serie de puntos de desagüe a lo largo de los elementos de drenaje longitudinal- normalmente cunetas- de forma que las aguas se reintegren paulatinamente al medio natural causando el menor daño posible.

Zonas adecuadas para el desagüe

B.1.-Sumideros e imbornales.

 Estos elementos permiten el desagüe de los dispositivos superficiales de drenaje -caces o cunetas-, bien directamente al exterior (imbornales) o por medio de un colector (sumideros). De esta forma, las aguas vuelven a reintegrarse al cauce natural, o son desviadas a sistemas subterráneos de recogida, como la red de alcantarillado en los núcleos de población.

Tipología

Los sumideros presentan diferentes tipologías, a saber:

• Continuos: El desagüe se realiza de forma ininterrumpida a lo largo de toda la longitud de la vía.
• Aislados: La evacuación de las aguas se localiza en determinados puntos, distinguiéndose tres clases de sumideros, en función de su orientación:

• Horizontales: El desagüe se realiza por su fondo.
• Laterales: El desagüe se realiza por su pared lateral vertical o cajero.

• Mixtos: Combina los dos tipos anteriores

Ejemplo de un sistema  de drenaje (alcantarillado) elaborado por la empresa “COSANHER”, para el  Proyecto "Mejoramiento, Mantenimiento y Ampliación Vía de Acceso al Distrito de Hongos, Provincia de Yauyos-Lima

Semana 12

METRADO DE CARRETERAS: Está comprendido por:

• Obras Provisionales
• Trabajos Preliminares
• Explanaciones y Movimiento de Tierras
• Pavimento
• Transporte
• Construcción de Cunetas
• Construcción de Alcantarillas
• Muros de Concreto Ciclópeo
• Caseta de Peaje y control
• Obras Varias
• Señalización

Diagrama de masas

Para un buen diseño de la carretera es necesario realizar un análisis para obtener la mayor economía en el movimiento de tierras, ya que como sabemos dicho movimiento de tierras representa el 80% del costo de la carretera. Esta economía se obtiene excavando y rellenando únicamente lo indispensable y acarreando los materiales la menor distancia posible. El estudio necesario es llamado curva masa o diagrama de masa. 

Los volúmenes de material, ya sea de corte o de préstamo, deben ser transportados para formar los terraplenes. Sin embargo, en algunos casos, parte de los volúmenes de corte deben ser desperdiciados, principalmente por su baja calidad como material para el terraplén, para lo cual se transportan a lugares convenientes fuera del camino. El diagrama de masas permite determinar todos los movimientos de terracerías y establecer el esquema más eficiente, al cual corresponden los costos mínimos. El diagrama de masas es la curva resultante de unir todos los puntos dados por las ordenadas de la curva masa.  

Al diseñar perfil de un camino no basta con ajustarse a las especificaciones sobre pendientes, curvas verticales, compensación por curvaturas, drenaje, etc… para obtener un resultado satisfactorio, sino que también es igualmente importante conseguir la mayor economía posible en el Movimiento de la Tierra.

Esta economía se consigue excavando y rellenando solamente lo indispensable y acarreando los materiales la menor distancia posible y de preferencia cuesta abajo, es decir, determinar hasta que limite conviene sobreacarrear un material de corte ya sea de línea o de préstamo; sin embargo en algunos casos parte de los volúmenes de corte deben desperdiciarse para lo cual se transportan a lugares convenientes fuera del camino (Excavacion en línea o excavación de préstamo). 

Para determinar los movimientos de tierra en un proyecto de carretera y obtener su costo mínimo, EL DIAGRAMA DE MASAS es el instrumento con que cuenta el proyectista, el cual sirve para indicar las distancias de acarreo y determinar hasta que límite conviene sobreacarrear un material de corte, ya sea de línea o de préstamo.

EL DIAGRAMA DE MASAS: Es una curva en el cual las ordenadas representan volúmenes acumulativas de la terracerías (suma algebraica excavación (+) y terraplén (-)) y las abscisas el cadenamiento correspondiente. Un diagrama de masa es un total acumulado de la cantidad de material excedente o deficiente a lo largo del perfil de la carretera. 

En el diagrama de masas se lleva a cabo el estudio de las cantidades de excavación y relleno, su compensación, préstamos y desperdicios longitudinales, determinación de las distancias de acarreo y sentido de los movimientos. 

En general los objetivos del diagrama de masas son:

• Aprovechar el material de excavación para construir terraplén. Logrando una compensación total sin que exista sobrante o faltante de material.
• Aprovechar al máximo los cortes para compensar los terraplenes con las menores distancias posibles de transporte y reducir a un mínimo los botes provenientes de los cortes y los préstamos de material para construir los terraplenes.
• Obtener la mejor forma de distribuir el material para minimizar el transporte + bote + préstamo. 

La ordenada de curva masa en una estación dada es la suma algebraica acumulada de los volúmenes de terraplén y de corte, estos última afectada por su coeficiente de variabilidad volumétrica. Esta suma se hace desde el origen del cadenamiento hasta la estación analizada. Normalmente se consideran positivos los volúmenes de corte y negativos los de terraplén.

Generalmente, los préstamos se originan por exceso de volumen de terraplén y los desperdicios por exceso de volumen de corte, pero pueden coexistir préstamos y desperdicios, cuando la suma de los costos del acarreo del material excavado al llevarlo al terraplén y la compactación requerida, sea mayor que la suma de los costos de excavación, del acarreo y de compactación del material producto del  préstamo y del acarreo del desperdicio, o bien, cuando el material de corte no deba emplearse en la construcción del camino.

Utilización del diagrama de masas.

El diagrama de masas es el arma más eficaz para el proyectista y el constructor para el cálculo de los volúmenes de tierra a mover y para el cálculo de los costos de las tierras movidas. Los objetivos principales de la curva masa o diagrama de masas son los siguientes:

•  Compensar volúmenes
•  Fijar el sentido de los movimientos del material
•  Fijar los límites del acarreo libre
•  Calcular los sobreacarreos
•  Controlar préstamos y desperdicios

El diagrama proporciona información acerca de la cantidad de materiales a mover, distancia promedio que debe trasladarse y la dirección en la cual deberá hacerse el acarreo. Cuando se combina esta información con el perfil del terreno, es  posible establecer los tramos en que deberá hacerse el corte o el relleno y el equipo más adecuado para hacer el trabajo. El diagrama de masa es una de las herramientas más efectivas para la planeación del movimiento de material en cualquier proyecto de carácter lineal 

El proyectista lo utiliza para:

•  Comparar alternativas y escoger la subrasante mas económica.
•  Para seleccionar el equipo más económico.
•  Determinar los sobreacarreos y selección adecuada de los banco de préstamo.
•  Determinar los costos de los suelos a transportar.

El contratista lo utiliza para:

                        Distribución del equipo. 

                        Determinar el sentido de los movimientos. 

                        Cuantificar los volúmenes movidos.

Limitaciones del uso del diagrama de masas.

El diagrama no puede ser aplicado o no es de mucha utilidad, cuando la subrasante está obligada a proyectarse en determinada forma por circunstancias especiales tales como: 

a.-En terrenos planos en que la superficie natural se aproxima mucho a la subrasante, aquí el diagrama presenta una pendiente negativa pronunciada demandando grandes volúmenes de préstamos

b.- En terrenos en los que la subrasante debe tener cierta altura para quedar a salvo de las inundaciones o de la humedad que por capilaridad puede llegar a perjudicar la terracerías. 

c.- En terrenos en donde es necesario alojar la carretera en firme. 

d.- En aquellos tramos con pendiente sostenida donde las excavaciones son excesivas y dificultosas.

e.- En acceso a puente e intersecciones a nivel


Propiedades del diagrama de masas.

En el diagrama de masas: se lleva a cabo el estudio de las cantidades de excavación y relleno, su compensación, préstamos y desperdicios longitudinal, determinación de las distancias de acarreo y sentido de los movimientos.

Utilizando como ejemplo la figura abajo indicada, se explican las principales propiedades del diagrama de masas. La línea que representa el diagrama de masas es la reflejada por los puntos ABCDEFG correspondiente a los volúmenes de terracería a mover al ubicar la rasante (acef) en el perfil de terreno deliniado por (abcdefg)