Los diseñadores de estructuras de drenaje de aguas pluviales en carreteras a menudo se contentan con aplicar diseños típicos de alcantarillas y badenes (desagües cruzados y caminos en pendiente) antes de considerar un puente. .
La estructura incluye una nueva propuesta de bajo costo que cumple con las siguientes condiciones: primero, que en su función normal resista daños al terraplén por la entrada y esté protegida contra la erosión aguas abajo, y segundo, que en caso de que el caudal exceda el capacidad del alcantarillado permite el paso de agua en la calzada con una posible suspensión del tráfico.
INTRODUCCIÓN
La costa norte del Perú es un entorno geográfico que, cuando se trata de obras de drenaje vial fuera de las zonas urbanas, requiere soluciones propias fuera de las prácticas habituales. Como se mencionó (Monsalve 1999), los criterios para definir la capacidad hidráulica de una estructura de drenaje lateral son: la vida útil de la estructura, el tipo de estructura, la facilidad de reparación y expansión y el peligro de pérdida de vidas humanas. Según estos criterios, en la práctica mundial, las aguas residuales de las autopistas, fuera de las aglomeraciones, se dimensionan para un caudal con un período de retorno de uno a cinco años. Este período de recuperación se confirma o aumenta ligeramente (Harrigan 1998a), pero nunca supera los 25 años.
Considerando que la vida útil de una carretera es de cincuenta años o menos, es obvio que este criterio es razonable. Sin embargo, en la costa norte del Perú se debe tener en cuenta la amenaza permanente del fenómeno “El Niño”, que puede alcanzar magnitudes extraordinarias. La precipitación promedio en la costa norte del Perú, de clima semiárido, ronda los 100 a 250 mm/año, pero un fenómeno de «Mega-Niño» significa precipitaciones superiores a los 2.000 mm en un período de pocos meses (tres o cuatro ). .
La incidencia de estos eventos hidrológicos extraordinarios ha aumentado en los últimos tiempos, ocurriendo uno en 1983 y otro en 1998. Los daños en las carreteras debido a los eventos mencionados anteriormente hacen necesario pensar en soluciones más seguras.
La intención es evitar pérdidas económicas por interrupción de rutas terrestres y costosas reparaciones cada vez que la hidrología se sale de la rutina. Si bien el fenómeno “El Niño” no siempre involucra estas mega lluvias, casi siempre significa mayores caudales y como su incidencia promedio es cada cuatro años, aquí y en áreas geográficas con hidrografía similar, es necesario pensar en una mejor protección de las vías. alcantarillas, siempre que el costo total de la obra sea significativamente menor que el de un puente.
ATENCIÓN A DETALLES IMPORTANTES
El autor de este artículo participó como asesor técnico en las tareas de protección civil de la municipalidad provincial de Piura (1050 km al norte de la capital Lima) a fines de 1999. El 31/12/1999 se presentaron lluvias inusuales en la cuenca del río Pajaritos cuyas El rumbo es interceptado por la ruta de la Carretera Panamericana Norte (hacia la ciudad de Sullana al norte) y por el camino a Paita (el puerto más cercano al oeste), a través de alcantarillas a pocos kilómetros de la ciudad de Piura.
El caudal máximo alcanza y supera ligeramente la capacidad de las alcantarillas. La intensidad de las lluvias fue notable y la escorrentía relativamente rápida, ya que la cuenca estaba compuesta por campos agrícolas y terrenos áridos con escasa vegetación. Al momento de la alerta y de la salida de protección civil al sitio, la alcantarilla del tramo de la autopista hacia la ciudad de Sullana ya se había derrumbado y el talud del otro (hacia Paita) corría peligro de derrumbarse debido a la intenso vórtice lateral a la salida de la arqueta. La entrada de la alcantarilla no se vio comprometida en la misma medida, ya que el agua en esta área estaba estancada y tenía velocidades más bajas. El mecanismo de erosión del terraplén a la salida de la alcantarilla y el daño aparente atestiguan la inadecuación de la forma de los muros del alero en su diseño tradicional (ver figuras 1, 2, 3 y 4).
Era muy evidente que el nivel del agua superaba fácilmente los niveles de los muros del alero que no podían cumplir su función por la forma, tradicionalmente adoptada (ver figura 2), de reducir la altura con la distancia al parapeto de la vía. Una breve revisión de la literatura (Marek 2010, Harrigan 1998b, Gencel 2011) confirma que esta forma de alero, aunque insuficiente, es común.
Por lo tanto, este sería el primer detalle importante que se introduciría en el diseño mejorado de la boca de inspección; La observación es válida tanto para la salida como para la entrada de agua en el alcantarillado. La cimentación de las paredes del alero, así como la cimentación del fondo a la salida de la alcantarilla, deberá tener suficiente profundidad para no debilitar la estructura. Además, el ángulo central de las paredes debe ser lo más cercano posible a 14˚ para evitar la estimulación de vorticidad cerca o más lejos de la salida.
Figura 1. Presentación gráfica de líneas de corriente y daños por flujo que se extienden por las paredes desde los aleros hasta la salida de la alcantarilla.
Figura 2. Huellas visibles de daños que amenazaban con destruir el terraplén a la salida de la alcantarilla.
Imagen 3. Daños en el talud de la entrada de una alcantarilla: parece que el alero se elevó hasta el nivel máximo del hueco; pero sería mucho mejor colocarlos a la altura del parapeto.
Figura 4. Los daños más frecuentes en los desagües cloacales: son consecuencia de la erosión del fondo; no es difícil evitarlos con medidas relativamente sencillas.
SI EL NIVEL DEL AGUA SUPERA EL NIVEL DEL LLENADOR O DEL SUELO
Si el caudal alcanza amplitudes que superan la capacidad del alcantarillado y se produce un desbordamiento en el tramo adyacente de la vía, lo cual se ilustra en las cuatro fases del croquis (Figura 5) al igual que ocurre lo que se muestra en la Figura 6.
La figura 5 presenta gráficamente las fases de daño del vertedero que se producen como consecuencia de un vertido en la vía una vez superada la capacidad de descarga de las aguas residuales.
Las Figuras 6(a) y (b) muestran los restos del terraplén y el pavimento de la Carretera Panamericana Norte dañados por el agua debido al desbordamiento de la alcantarilla. La flecha en la Figura 6(b) apunta en la dirección del flujo.
La causa de la destrucción radica en el exceso de energía potencial que adquiere el agua almacenada aguas arriba de la carretera. Esta energía potencial se transforma, casi en su totalidad, en energía cinética de un cauce que cae, provocando cárcavas en la ladera y erosión en su pie. El proceso es gradual y finaliza con la destrucción parcial o total del talud pavimentado.
CULVER CON CONDICIONES DE MAS RESISTENCIA
En una situación en la que es necesario resolver muchos cruces del trazado viario con cursos de agua, la limitación económica se hace evidente. La mejor solución es construir puentes, pero también es la más cara. La ingeniería se caracteriza por ofrecer soluciones funcionales al menor costo posible. Con este objetivo en mente, el autor de este artículo propone adoptar tipos de alcantarillas más resistentes, como se muestra en las figuras 7 y 8 a continuación, que no requieren mucha explicación.
Figura 5. Fases de daño de relleno
Imagen 6. Movimientos de tierra dañados por el agua de la Carretera Panamericana Norte.
Imagen 7. Aguas residuales aguas arriba protegidas, permitiendo el vertido en el tramo de carretera
La alternativa que se ofrece aquí es muy recomendable para su aplicación en carreteras con tráfico medio a ligero. En otros casos también, procurando que su coste sea sensiblemente inferior al de un puente.
Figura 8. Vista plana de la alcantarilla más fuerte.
Esta solución es especialmente adecuada para tramos anchos y planos de quebradas donde el puente podría quedar fácilmente fuera del cauce principal debido a la erosión de uno de sus estribos, como fue el caso del puente de Bocapan (al sur de Tumbes, sobre Pan Norte). – Carretera Americana).
La descripción básica de lo que se propone es la fijación de elementos de parapeto junto a la(s) alcantarilla(s) de hormigón armado de tamaño suficiente para servir de estructura que permita suspender la protección de los taludes aguas abajo mediante gaviones tipo colchón, a la vez que contribuye a la estanqueidad de las juntas entre los diferentes materiales.
El perfil longitudinal de la calzada sufrirá una variación del nivel del pavimento en forma de vertedero lateral fijo, cuya capacidad máxima puede alcanzarse como desbordamiento sobre un amplio umbral.
La(s) capacidad(es) de la(s) alcantarilla(s) se reducirá(n) ligeramente en la descarga, lo que se puede calcular asumiendo la posición del nivel piezométrico, en la salida de la alcantarilla, ligeramente más alta que la altura del umbral. agujero. Su posición más precisa puede definirse en función de la altura del talud sobre la “barrera fija” y aún más precisamente analizando el nivel del agua aguas abajo del talud. la carretera.
Es importante una condición adicional: el vertedero, en la sección más ancha incluida en el nuevo concepto de alcantarillado más seguro, debe estar hecho de un material relativamente impermeable con un coeficiente de permeabilidad inferior a 10-5 cm/s.
En la figura 9 se muestra el área representativa (plana y ancha) que se dotó, a sugerencia del autor, con protecciones de gaviones tipo colchón, primero aguas abajo, y no es posible aplicar todas las medidas aquí recomendadas por tratarse de un espacio previamente diseñado. superficie y sección construida. En 2004, se aplicó la protección de gaviones.
Imagen 9. Tramo reconstruido de la Carretera Panamericana Norte entre las ciudades de Talara y Tumbes, en Perú.
Es interesante notar que el fabricante aplicó más protección aguas arriba que aguas abajo (al contrario de lo que sugería el diseño de protección) porque no tenían una idea clara de lo que sucede en situaciones de cargas hidrológicas extremas y porque sentían que sabían más.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Las estructuras de drenaje de aguas pluviales -flujos de cursos de agua- a través de taludes de carreteras y especialmente en zonas de caudales violentos (áridos, semiáridos) y planos, deben ser objeto de gran atención en el diseño de detalles hidráulicos y estructurales.
Los muros del alero deben tener la altura suficiente para impedir el libre acceso de las corrientes al terraplén, lo que significa, en su mejor versión, que deben ser horizontales en su límite superior (igual al nivel del antepecho de la calzada). Su ángulo central en la salida debe ser de un máximo de 14˚ para evitar vórtices entre ellos y empujar los vórtices más allá de su punto final.
Aguas arriba, este ángulo también debe mantenerse bajo para evitar reducir la capacidad de la alcantarilla por contracción en la entrada. Las paredes del alero, así como la salida de la alcantarilla, deben cementarse a una profundidad suficiente para evitar la erosión que podría provocar el colapso de la sección de la alcantarilla y el terraplén.
Es posible aumentar la capacidad de los alcantarillados adoptando la solución propuesta por el autor de este trabajo: los taludes de los tramos de autopista que corren el riesgo de ser rebasados por un caudal fuera de los registros habituales por presentaciones puntuales de fenómenos de alteración condiciones hidrológicas. , deberá reforzarse con una adecuada protección para permitir finalmente el vertido sobre el vertedero.
En tal situación, el perfil longitudinal de la vía en el tramo debe ser fácil de derramar, creando una depresión de suficiente longitud y caída para que pueda actuar como un dique de presa ancho. Este vertido no deberá afectar a tramos colindantes, salvo interrupción temporal del tráfico y mientras la capa de talud se mantenga elevada.
REFERENCIAS
- Marco MA (2010). “Manual de diseño de carreteras” Manuales en línea de TxDOT, Departamento de Transporte de Texas, Austin, Texas, EE. UU.
- Monsalve G. (1999), “La hidrología en la ingeniería”. 2da edición, Editora Alfa Omega, Colombia.
- Harrigan et al. (1998a). “Revisión de exploración de la práctica europea para la socavación de puentes”, Compendio de julio, número 241, Programa Nacional de Investigación de Carreteras Cooperativas, Junta de Investigación de Transporte de las Academias Nacionales, Estados Unidos.
- Harrigan ET (1998b). “Performance of Pavement Subsurface Drainage”, Compendio de noviembre, número 268, Programa de Investigación de Carreteras Cooperativas Nacionales, Consejo de Investigación de Transporte de las Academias Nacionales, EE. UU.
- Gencel Zivko (2011). Dilemas del diseñador de drenaje de la superficie de la sección transversal de la carretera. X Congreso Internacional de Ingeniería Hidráulica, Holguín, Cuba.
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Autor: M.Sc.Ing. Zivko Gencel
correo electrónico: zaugengel@yahoo.com
Universidad Nacional de Piura, Perú.
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