dise√Īo de alcantarillas

Dise√Īo mejorado de Alcantarillas de Drenaje pluvial en Carreteras

Los dise√Īadores de obras hidr√°ulicas de drenaje pluvial de carreteras, a menudo se satisfacen con aplicar modelos t√≠picos de alcantarillas y badenes (cruce de dren y carretera a nivel) antes de prever un puente.Estos criterios con frecuencia presentan errores de concepto que se repiten por falta de revisiones altamente especializadas y por no poseer suficiente experiencia positiva.

En el trabajo se incluye una novedosa propuesta de bajo costo y que cumple con las siguientes condiciones: primero, que en su funci√≥n normal es resistente a da√Īos del terrapl√©n por la entrada y dispone de la protecci√≥n contra erosi√≥n aguas abajo y, segundo, que en el caso en que el caudal supere la capacidad de la alcantarilla permite el paso del agua por encima de la carretera con eventual suspensi√≥n del tr√°nsito.

INTRODUCCI√ďN

La costa norte del Per√ļ es un ambiente geogr√°fico que, cuando se trata de obras de drenaje de carreteras fuera de √°reas urbanas, exige soluciones propias al margen de las pr√°cticas usuales. Tal como se especifica (Monsalve 1999), los criterios para definir la capacidad hidr√°ulica de una obra de drenaje lateral son: la vida √ļtil de la obra, tipo de estructura, facilidad de reparaci√≥n y ampliaci√≥n y peligro de p√©rdida de vidas humanas. Seg√ļn estos criterios, en la pr√°ctica mundial, las alcantarillas para carreteras, fuera de √°reas urbanas, se dimensionan para un caudal con un periodo de retorno de uno a cinco a√Īos. Este periodo de retorno es confirmado o aumentado ligeramente (Harrigan 1998a) pero nunca por encima de 25 a√Īos.

Considerando el periodo de vida √ļtil de una carretera como unos cincuenta a√Īos, o menos, es evidente que este criterio es razonable. Sin embargo en la costa norte del Per√ļ, se debe tener en cuenta la permanente amenaza del fen√≥meno ‚ÄúEl Ni√Īo‚ÄĚ que puede alcanzar magnitudes extraordinarias. El promedio de precipitaci√≥n en la costa norte del Per√ļ, de clima semi- √°rido, es alrededor de 100a 250mm/a√Īo, pero un fen√≥meno ‚ÄúMega-Ni√Īo‚ÄĚ significa precipitaciones mayores de 2000 mm en un periodo de pocos meses (tres o cuatro).

La incidencia de estos eventos hidrol√≥gicos extraordinarios ha aumentado √ļltimamente, habi√©ndose producido uno en el a√Īo 1983 y el siguiente en 1998. Los da√Īos producidos en carreteras a causa de los mencionados eventos obligan a pensar sobre soluciones m√°s seguras.

La intenci√≥n es evitar p√©rdidas econ√≥micas por interrupci√≥n de v√≠as terrestres y costosas reparaciones cada vez que la hidrolog√≠a se escapa de la rutina. Aunque el fen√≥meno de ‚ÄúEl Ni√Īo‚ÄĚ no siempre implica estas mega-precipitaciones, casi siempre significa mayores caudales y como su incidencia media es cada cuatro a√Īos, tanto aqu√≠ como en zonas geogr√°ficas de semejante hidrograf√≠a, se debe pensar sobre una mejor protecci√≥n en las obras de alcantarillas de carreteras, siempre y cuando el costo total de la obra sea significativamente menor que el de un puente.

PRESTAR ATENCI√ďN A DETALLES IMPORTANTES

El autor del presente particip√≥ como asesor t√©cnico en las tareas de Defensa Civil de la Municipalidad Provincial de Piura (a 1050km al norte de la capital Lima) hacia fines del a√Īo 1999. El d√≠a 31/12/1999 se present√≥ una lluvia inusual en la cuenca de la quebrada Pajaritos cuyo curso es interceptado por el trazo de la v√≠a Panamericana Norte (hacia la ciudad de Sullana al norte) y por el de la carretera hacia Paita (puerto m√°s cercano al oeste), a trav√©s de alcantarillas a pocos kil√≥metros de distancia de la ciudad de Piura.

El caudal m√°ximo alcanz√≥ y super√≥ ligeramente la capacidad de las alcantarillas. La intensidad de la precipitaci√≥n fue notable y el escurrimiento relativamente r√°pido siendo la cuenca compuesta por campos agr√≠colas y tierras eriazas de escasa vegetaci√≥n. Al momento de producirse el llamado de alerta y la salida de la defensa civil al lugar, la alcantarilla en el tramo de la carretera hacia la ciudad de Sullana ya hab√≠a colapsado y el terrapl√©n de la otra (hacia Paita) estaba en peligro de colapsar por la intensa vorticidad lateral a la salida de la alcantarilla. La entrada de la alcantarilla no estuvo comprometida en la misma medida ya que el agua en esta zona estaba remansada y ten√≠a velocidades menores. El mecanismo de erosi√≥n del terrapl√©n a la salida de la alcantarilla y los visibles da√Īos, testimonian sobre lo inadecuado que result√≥ la forma de los muros aleros en su dise√Īo tradicional (ver figuras 1, 2, 3 y 4).

Fue muy evidente que el nivel del agua super√≥ f√°cilmente los niveles de los muros aleros que no pudieron cumplir su funci√≥n por la forma, tradicionalmente adoptada (ver figura 2), de reducci√≥n de la altura con la distancia desde el parapeto de la carretera. Una breve verificaci√≥n en la bibliograf√≠a (Marek 2010, Harrigan 1998b, Gencel 2011) confirma que esta forma de muros aleros, a pesar de no ser la adecuada, es com√ļn.

Entonces esto ser√≠a el primer detalle importante a introducir en el dise√Īo mejorado de alcantarillas; la observaci√≥n es v√°lida para la salida tanto como para la entrada del agua a la alcantarilla. La cimentaci√≥n de los muros aleros as√≠ como la cimentaci√≥n del fondo a la salida de la alcantarilla debe tener la profundidad suficiente para prevenir la socavaci√≥n de la estructura. Adem√°s de ello el √°ngulo central de los muros debe ser tan pr√≥ximo a 14ňö como sea posible para evitar la estimulaci√≥n de vorticidad cerca de la salida o para alejarla m√°s all√° de la misma.

Figura 1. Presentaci√≥n gr√°fica de l√≠neas de corriente y da√Īos ocasionados por flujo que se extiende por encima de los muros aleros a la salida de alcantarilla.

Figura 2. Huellas notorias del da√Īo que amenaz√≥ con destruir el terrapl√©n a la salida de la alcantarilla.

Figura 3. Da√Īos del terrapl√©n a la entrada de una alcantarilla: se nota que los aleros han sido sobre-elevados hasta el nivel m√°ximo del orificio; a√ļn as√≠ ser√≠a mucho mejor tenerlos nivelados con la altura del parapeto.

Figura 4. Da√Īos m√°s frecuentes a la salida de alcantarillas: son consecuencia de la erosi√≥n de fondo; no es dif√≠cil evitarlos con medidas relativamente simples.

SI EL NIVEL DE AGUA SUPERA EL NIVEL DEL TERRAPL√ČN O PAVIMENTO

En caso de que el caudal llegue a tener magnitudes que excedan la capacidad de la alcantarilla y ocurra vertimiento por encima del tramo de carretera adyacente se produce lo ilustrado en las cuatro fases del croquis (figura 5) as√≠ como lo que representa la figura 6.

En la figura 5 se presentan gr√°ficamente las fases de da√Īos al terrapl√©n que se producen como consecuencia del vertimiento por encima de la carretera una vez sobrepasada la capacidad de evacuaci√≥n de la alcantarilla.

La figura 6 (a) y (b) muestra restos del terrapl√©n y pavimento de la carretera Panamericana Norte da√Īados por el agua al excederse la capacidad de la alcantarilla. La flecha en la figura 6 (b) se√Īala el sentido de flujo.

La causa de la destrucción está en el exceso de energía potencial que adquiere el agua almacenándose por el lado aguas arriba de la carretera. Esta energía potencial se transforma, casi en su totalidad, en energía cinética de un chorro vertiente causando cárcavas en el talud del terraplén y erosión al pie de este. El proceso es progresivo y termina con la destrucción parcial o total del terraplén con pavimento.

ALCANTARILLA CON CONDICIONES DE MAYOR RESISTENCIA

En una situación donde se requiere resolver muchos cruces del trazado de la carretera con cursos de quebradas la limitación financiera se vuelve notoria. La mejor solución es construir puentes pero es a la vez la más costosa. La ingeniería se caracteriza por ofrecer soluciones funcionales al menor costo posible. Teniendo este propósito en la mente el autor del presente trabajo propone adoptar tipos de alcantarillas más resistentes conforme a las figuras 7 y 8 siguientes que no requieren mucha explicación.

Figura 5. Fases de da√Īos al terrapl√©n

Figura 6. Restos de terrapl√©n y pavimento de la carretera Panamericana Norte da√Īados por el agua.

Figura 7. Alcantarilla protegida desde aguas arriba haciendo factible el vertimiento sobre el tramo de carretera

La alternativa aquí propuesta se recomienda fuertemente para aplicarla en carreteras de un volumen de tránsito mediano a bajo. En otros casos también, aunque asegurándose que su costo sea significativamente más bajo que el de un puente.

Figura 8Vista en planta de la alcantarilla m√°s resistente.

Esta solución es particularmente adecuada en las secciones anchas y planas de quebradas donde el puente pueda quedar fácilmente fuera del cauce principal por erosión de uno de sus estribos, como fue el caso del puente Bocapan (al sur de Tumbes, sobre la Panamericana Norte).

La descripción básica de lo propuesto consiste en asegurar elementos de parapeto junto a la(s) alcantarilla(s) de concreto armado de alcance suficiente como para poder servir de estructura que permita suspender sobre ella la protección de los taludes aguas abajo mediante gaviones tipo colchón asistiendo a la vez a la impermeabilidad de las uniones entre los distintos materiales.

El perfil longitudinal de la carretera experimentará una variación del nivel del pavimento en forma de vertedor lateral fijo, cuya capacidad máxima se puede obtener como el del vertimiento sobre un umbral ancho.

La(s) capacidad(es) de la(s) alcantarilla(s) se reducir√°n ligeramente al presentarse el vertimiento pudi√©ndose calcular suponiendo la posici√≥n del nivel piezometrico, a la salida de la alcantarilla, ligeramente mayor que la altura del l√≠mite superior del orificio. Su posici√≥n m√°s precisa se podr√° definir seg√ļn la altura de la l√°mina vertiente por encima del ‚Äúvertedor fijo‚ÄĚ y a√ļn con m√°s precisi√≥n analizando el nivel del agua aguas abajo de la carretera.

Una condición adicional es importante: el terraplén, en el más amplio tramo comprendido en el nuevo concepto de alcantarilla más segura, debe de ser construido de material relativamente impermeable con un coeficiente de permeabilidad menor que 10-5 cm/s.

En la figura 9 se observa la zona representativa (plana y amplia) que fue equipada, por sugerencia del autor, con protecciones de gaviones tipo colch√≥n antes que todo aguas abajo, no siendo posible aplicar la totalidad de las medidas aqu√≠ recomendadas ya que se trata de un tramo dise√Īado y construido con anterioridad. En el a√Īo 2004 se aplic√≥ la protecci√≥n con gaviones.

Figura 9. Tramo reconstruido de la carretera Panamericana Norte entre las ciudades Talara y Tumbes del Per√ļ.

Es curioso notar que el constructor aplic√≥ m√°s protecci√≥n aguas arriba que aguas abajo (contrario a la sugerencia del dise√Īo de protecci√≥n) por no tener un concepto claro de lo que pasa en situaciones de extremas cargas hidrol√≥gicas y por considerar que sab√≠a m√°s.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Las obras de evacuaci√≥n de aguas pluviales ‚Äďcaudales de quebradas‚Äď a trav√©s de terraplenes de carreteras y sobre todo en zonas de violentos escurrimientos (√°ridas, semi√°ridas) y planas, deben recibir mucha atenci√≥n en el dise√Īo de los detalles hidr√°ulicos y estructurales.

Los muros aleros deben tener altura suficiente para impedir el acceso libre de las corrientes hacia el terrapl√©n lo que significa, en su mejor versi√≥n, que deben de ser horizontales en su l√≠mite superior (igualando el nivel del parapeto de la carretera). Su √°ngulo central en la salida debe ser como m√°ximo de 14ňö para evitar vorticidades entre ellos y alejar las vorticidades m√°s all√° de su punto final.

Aguas arriba este ángulo también debe mantenerse bajo para evitar la reducción de la capacidad de alcantarilla por contracción en la entrada. Los muros aleros así como la salida de la alcantarilla deben ser cimentados a suficiente profundidad para evitar la erosión que puede causar el colapso de la alcantarilla y de la sección del terraplén.

Es posible aumentar la capacidad de las alcantarillas adoptando la solución propuesta por el autor del presente trabajo: los taludes de tramos de carreteras que corren el riesgo de ser sobrepasados por un caudal fuera de registros usuales por ocasionales presentaciones de fenómenos de hidrología alterada, deben ser reforzados con adecuada protección que finalmente hagan viable el vertimiento por encima del terraplén.

Teniendo una situaci√≥n as√≠ el perfil longitudinal de la carretera en el tramo debe presentar facilidad para el vertimiento creando una depresi√≥n de longitud suficiente y de suficiente diferencia de alturas para que pueda actuar como un vertedor de umbral ancho. Este vertimiento no debe afectar tramos aleda√Īos salvo por temporal interrupci√≥n de tr√°nsito y mientras la l√°mina vertiente se mantenga alta.

REFERENCIAS

  • Marek M. A. (2010). ‚ÄúRoadway Design Manual‚ÄĚ TxDOT Online Manuals, Texas Department of Transportation, Austin, Texas, USA.
  • Monsalve G. (1999), ‚ÄúHidrolog√≠a en la Ingenier√≠a‚ÄĚ. 2da edici√≥n, Editora Alfa Omega,Colombia.
  • Harrigan E. T. (1998a). ‚ÄĚScanning review of European practice for bridge scour‚ÄĚ, Digest July ‚Äď Number 241, National Cooperative Highway Research Program, Transportation Research Board of the National Academies, USA.
  • Harrigan E.T. (1998b). ‚ÄĚPerformance of pavement subsurface drainage‚ÄĚ, Digest November ‚Äď Number 268, National Cooperative Highway Research Program, Transportation Research Board of the National Academies, USA.
  • Gencel Zivko (2011). ‚ÄúDilemas del dise√Īador de drenaje superficial transversal de carreteras‚ÄĚ. X Congreso Internacional de Ingenier√≠a Hidr√°ulica, Holgu√≠n, Cuba.

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Sobre el Autor

Ing. Yony Garcilazo

Ingeniero Civil, Especialista en la elaboración de perfiles y expedientes técnicos.
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