i
UNIVERSIDAD NACIONAL TORIBIO RODRÍGUEZ DE
MENDOZA DE AMAZONAS
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
TESIS PARA OBTENER EL TÍTULO PROFESIONAL DE
INGENIERO CIVIL
PAVIMENTOS PERMEABLES COMO SISTEMA
ALTERNATIVO PARA EL DRENAJE URBANO EN LA
LOCALIDAD DE MOLINOPAMPA, AMAZONAS, 2018
Autores: Bach.Emerson Vela Tafur
Bach. Lloiner Cruz Goñas
Asesor: Ing. John Hilmer Saldaña Nuñes
Co-asesor: Arq. Guillermo Arturo Díaz Jauregui
i
UNIVERSIDAD NACIONAL TORIBIO RODRÍGUEZ DE
MENDOZA DE AMAZONAS
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
TESIS PARA OBTENER EL TÍTULO PROFESIONAL DE
INGENIERO CIVIL
PAVIMENTOS PERMEABLES COMO SISTEMA
ALTERNATIVO PARA EL DRENAJE URBANO EN LA
LOCALIDAD DE MOLINOPAMPA, AMAZONAS, 2018
Autores: Bach.Emerson Vela Tafur
Bach. Lloiner Cruz Goñas
Asesor: Ing. John Hilmer Saldaña Nuñes
Co-asesor: Arq. Guillermo Arturo Díaz Jauregui
iii
DEDICATORIA
A mis queridos padres: Micaela Goñas Mas.
Por siempre estar a mi lado dándome fuerzas para estar de pie ante las adversidades, por sus valores inculcados y por nunca dejar de tener fe en mí.
Onecimo Cruz Pilco.
Por enseñarme que el trabajo y el estudio van de la mano, por siempre luchar por darme lo necesario para terminar mi carrera y por tu cariño.
A mis queridos hermanos: Roger Guevara Goñas.
Gracias por ser un segundo padre, por tus consejos y por ser mi ejemplo de perseverancia y lucha.
Rosa A. Cruz Goñas.
Por tu apoyo incondicional, por tu cariño y por estar a mi lado en mis momentos más difíciles.
Lleny L. Cruz Goñas.
Por tu cariño, por tu comprensión, tu paciencia y por darme todo sin pedir nada a cambio.
A mi querida:
Carmen Y. Oyarce Rojas.
Por tu cariño incondicional, por tus consejos y por formar parte de mi lucha para conseguir mis metas
iv
DEDICATORIA
A Dios por darme la vida y salud. A mis padres:
Segundo German Vela Arbildo y Enma Tafur Castro, por ese ejemplo de dedicación, trabajo y ese apoyo incondicional que me brindaron para poder llegar a ser un profesional.
A mi hermano Cristian Vela Tafur, a mis amigos y a todas las personas quienes me brindaron su apoyo, a todos ellos dedico este trabajo con cariño y sincero agradecimiento.
v
AUTORIDADES DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL TORIBIO RODRIGUES DE MENDOZA DE AMAZONAS
Dr. Policarpio Chauca Valqui RECTOR
Dr. Miguel Ángel Barrena Gurbillón VICERRECTOR ACADÉMICO
Dra. Flor Teresa García Huamán
VICERRECTORA DE INVESTIGACIÓN
M.Sc. Edwin Adolfo Díaz Ortiz
xiii
ÍNDICE GENERAL
DEDICATORIA ... iii
AUTORIDADES DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL TORIBIO RODRIGUES DE MENDOZA DE AMAZONAS ... v
VISTO BUENO DEL ASESOR DE TESIS……….…vi
JURADO EVALUADOR………...viii
DECLARACIÓN JURADA DE NO PLAGIO………...ix
ACTA DE EVALUACIÓN DE SUSTENTACIÓN DE TESIS………...xi
ÍNDICE GENERAL………...xiii
ÍNDICE DE TABLAS……….xv
ÍNDICE DE FIGURAS………..………...xvii
RESUMEN ... xviii
ABSTRACT ... xix
INTRODUCCIÓN ... 20
MATERIALES Y MÉTODOS ... 23
2.1. Muestra y muestreo ... 23
2.2. Métodos ... 23
2.2.1. Caracterización hidrológica ... 23
2.2.2. Coeficientes de escorrentía ... 25
2.2.3. Cálculo de infiltración ... 25
2.2.4. Diseño hidráulico y estructural del pavimento permeable ... 26
2.2.5. Materiales empleados en la capa de transición (base), sub-base permeable, geotextil, membrana impermeable ... 40
2.3. Análisis de datos ... 41
2.4. Resultados. ... 41
2.4.1. Caracterización hidrológica ... 41
2.4.2. Parámetros existentes del suelo. ... 53
2.4.3. Diseño del pavimento permeable en la localidad de Molinopampa. ... 53
2.4.4. Caracterización de un diseño de mezcla de concreto permeable... 67
2.4.5. Análisis de costos ... 71
2.5. DISCUSIÓN ... 74
2.6. CONCLUSIÓN ... 76
xiv
2.8. Referencias bibliográficas ... 79
2.9. Anexos ... 81
2.9.1. Anexo 1: Precipitación máxima en 24 horas (mm) ... 81
2.9.2. Anexo 2: Ensayos de infiltración... 82
2.9.3. Anexo 3: Estudio de mecánica de suelos... 92
2.9.4. Anexo 4: Áreas Tributarias y Coeficiente de Escorrentía. ... 128
2.9.5. Anexo 5. Diseño hidráulico del pavimento de concreto permeable método MINVU-DICTUC, 1996. ... 129
2.9.6. Anexo 6. Diseño del pavimento permeable método AASHTO 1993... 148
2.9.7. Anexo 7. Diseño de mezcla del concreto permeable. ... 152
2.9.8. Anexo 8. Panel Fotográfico. ... 157
xv
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Coeficientes de escorrentía 25
Tabla 2. Espesores mínimos de las capas de un pavimento permeable 27 Tabla 3. Características estructurales de los materiales 27 Tabla 4. Espesores mínimos para el total del pavimento 28
Tabla 5. Diámetro y superficie filtrante 32
Tabla 6. Selección del tipo de sistema según características de la subrasante. 35 Tabla 7. Datos de permeabilidad y capacidad portante del suelo. 36
Tabla 8. Ajuste de CBR de la subrasante. 36
Tabla 9. Categorías de carga 38
Tabla 10. Precipitaciones máximas probables. 46
Tabla 11. Valores de precipitación en mm, para diversos TR y Dt=t 47 Tabla 12. Intensidades de precipitación en mm/hora; para diversos TR y Dt=t 48
Tabla 13. Valores de precipitaciones máximas. 51
Tabla 14. Intensidades de precipitación en mm/hora; para diversos TR y Dt=t 52
Tabla 15 .Número de pruebas de infiltración por calle 53
Tabla 16. Volumen afluente acumulado para cada calle. 55
Tabla 17. Máximos volúmenes de almacenamiento para una subbase de 20 cm 56 Tabla 18. Infiltración (f) en mm/hora para diferentes duraciones de tormenta 56
Tabla 19. Capacidad de salida (l/s) para cada calle 57
Tabla 20. Capacidad hidráulica de tubería de 150 milímetros. 57
Tabla 21. Infiltración en mm/hora 58
Tabla 22. Volúmenes acumulados infiltrados 59
Tabla 23. Volúmenes acumulados almacenado 60
Tabla 24. Espesores de la subbase 63
Tabla 25. Tiempo de Vaciado para cada calle. 63
Tabla 26. Espesores finales del pavimento permeable 65
Tabla 27. Características de los agregados 69
Tabla 28. Características de los agregados 71
Tabla 29. Costos en nuevos soles por 1ml de pavimento de concreto convencional 72 Tabla 30. Costos en nuevos soles por 1ml de pavimento de concreto permeable. 73
Tabla 31. Jr. Héroes del Cenepa 82
xvi
Tabla 33. Jr. Corpus Cristi (prueba 2) 83
Tabla 34. Jr. Independencia (prueba 1) 84
Tabla 35. Jr. Independencia (prueba 2) 84
Tabla 36. Jr. Independencia (prueba 3) 85
Tabla 37. Jr. 21 de noviembre (prueba 1) 85
Tabla 38. Jr. 21 de noviembre (prueba 2) 86
Tabla 39. Jr. 21 de noviembre (prueba 3) 86
Tabla 40. Jr. 21 de noviembre (prueba 4) 87
Tabla 41. Jr. El Molino (prueba 1) 87
Tabla 42. Jr. El Molino (prueba 2) 88
Tabla 43. Jr. El Molino (prueba 3) 88
Tabla 44. Jr. El Molino (prueba 4) 89
Tabla 45. Jr. José Olaya (prueba 1). 89
Tabla 46. Jr. José Olaya (prueba 2). 90
Tabla 47. Jr. José Olaya (prueba 2). 90
Tabla 48. Jr. José Olaya (prueba 4). 91
Tabla 49. Cálculo de coeficiente de escorrentía ponderado 128
Tabla 50. Confiabilidad y error estándar combinado 148
xvii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Interpave, 2010. Sistema A infiltración total 34 Figura 2. Interpave, 2010. Sistema B infiltración parcial 35
Figura 3. Interpave, 2010. Sistema C sin infiltración 35
xviii RESUMEN
La investigación trató de encontrar una alternativa eficiente de solución de drenaje que ayude al control de las aguas pluviales. Para ello se propuso el concreto permeable como pavimento alternativo de las calles no pavimentadas de la localidad de Molinopampa; con la finalidad de que el pavimento sea capaz de drenar un volumen de agua y proporcionar resistencia estructural adecuada para resistir un cierto nivel de tráfico, para ello se caracterizó hidrológicamente la zona del proyecto, de esta base de datos se estudió las máximas precipitaciones registradas, estableciendo requisitos de permeabilidad y un nivel de tránsito menor a 5 millones de ejes equivalentes. Para el diseño se combinaron dos aspectos, un aspecto estructural aplicando el método INTERPAVE, 2010, donde se obtuvo un espesor total del pavimento de 50cm; y un aspecto hidráulico aplicando el método establecido por MINVU-DICTUC, 1996, con lo que se calculó un espesor de subbase de 20 cm tomando en cuenta la magnitud de volumen de agua de lluvia que debe almacenar; por otro lado el suelo sobre el cual se desarrolló la investigación se identificó como arcilla arenosa, con un índice de infiltración nula por lo que se procedió a implementar un drenaje longitudinal ejecutadas mediante tuberías perforadas de 150 mm de diámetro, ubicados al nivel de la subbase.
xix ABSTRACT
The research sought to find an efficient alternative drainage solution that helps control stormwater. To this end, pervious concrete was proposed as an alternative pavement for the unpaved streets of the town of Molinopampa; in order that the pavement is capable of draining a volume of water and providing adequate structural strength to withstand a certain level of traffic, for this the area of the project was hydrologically characterized, this database was studied the maximum registered rainfall, establishing permeability requirements and a traffic level of less than 5 million equivalent axes. For the design two aspects were combined, a structural aspect applying the INTERPAVE method, 2010, where a total pavement thickness of 50cm was obtained; and a hydraulic aspect applying the method established by MINVU-DICTUC, 1996, with which a sub-base thickness of 20 cm was calculated taking into account the volume of rainwater volume that must be stored; On the other hand, the soil on which the research was developed was identified as sandy clay, with a zero infiltration rate, which is why a longitudinal drainage was implemented using perforated pipes with a diameter of 150 mm, located at the sub-base level .
20
INTRODUCCIÓN
El crecimiento demográfico e incremento de la urbanización ha tenido un cambio considerable en los últimos años (ONU, 2017); este crecimiento ocasiona que los pueblos y ciudades den lugar a la paulatina impermeabilización del suelo, sustituyendo por asfalto y concreto lo que habían sido terrenos agrícolas y superficies forestales, alterando así la naturaleza del clico hidrológico del agua, lo que disminuye de forma considerable el volumen de agua infiltrada al mismo, aumentando el caudal de escurrimiento superficial y el riesgo de inundaciones en los sectores más bajos de las ciudades, (Perales, 2008; Chávez, 2013). Esta modificación de la naturaleza va aumentando los riesgos sobre la población e incrementando la presión sobre las fuentes receptoras, traducido en problemas de inundaciones y pérdidas económicas, teniendo como agravante la limitada capacidad de los sistemas de drenaje existentes (Martinez, 2013).
En una zona natural sin urbanizar, se estima que un 95% del agua que se gestiona de forma natural se infiltra en el suelo sin producir escorrentía. En el caso de zonas urbanizadas de baja densidad, rurales y residenciales fuera de los núcleos de las ciudades, el valor de infiltración disminuye hasta un 30%, con lo que se genera una escorrentía del 70%. Por último, en el caso de una zona urbana de alta densidad, como pueden ser las ciudades de una cierta envergadura, la cantidad de infiltración es prácticamente despreciable y se genera un 95% de escorrentía superficial que es necesario drenar y gestionar para poder obtener unas condiciones óptimas de habitabilidad (Rodriguez, et al., 2011).
21
Molinopampa, es un lugar que cuenta con una cierta cantidad de calles pavimentadas (transversales), y las demás (longitudinales) se encuentran sin pavimentar ni con obras de drenaje pluviales, ante ello considerando que es prioritario para una zona urbana contar con calles pavimentadas y obras de drenaje, surge una medida con orientación novedosa en la gestión de las aguas lluvias y pavimentación de calles, denominándose pavimentos de concreto permeable, surgiendo así la interrogante, ¿Será el pavimento permeable un sistema alternativo eficiente para el drenaje urbano en la localidad de Molinopampa, Amazonas?. Por lo tanto, se justifica la necesidad de realizar un estudio de los pavimentos permeables como sistema alternativo para el drenaje urbano.
Los resultados obtenidos servirán tanto a las entidades nacionales como a la comunidad científica informarse acerca de los sistemas de pavimentos permeables como alternativa de drenaje urbano. Ya que prueba de ello se tiene anteriores estudios internacionales y nacionales como el estudio realizado en México por Cibrian (2009), que concluyó que el uso de pavimentos permeables en áreas urbanas es una opción que permitiría una adecuada disposición de las precipitaciones pluviales, además si se tiene una adecuada integración de estos pavimentos a los sistemas de drenaje pluvial, las necesidades de ampliación y la contaminación de aguas residuales serían reducidas.
Por otro lado Rodríguez, et al. (2017) en un estudio realizado en España concluyeron que el empleo de pavimentos permeables reduce la formación de escorrentía superficial retrasando la llegada del agua de lluvia al sistema de saneamiento evitando así las puntas de caudal que causan las inundaciones y los reboses de tanques de tormenta. Posteriormente Garcia, et al. (2017) en estudio realizado en España pone de manifiesto que, aún en climas mediterráneos, con características propias como la torrencialidad y terrenos prácticamente impermeables, este tipo de soluciones proporcionan resultados favorables, logrando obtener el control de más del 90% de los eventos y de los volúmenes de escorrentía generados.
22
Por otra parte Guizado & Curi (2017) estudiaron que para agregados de 3/8” y 3/4" con contenidos de vacíos del 10% se logran resistencias aproximadas de 288 kg/cm2-337 kg/cm2 y un módulo de ruptura de 35 kg/cm2-38.6 kg/cm2, para un contenido de vacíos de 15%, se logran aproximadamente 210 kg/cm2-246 kg/cm2 y módulo de ruptura de 28 kg/cm2 - 32 kg/cm2 y finalmente para contenido de vacíos de 20%, se logran aproximadamente 147 kg/cm2 -175 kg/cm2 y módulo de ruptura de 20 kg/cm2 -25 kg/cm2. Por lo tanto, esta investigación tiene como objetivo general Diseñar un pavimento permeable como sistema alternativo para el drenaje urbano en la localidad de Molinopampa, Amazonas; lo cual se pretende alcanzar con los siguientes objetivos específicos:
• Caracterizar hidrológicamente el área donde se desarrollará el proyecto.
• Identificar los parámetros existentes que definirán el tipo de solución a abordar según el destino final de las aguas filtradas por el pavimento.
• Caracterizar un diseño de pavimento permeable que cumpla con la demanda máxima de permeabilidad, resistencia de compresión y tracción, para ser aplicado la localidad de Molinopampa.
23
MATERIALES Y MÉTODOS
2.1. Muestra y muestreo
El proyecto está constituido por un universo muestral representada por las seis calles no pavimentadas de la localidad de Molinopampa, donde se realizará un tipo de muestreo no probabilístico discrecional o intencional, cuya variable de estudio será el pavimento en la que evaluaremos la capacidad de drenar un volumen de agua y proporcionar resistencia estructural adecuada para resistir un cierto nivel de tráfico.
2.2. Métodos
2.2.1. Caracterización hidrológica
El procedimiento para estimar la tormenta de diseño y los caudales aportantes por una cuenca urbana, se realizó aplicando dos modelos: “Frederich Bell” y “Soil Conservation Service” (SCS). Donde se calculó la precipitación (mm) y la intensidad (mm/hora).
2.2.1.1.Modelo de Frederich Bell (1969)
Permite calcular la lluvia máxima asociada a un periodo de retorno y una duración de tormenta, usando como valor índice la lluvia de una hora de duración y 10 años de periodo de retorno.
La expresión es la siguiente:
PtTR = (0.21 ∗ LnT
R+ 0.52) ∗ (0.54 ∗ t0.25− 0.50) ∗ PTR=10
t=60′ … (1)
Donde:
𝐏𝐭𝐓 : Lámina de lluvia en el tiempo “t” (min) para un periodo de retorno “T” (años).
𝐏𝐓
𝟏=𝟏𝟎
𝐭𝟏=𝟔𝟎 : Lámina de lluvia para tiempo de retorno T=10 años y t=1hora = 60 min
𝐓𝐑 : Tiempo de retorno en años.
t : Periodo de duración = al tiempo de concentración en minutos.
24
Calculamos Pmax en 24 horas para un periodo de retorno de 10 años, para lo cual se usó las precipitaciones máximas en 24 horas, calculados a través de las distribuciones Gumbel, Normal, Log Normal 2 parámetros, log normal, Log Gumbel y Log Pearson tipo III. Ingresamos al programa Hidroesta las precipitaciones máximas en 24 horas para cada año respectivo.
2.2.1.2.Modelo del Soil Conservation Service (SCS)
Se calcula la precipitación máxima en 24 horas usando las distribuciones de Gumbell, Normal, Log normal 2 parámetros, Log normal, Log Gumbel y Log Pearson tipo III. Para diferentes tiempos de retorno. Aplicando la fórmula del SCS obtenemos las intensidades máximas en (mm/h) para diferentes tiempos de retorno, y periodos de duración.
La intensidad de las lluvias para diferentes periodos de retorno y tiempos de concentración, se calcula mediante la siguiente expresión:
𝐈𝐓 =
0.280049∗PPTR
TC0.6 …(3) Dónde:
𝐈𝐓 : Intensidad de lluvia (mm/hr), para un tiempo de retorno.
𝐏𝐏𝐓𝐑 : Precipitación Máxima 24 horas (mm), para un tiempo de retorno.
25 2.2.2. Coeficientes de escorrentía Tabla 1. Coeficientes de escorrentía
Característica de la
superficie Coeficiente C
Calles
Pavimento Asfaltico 0,70 a 0,95 Pavimento de concreto 0,80 a 0,95 Pavimento de Adoquines 0,70 a 0,85
Veredas 0,70 a 0,85
Techos y Azoteas 0,75 a 0,95 Césped, suelo arenoso
Plano (0-2%) pendiente 0,05 a 0,10 Promedio (2%-7%) pendiente 0,10 a 0,15 Pronunciado (>7%) pendiente 0,15 a 0,20 Césped, suelo arcilloso
Plano (0-2%) pendiente 0,13 a 0,17 Promedio (2%-7%) pendiente 0,18 a 0,22 Pronunciado (>7%) 0,25 a 0,35
Praderas 0,20
Fuente: Reglamento Nacional de Edificaciones, 2016
Cuando la cuenca se compone de superficies de distintas características, el valor de C, se obtiene como una medida ponderada:
C =
C
1∗ A
1+ C
2∗ A
2+ ⋯ +C
n∗ A
nA
1+ A
2+ ⋯ + A
n=
∑
ni=1C
i∗ A
i∑
ni=1A
i… (4)
Donde:
C
: coeficiente de escorrentía ponderado.Ci
: coeficiente de escorrentía para el área AiAi
: área parcial in
: número de áreas parciales 2.2.3. Cálculo de infiltración2.2.3.1.Ensayo Muntz o de cilindros concéntricos
El ensayo de cilindros concéntricos entrega una medida del coeficiente de permeabilidad vertical en las capas superficiales del suelo y se puede utilizar sólo si la napa es profunda.
26 Donde:
f: Tasa de infiltración en mm/hora. A: Área del cilindro interior en cm2. V: volumen incorporado en cm3 Δt: tiempo en segundos
2.2.4. Diseño hidráulico y estructural del pavimento permeable
Para el diseño de las capas del pavimento de concreto permeable se considerará dos componentes; un diseño hidráulico y un diseño estructural.
Para el diseño hidráulico del pavimento permeable realizara lo siguiente:
• Determinar la intensidad de Precipitación y el caudal máximo de diseño.
• Determinar la capacidad de infiltración del suelo.
• Estimar las características de percolación de la capa de pavimento.
• Determinar el volumen de almacenamiento (proporcionado por los poros de la sub-base) para alcanzar tasas de rendimientos adecuados.
• Estimar la necesidad, y en su caso cuantificar la capacidad del drenaje longitudinal adicional.
Mientras que el diseño estructural de un pavimento permeable se centra básicamente en la definición del espesor mínimo de la estructura. En este caso, los criterios de diseño deben ser aquellos que proporcionen la capacidad portante adecuada a la categoría de tráfico que deba soportar el pavimento, sin que esta sufra deformaciones importantes; para ellos se contemplan el siguiente procedimiento:
• Establecer la categoría del tráfico.
• Comprobar la capacidad de soporte de la explanada para asegurar la capacidad portante de la estructura. En caso de ser necesario, mejorar la capacidad portante.
• Seleccionar el tipo de sub-base y su espesor.
• Determinar el espesor de la superficie permeable.
27
Se seguirá la metodología que se plantea de acuerdo a los métodos de diseños propuestos, en el cual se combinaran y se complementaran para tener un diseño hidráulico y estructural adecuado. Además, los resultados se corroborarán con los lineamientos de la norma CE.010 Pavimentos Urbanos.
2.2.4.1.Método (MINVU-DICTUC, 1996)
La metodología chilena fue realizada por la Dirección de Investigaciones Científicas y Tecnológicas -DICTUC- (1996). La aplicación de la presente metodología inicia con la selección de una lluvia de diseño y tomando el promedio de los valores obtenidos en diferentes lugares representativos, de ensayos realizados al nivel de la subrasante.
Dimensionamiento
Espesor total del pavimento. El valor mínimo del espesor total que debe tener el pavimento (desde la parte superior de la carpeta de rodado hasta la parte superior de la subrasante), está condicionado por las características de capacidad de soporte de la subrasante y por el tráfico. En el caso de pavimentos porosos debe considerarse además las necesidades de almacenamiento de la subbase.
MINVU-DICTUC (1996) establece espesores mínimos para pavimentos porosos en asfalto o concreto de acuerdo a la experiencia del Servicio de Vivienda y Urbanismo. Tabla 2. Espesores mínimos de las capas de un pavimento permeable
Fuente: MINVU-DICTUC, 1996
Para las características estructurales de los materiales que componen las capas de rodado, base y subbase, MINVU-DICTUC (1996) exige las siguientes:
Tabla 3. Características estructurales de los materiales
Capa Espesor mínimo (cm)
Carpeta de rodado: pasajes y solo peatón 4 Carpeta de rodado: Calles de bajo trafico 5
Base 15
Sub-base granular 15
Capa Características estructurales Carpeta de rodado:
pasajes y solo peatón
Sobre 8000N según ensayo de estabilidad Marshall Espesor > 4 cm
28 Fuente: MINVU-DICTUC, 1996
Además Debo y Reese (como se citó en MINVU-DICTUC, 1996), recomiendan espesores totales del pavimento de acuerdo a experiencias con este tipo de obras en E.E. U.U. para calles de tráfico ligero.
Tabla 4. Espesores mínimos para el total del pavimento
Fuente: MINVU-DICTUC, 1996.
Percolación de la capa del pavimento.
La capacidad de percolación de la capa del pavimento por lo general es significativamente mayor que la máxima intensidad de la lluvia de cálculo.
Normalmente no suele ser un factor limitante en el diseño hidráulico (García, 2011). Un sistema de pavimento permeable de moderada porosidad puede tener valores típicos de 143 L/m2/min, el cual es equivalente a una razón de infiltración de 6,077 cm/s (8600 mm/hora) de 100 veces la infiltración que las arenas saturadas, es por ello que la permeabilidad del concreto no se considera como un criterio crítico de diseño (Solano, 2009).
Una sección de concreto permeable con 20% de espacio vacío con 6 pulgadas (150 mm) de espesor de la sección del pavimento, es suficiente para mantener a más de 1 pulgada (25 mm) de agua de lluvia, además, si el concreto permeable se coloca sobre un espesor de 6 pulgadas (150 mm) de una sub-base de piedra triturada, la capacidad total del sistema aumenta a aproximadamente 2½ pulgadas (65 mm); por lo tanto el espesor mínimo del pavimento de concreto permeable será determinado por las necesidades estructurales del sistema de pavimento mas no por su permeabilidad (Sánchez, 2012).
Base CBR > 80% y espesor > 15 cm
Sub-base granular CBR > 40% y espesor > 10 cm
CBR Subrasante en % Espesor mínimo en cm
Menos de 6 6 a 9
No usar pavimento poroso 22,5
29 Subbase y volumen de almacenamiento.
El diseño base del pavimento permeable, normalmente arroja una subbase con espesores entre 15 y 30 cm para formar un lecho permeable, este cálculo está dado por la capacidad necesaria de almacenamiento y evacuación de las aguas de lluvia. Dada una lluvia de diseño el volumen de almacenamiento se estima como la máxima diferencia entre el volumen acumulado de aguas lluvias que recibe la subbase y el volumen acumulado infiltrado.
Se determina el volumen a infiltrar acumulado para una lluvia de período de retorno de T años como el generado por las intensidades medias, de acuerdo a la curva IDF correspondiente. Es decir, el volumen acumulado de agua lluvia, Vafl, en metros cúbicos, para un tiempo t, en horas, se calcula con:
Vafl(t) = 1,25(0.001C ∗ Id∗ Ad) = 0,00125C ∗ APtT… (6)
Donde:
C: coeficiente de escorrentía superficial correspondiente al área total aportante A: área total aportante (metros cuadrados)
Id: intensidad de la lluvia de período de retorno T y duración d (mm/h) t: tiempo acumulado de lluvia (horas)
APtT: precipitación acumulada en el tiempo d para la lluvia de periodo de retorno de T años.
Se recomienda multiplicar por un factor de seguridad de 1,25 el volumen acumulado para considerar la porción de lluvia que cae antes y después de la porción más intensa de la tormenta, no incluida en las curvas IDF.
El volumen acumulado infiltrado Vinf (t), en metros cúbicos, está dado por:
Vinf(t) = 0.001(f ∗ Cs∗ Apav∗ t) … (7)
Donde:
f: capacidad de infiltración del suelo, que corresponde al suelo que subyace al pavimento (mm/h)
30
Cs: coeficiente de seguridad que afecta la capacidad de infiltración. Dependiendo de las propiedades del agua y las condiciones de mantenimiento que toma en cuenta los efectos de la colmatación en el tiempo que experimenta el suelo.
Se recomienda calcular el coeficiente Cs según el siguiente procedimiento:
El volumen de almacenamiento necesario se calcula con:
𝑉𝑎𝑙𝑚 = 𝑚𝑎𝑥 (𝑉𝑎𝑓𝑙(𝑡) − 𝑉𝑖𝑛𝑓(𝑡)) … (8)
Si la tasa de infiltración del terreno es siempre mayor que la intensidad de la lluvia, incluso que la de menor duración, entonces no se requiere un volumen de acumulación en la sub-base, sino que bastará con la superficie de contacto con la sub-rasante para la infiltración.
El espesor necesario de la sub-base es:
𝑒 = 𝑉𝑎𝑙𝑚
𝑝 ∗ 𝐴𝑝𝑎𝑣
… (9)
Dónde: 𝑝 es la porosidad del material de la sub-base; la porosidad generalmente varía entre 38% a 46% para gravas uniformes, pero para fines de diseño se recomienda adoptar solo un 30%.
Se recomienda que el tiempo máximo de vaciado del volumen almacenado en la sub-base sea inferior a 48 horas. Este tiempo máximo (en horas) se puede estimar con:
tm= p∗e
Cs∗f … (10)
¿El caudal afluente es de buena calidad?
¿Habrá una
mantención regular? mantención regular? ¿Habrá una
si
no
si
no
si
no
1
3/4
1/2
31 Donde:
e: espesor definitivo asignado a la sub-base (mm)
f: tasa de infiltración del suelo o de la sub-rasante (mm/h)
Cs: coeficiente de seguridad adoptado
p : porosidad del relleno de la sub-base
En el caso de pavimentos que no infiltran las aguas lluvias en el lugar es necesario instalar drenes en el fondo de la subbase, que son ejecutados normalmente tuberías de PVC, se colocan en una zanja rodeada de un filtro geotextil, para prevenir el ingreso de partículas. Estos drenes sustituyen la capacidad de infiltración del terreno, cuando este opere existirá un volumen acumulado infiltrado, entonces será necesario calcular el volumen de almacenamiento correspondiente.
Capacidad de drenaje longitudinal
Máximo volumen de almacenamiento para la subbase se calcula a partir de la ecuación 9.
e =
Valmp∗Ae
• e = 0,15 m. Espesor mínimo de la subbbase según (MINVU-DICTUC, 1996).
• p = 0,30 Porosidad del material de la subbase.
• Ae = Área del pavimento.
Valm = e ∗ p ∗ Ae = 0,15 ∗ 0,30 ∗ Ae = 0,045Ae…(11)
Dado que la descarga del dren longitudinal sustituye la capacidad de infiltración del suelo (subrasante), se calcula una tasa de infiltración a partir de la cual no se supere el máximo volumen de almacenamiento que se calcula para la subbase. Se aplica la ecuación 8.
Valm = [0,00125 ∗ C ∗ A ∗ PtT− 0.001 ∗ Cs ∗ f ∗ Ae ∗ t]
Despejando la infiltración f tenemos:
f = [
0,00125∗C∗A∗PtT−Valm32
El valor de f representa la tasa de infiltración mínima para que el sistema opere según la condición dada al inicio. Se resuelve esta ecuación para diferentes duraciones (t) de la tormenta y características de cada calle.
Con la tasa de infiltración estimada se determina la capacidad de infiltración en el terreno, la que debe ser reemplazada por la capacidad de salida del dren longitudinal.
Qsmin = f ∗ Ae …(13)
Con este caudal de salida se estima un diámetro mínimo de tubería a considerar en los drenes longitudinales, que sea capaz de evacuar todo el caudal de salida de la subbase.
Asimismo, se debe calcular el flujo a través de las perforaciones por metro de tubería, para garantizar la capacidad mínima. Este flujo se calcula con la expresión siguiente:
Qperf = N ∗ Cd ∗ A ∗ (2 ∗ g ∗ h)0,5 …(14)
Donde:
• Qperf : Flujo a través de las perforaciones, en m3/s por metro de tubería.
• N: Número de perforaciones en un metro de tubería.
• Cd = 0,8 Coeficiente de descarga recomendado.
• A = Sección transversal de cada perforación en m2. Según MOP, 2013 a (como se citó en Barahona, 2014) la tubería debe asegurar una superficie filtrante de acuerdo al diámetro de este, tal como se muestra en la tabla siguiente.
Tabla 5. Diámetro y superficie filtrante Diámetro
nominal (mm)
Superficie filtrante (cm2/m)
50 31,4
63 39,6
75 47,1
90 56,5
110 69
150 94,2
200 125,6
250 157
300 188,4
33
• h = 0,005 m. Máxima altura del agua sobre el orificio recomendada.
Cabe señalar que quien controla la capacidad de salida en el sistema es la capacidad hidráulica de la tubería y no la sumatoria de flujos de flujos que fluyen por lo orificios, ya que el sistema debe recolectar por toda la longitud del dren.
Se avalúa la tubería con el diámetro seleccionado a sección llena para estimar el caudal máximo, donde se la relación (h/D = 1). Como el sistema funcionara normalmente con escurrimiento a superficie libre, se propone un flujo permanente durante la tormenta y se evalúa la tubería considerando un caudal de salida equivalente a la capacidad mínima de descarga. La capacidad hidráulica se calcula mediante la ecuación de Maning para flujo uniforme. Además, la velocidad del agua en las conducciones de drenaje debe estar comprendida entre 0,70 m/s a 4,0 m/s y las pendientes no deben ser inferior a 0,5% (MTC, 2005).
Finalmente, como la capacidad hidráulica del dren sustituye la capacidad de infiltración en el terreno, se procede a determinar la tasa de infiltración del terreno como:
f =Qsalida
Ae …(15)
Con esta tasa de infiltración y aplicando la ecuación 7, se determina el volumen acumulado infiltrado para cada calle.
Ahora se identifica el volumen de almacenamiento máximo durante todo el periodo de duración de la tormenta y evaluar si este es mayor que la capacidad mínima de la subbase, si esto es así entonces implica que la subbase requiere de un espesor mayor. El espesor necesario se calcula con la ecuación 9.
El tiempo máximo de vaciado del volumen almacenado en la subbase, debe ser inferior a 48 horas, esto para que cuando vuelva a ocurrir una nueva tormenta esta no se encuentre saturada y pueda gestionar las aguas correctamente.
34
Así también, se considera el diseño de detalles de todos los elementos adicionales para que la obra opere adecuadamente según las condiciones del lugar y otros usos asignados.
Se diseñan zarpas o separadores en la subbase para evitar que en esta se genere un flujo en la dirección de la pendiente distorsionando la capacidad de almacenamiento. Estos separadores consisten en paredes o zarpas verticales de concreto espaciadas en la dirección de máxima pendiente a distancias máximas dadas por:
Lmax= e
2S0 … (16)
Donde:
e: es espesor de la subbase. S0 :es la pendiente longitudinal
Además, se considera en el diseño los límites para la zona drenada, de manera que no lleguen a él flujos excesivos desde otras zonas no consideradas en el diseño. 2.2.4.2.Método (Interpave, 2010)
La metodología INTERPAVE se basa en el diseño que especifica el manual SUDS, la aplicación de la siguiente metodología inicia con la selección de un sistema de pavimento apropiado, que toma en cuenta los datos del coeficiente de permeabilidad de la subrasante en (m/s) obtenidos con el desarrollo de pruebas de infiltración realizadas en el área de estudio. Es por eso que esta guía define tres sistemas principales descritos como sistemas A, B Y C como muestran las figuras a continuación.
35
La elección del sistema a utilizar (A, B Y C) de realiza de acuerdo a la tabla descrita a continuación:
Tabla 6. Selección del tipo de sistema según características de la subrasante.
Fuente: Interpave, 2010.
Características de la SISTEM A A infiltraci
ón total
SISTEMA B SISTEMA C
subrasante Infiltración
parcial
No infiltración
Permeabilidad de subrasante definida por coeficiente de
permeabilidad K (m/s)
10-6 a 10-3 ✓ ✓ ✓
10-8 a 10-6 X ✓ ✓
10-10 a 10-8 X X ✓
El más alto nivel esperado de agua
entre 1000 mm X X ✓
Contaminante en la Subrasante X X ✓
Figura 2. Interpave, 2010. Sistema B infiltración parcial
36
Para la selección del tipo de suelo sobre el cual se desarrolla la investigación, se utiliza los valores de infiltración y de CBR del suelo obtenidas a través de pruebas de infiltración y calicatas, tal como se detalla en la siguiente tabla:
Tabla 7. Datos de permeabilidad y capacidad portante del suelo.
Fuente: Interpave, 2010.
Una vez definido el sistema a utilizar (A, B y C) el proceso para diseño estructural comprende las siguientes etapas:
Etapa 1
Se utiliza la Tabla 9 para seleccionar la categoría de carga, de 1 a 6. Etapa 2
Se utiliza la Tabla 9 para determinar los espesores del pavimento. En esta tabla se muestra los sistemas A y C de pavimentos permeables.
Etapa 3
Ajuste de los espesores de la tabla de diseño para pavimentos instalados sobre la subrasante de CBR menos del 5% utilizando la tabla 8.
Tabla 8. Ajuste de CBR de la subrasante. CBR de
subrasante
Ajuste al espesor de agregado grueso clasificado en el caso de Sistema A y Sistema B (en filtración)
pavimento(mm)+
El espesor total de la nivelación material en el caso del sistema C (Detención) pavimentos (mm)
1% 300 "^ 600*
2% 175^ 350
3% 125^ 250
4% 100^ 200
5%
Use espesores en grafico diseño 150
8% 10% 15%
Fuente: Interpave, 2010. Clasificación de suelo
El rango típico de coeficiente de la permeabilidad K (ms)
El rango típico de los valores de CBR
Arcilla pesada 10-10a 10-8 2 a 5
Arcilla limosa 10-9 a 10-8 3 a 6
Arcilla arenosa 10-9 a 10-6 5 a 20
Arena pobremente graduada 5x10-6 a 5x10-7 10 a 40
Arena bien graduada 5x10-6 a 10-4 10 a 40
37
* asesoramiento experto debe buscarse en el caso de los pavimentos construidos sobre las subrasantes de CBR menos del 2%. ^ Explanadas de CBR menos de 5% son a menudo demasiado finos para permitir suficiente filtración. Tenga en cuenta que el grueso adicional valores agregados graduadas en esta columna se pueden aplicar, en el caso de Sistema C, en lugar del espesor tapado mejorado.
38 Tabla 9. Categorías de carga
CANTIDAD DE VEHÍCULOS PESADOS
POR SEMANA
MILLONES DE EJES ESTANDAR
(msa)
EJEMPLOS SIN INFILTRACIÓN CON INFILTRACIÓN
1 (Parqueadero
Doméstico)
No se permiten vehículos pesados por
semana
Cero ejes estándar
Patio, caminos privados, elementos decorativos, parque cerrado y aceras sin invasión de vehículos
2 (Carros)
Emergencia (sólo
Vehículos pesados) 100 ejes estándar
Bahías y pasillos de aparcamiento, plataforma de carga de una estación de ferrocarril, exposición externa de carros, estadio deportivo, ruta peatonal, aceras ocasionalmente invadida por vehículos y calles
privadas.
3 (Peatonal)
Un vehículo pesado
por semana 0,015 msa
Calles peatonales en ciudades y pueblos, accesos infantiles, zonas de aparcamiento para un desarrollo residencial, jardines, áreas externas, cementerios, crematorios, parqueaderos de hoteles y aeropuertos sin paradas o recogida de buses y centros deportivos
39 4
(Tiendas)
Diez Vehículos
pesados por semana 0,15 msa
Vías de acceso de entrega en desarrollos comerciales, calles de acceso a escuelas y colegios, vía de entrega a desarrollos residenciales pequeños, vías de entrega a jardines o huertos, patio de estación de bomberos, parqueadero de aeropuertos con buses hacia el terminal, ruta de
acceso a estadios deportivos
5 (Comercial)
100 vehículos
pesados por semana 1,5 msa
Locales comerciales, vía pública de tráfico ligero, desarrollo ligero de industrias, mixtos al por menos/desarrollos industriales, plaza de ciudad, aceras con invasión regular de vehículos, carreteras públicas de aeropuertos
6 (Tráfico
pesado)
1000 vehículos por
semana 15 msa
Calles principales, centros de distribución, estación de buses (buses cada cinco minutos), autopistas, paradas de camiones, parada de buses, glorieta, carriles de buses
40
La Tabla 9 muestra los pavimentos de diferentes tipos y la categoría de carga. También muestra el número máximo de ejes 8,000kg estándar para cada categoría de carga basadas en la suposición de que las aceras están diseñadas para lograr una vida de 25 años.
Además, la tabla 9 proporcionan las secciones para seleccionar los tipos de grosor y el material supuesto del pavimento propuesto, si el pavimento es el Sistema A o B (infiltración total o parcial) o Sistema C (sin infiltración). el pavimento resultante será adecuado para las subrasantes de CBR 5%. En el caso del sistema C donde el agua está contenida dentro del pavimento, este será normalmente el equilibrio de succión e índice de CBR y, en el caso del sistema A y el sistema B en pavimentos permeables, este será el CBR saturado.
En el caso de pavimentos de detención, sistema C muestra la ubicación de la membrana impermeable. Es importante que la membrana impermeable está instalada por encima de aquellos materiales que se deterioraría si se saturaran. Esto significa que la membrana impermeable está instalada en la interfaz del agregado grueso clasificado y el material de recubrimiento. La membrana impermeable es llevada a justo por debajo de la superficie del pavimento en su perímetro para maximizar el volumen de detención del pavimento.
Sistema A y Sistema B en pavimentos permeable no incluyen una membrana impermeable pero sí incluyen un material geotextil en la interfaz entre el grueso graduada agregada y la sub-base. Esta capa no es llevada a la superficie en el perímetro del pavimento.
2.2.5. Materiales empleados en la capa de transición (base), sub-base permeable, geotextil, membrana impermeable
Capa de transición. La granulometría de la capa de transición debe permitir el flujo vertical del agua y a la vez garantizar la estabilidad del pavimento, debe buscarse un material granular fino de 1,3 cm de diámetro (MINVU-DICTUC, 1996).
41
el almacenamiento. El material debe ser mínimo 2,5 cm y máximo 7,5 cm, (MINVU-DICTUC, 1996).
Geotextil. El geotextil es el filtro que evita la migración de finos a las capas de agregados gruesos y contribuye a la estabilidad del pavimento. Este puede ser tejido o
no tejido. Debiendo ser instaladas con traslapes entre tiras adyacentes de un mínimo de
30 cm (Interpave, 2010).
Membrana impermeable. En el caso de retención completa, para aprovechamiento de agua lluvia, en la subrasante, se debe instalar una membrana impermeable de polietileno que detenga el agua dentro de la zona de almacenamiento, el calibre debe ser calculado de acuerdo a la carga aplicada y a la resistencia al punzonamiento, esta información deberá proveer el fabricante (Interpave, 2010).
2.3. Análisis de datos
Estadística descriptiva: se realizó el análisis de datos históricos de registros pluviométricos de precipitaciones máximas mensuales en 24 horas, se aplicó cinco métodos de distribución Gumbel, Normal, Log normal de 2 parámetros, Log Gumbel y Log Pearson tipo III. Con estas distribuciones se estimó la probabilidad de ocurrencia de la precipitación máxima en mm en 24 horas para un periodo de retorno y un riesgo admisible.
2.4. Resultados.
2.4.1. Caracterización hidrológica 2.4.1.1.Información pluviométrica
La información pluviométrica procesada es la de la estación Chachapoyas (SENAMHI), que está conformada por los datos de precipitación (mm) máximas en 24 horas, con 20 años de antigüedad. Esta información se detalla en el anexo 1. 2.4.1.2.Tormenta de diseño.
Se calculó la precipitación máxima en 24 horas en el cual se consideró un periodo de retorno de T=10 años, que es lo que sugiere la guía de diseño (MINVU-DICTUC, 1996) si la red de drenaje aguas abajo no está bien desarrollada que es el caso de este estudio.
42
en distribuciones estadísticas para cálculos de datos pluviométricos “HidroEsta” se procedió con lo siguiente:
Distribución Gumbel
Para una distribución Gumbel se obtiene lo siguiente:
Esta observación nos indica que la información es confiable con un nivel de significancia del 5%.
43 Distribución Normal
Para una distribución Normal se obtiene lo siguiente:
44 Distribución Log Normal 2 parámetros
Para una distribución Log normal 2 parámetros se obtiene lo siguiente:
45 Distribución Log Gumbel
Para una distribución Log Gumbel se obtiene lo siguiente:
46 Distribución Log Pearson tipo III
Para una distribución Log Pearson tipo III se obtiene lo siguiente:
Con esta distribución para un periodo de retorno de 10 años nos arroja una precipitación máxima en 24 horas de 58,96 mm.
Precipitaciones máximas
La precipitación máxima en 24 horas, empleadas para los cálculos y el diseño será la más desfavorable calculada con las 5 distribuciones:
Tabla 10. Precipitaciones máximas probables.
Según la tabla 10. La precipitación máxima y más desfavorable corresponde a una distribución Log Gambel (59,03 mm).
distribución periodo de precipitación retorno (años) máxima 24h (mm)
Gumbel 10 58,29
Normal 10 58,02
Log normal 2 parámetros 10 58,65
Log Gambel 10 59,03
47
Luego aplicando los dos modelos calculamos la lámina de lluvia para diferentes periodos de retorno.
Modelo Frederich Bell
Con la máxima precipitación calculada (59,03 mm) Se calculó:
𝐏𝐓
𝟏=𝟏𝟎
𝐭𝟏=𝟔𝟎
: Lamina de lluvia para tiempo de retorno T=10 años y t=1hora = 60 min De la expresión es la siguiente:
PTt=1hR=10 años = 0,3862 ∗ 59,03 = 22,80mm Reemplazando en la ecuación 2.
PtTR = (0,21 ∗ LnT
R+ 0,52) ∗ (0,54 ∗ t0,25− 0,50) ∗ 22,88
Se muestran los resultados en los siguientes cuadros.
Tabla 11. Valores de precipitación en mm, para diversos TR y Dt=t periodo duración
Dt: min
Tiempo de retorno en años
2 5 10 25 50
10 6,98 9,00 10,53 12,55 14,08
20 9,74 12,56 14,69 17,50 19,63
48
Tabla 12. Intensidades de precipitación en mm/hora; para diversos TR y Dt=t Tiempo de retorno en años
2 5 10 25 50
10 41,90 54,02 63,18 75,30 84,46
20 29,22 37,67 44,06 52,51 58,90
30 23,18 29,88 34,95 41,65 46,72
40 19,53 25,17 29,45 35,09 39,36
50 17,04 21,97 25,70 30,62 34,35
60 15,22 19,62 22,94 27,34 30,67
120 9,77 12,59 14,73 17,55 19,68
180 7,47 9,64 11,27 13,43 15,07
240 6,17 7,95 9,30 11,08 12,43
300 5,30 6,84 8,00 9,53 10,69
360 4,68 6,04 7,06 8,42 9,44
480 3,85 4,96 5,80 6,91 7,75
600 3,30 4,25 4,97 5,92 6,64
720 2,90 3,74 4,38 5,22 5,85
840 2,61 3,36 3,93 4,69 5,26
960 2,38 3,06 3,58 4,27 4,79
1080 2,19 2,82 3,30 3,93 4,41
1200 2,03 2,62 3,06 1,58 4,10
1320 1,90 2,45 2,86 3,41 3,83
1440 1,79 2,30 2,69 3,21 3,60
Modelo del Soil Conservation Service (SCS).
En base a los valores obtenidos de las precipitaciones y mediante la expresión del Soil Conservation Service (ecuación 3) se calcula la intensidad de las lluvias, para diferentes periodos de retorno y tiempos de concentración.
49 Distribución Gambel
50 Distribución Log Normal 2 parámetros
51 Distribución Log Pearson tipo III
Precipitaciones máximas
Las precipitaciones máximas en 24 horas, calculadas con las 5 distribuciones se muestran en la siguiente tabla.
Tabla 13. Valores de precipitaciones máximas.
Finalmente aplicando la fórmula del SCS obtenemos las intensidades máximas en (mm/h) para diferentes tiempos de retorno, y periodos de duración.
DISTRIBUCION Tiempo de retorno en años
2 5 10 25 50
52
Tabla 14. Intensidades de precipitación en mm/hora; para diversos TR y Dt=t
periodo duración
Dt: min
Tiempo de retorno en años
2 5 10 25 50
10 32,00 41,06 48,44 59,68 69,68 20 21,11 27,09 31,96 39,37 45,97 30 16,55 21,24 25,06 30,87 36,04 40 13,93 17,87 21,08 25,98 30,33 50 12,18 15,63 18,44 22,72 26,53 60 10,92 14,01 16,53 20,37 23,78 120 7,21 9,25 10,91 13,44 15,69 180 5,65 7,25 8,55 10,54 12,30 240 4,75 6,10 7,20 8,87 10,35 300 4,16 5,34 6,29 7,75 9,05 360 3,73 4,78 5,64 6,95 8,12 480 3,14 4,02 4,75 5,85 6,83 600 2,74 3,52 4,15 5,12 5,97 720 2,46 3,16 3,72 4,59 5,35 840 2,24 2,88 3,39 4,18 4,88 960 2,07 2,66 3,13 3,86 4,51 1080 1,93 2,47 2,92 3,60 4,20 1200 1,81 2,32 2,74 3,38 3,94 1320 1,71 2,19 2,59 3,19 3,72 1440 1,62 2,08 2,46 3,03 3,53
Figura 4. Curvas IDF Modelo Frederich.Bell vs Soil Conservation Service.
0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00
In
ten
sid
ad
es
Má
x
im
as
en
m
m
/h
o
ra
Imtérvalos de Duración en minutos
Curvas Intensidad-Duración-Frecuencia (IDF)
53
De la figura 1 se puede apreciar que el modelo de frederich Bell calculados con la precipitación máxima en 24 horas correspondientes a una distribución de Log Gumbel y diferentes periodos de retorno de 2,5,10,25,50 años, es el que da una mayor intensidad de precipitación, es por ello que para el diseño se considerará los valores calculados con este modelo.
2.4.2. Parámetros existentes del suelo.
2.4.2.1.Capacidad de infiltración de la subrasante.
Se realizó dieciocho pruebas de infiltración distribuidas en las seis calles en estudio; el número de pruebas para cada calle se distribuyó de acuerdo a la longitud de estas, obteniendo los resultados como se muestra en la tabla siguiente:
Tabla 15 .Número de pruebas de infiltración por calle
CALLE N° DE
PRUEBAS
Héroes del Cenepa 1
Corpus Cristi 2
Independencia 3
21 de Noviembre 4
El Molino 4
José Olaya 4
TOTAL 18
La tasa de infiltración se determinó mediante el ensayo de Muntz (anexo 2). 2.4.2.2.Capacidad de soporte CBR de la subrasante.
los parámetros de estudio de suelos fueron obtenidos del estudio de mecánica de suelos realizados para el proyecto “Creación de pistas, veredas y cunetas en las calles Matiaza Rimachi, Tupac Amaru, Amazonas, 5 de febrero, Ayacucho, Jardines de la Paz de la localidad de Molinopamapa, distrito de Molinopampa – Chachapoyas – Amazonas” (anexo 3).
2.4.3. Diseño del pavimento permeable en la localidad de Molinopampa. 2.4.3.1.Diseño hidráulico método (MINVU-DICTUC, 1996).
Coeficiente de escorrentías
54 Definición del sistema a instalar
De acuerdo a lo resultados de las pruebas de infiltración (Anexo 2) se determinó una tasa de infiltración de la subrasante de 12 mm/h que equivale a 3,33x10-6 m/s, que según la tabla 6 propuesta por (Interpave, 2010) estaría entre los intervalos de 10-8 a 10-6 m/s, lo que indica que los sistemas que se ajustan a estos valores serian el sistema B y C.
Además MINVU-DICTUC (1996), precisa que para instalar un sistema de pavimentos permeables con infiltración completa, la tasa de infiltración debe ser mayor que 13 mm/hora, ya que de dimensionar con tasa de infiltración menores daría como resultados espesores de la subbase excesivas y poco rentables. Ante esto se optó por un sistema de pavimento permeable sin infiltración al terreno. Para ello se diseñará un dren longitudinal (mediante tubería de PVC perforada) que conduzca hacia un punto de evacuación o estanque de almacenamiento el volumen afluente de la lluvia, con el fin de que pueda ser utilizado posteriormente en algún uso no potable (riego, lavado de vehículos, etc.).
Cabe señalar que dentro de los objetivos de esta tesis no está diseñar el sistema posterior (estanque de almacenamiento), pero si los elementos para evacuar el agua hasta este, lo cual incluye un dren longitudinal.
Factibilidad
Según MINVU-DICTUC (1996) las condiciones para la instalación de pavimentos permeables se tiene que verificar lo siguiente:
• Pendiente longitudinal menor a 5%; es factible para todas las calles.
• Napa freática no se encontró en calicatas de hasta 1.50m de profundidad esto es mayor a lo que el método sugiere (1,20 m).
• Capacidad de soporte CBR 8,31% es mayor que 6%; es factible.
• Tasa de infiltración f = 12 mm/hora menor a 13 mm/hora, se plantea un sistema sin infiltración al suelo, entonces en el cálculo se considerará una tasa de infiltración de cero.
55
rentable, además, las cargas de limo en el pavimento permeable se hacen excesivas a mayores proporciones y aumenta el riesgo de obstrucción de la superficie (Interpave, 2010).
• Coeficiente de seguridad 1/2 debido a que se considerara que el afluente es de mala calidad y habrá un mantenimiento regular.
Dimensionamiento
Por contemplar un pavimento sin infiltración al terreno, se diseñó de un dren longitudinal que sustituye a la capacidad de infiltración del terreno, cuando este opere entonces existirá un volumen acumulado infiltrado y por ende se determinó un volumen de afluente acumulado y un el volumen de almacenamiento.
Volumen afluente acumulado: se determina según la ecuación 6 Tabla 16. Volumen afluente acumulado para cada calle.
Duración Pt10
HÉROES DEL CENEPA
CORPUS
CRISTI INDEPENDENCIA
21 DE
NOVIEMBRE EL MOLINO
JOSÉ OLAYA
(Horas) (mm) Vafl Vafl Vafl Vafl Vafl Vafl (m3) (m3) (m3) (m3) (m3) (m3)
56
Capacidad de drenaje longitudinal adicional y espesor de subbase
Se determinó a partir máximo volumen de almacenamiento para un espesor de subbase de 20 cm que es el espesor sugerido según el estudio de mecánica de suelos anexo 2. Este volumen de almacenamiento se calculó con la ecuación 6.
Tabla 17. Máximos volúmenes de almacenamiento para una subbase de 20 cm Calles HÉROES DEL CENEPA CORPUS CRISTI INDEPENDENCIA 21 DE
NOVIEMBRE EL MOLINO
JOSÉ OLAYA Volumen de
almacenamiento. (m3)
87,63 129,10 156,28 203,14 188,83 227,75
Aplicando la ecuación 12 se calcula la tasa de infiltración mínima para que el sistema opere según las condiciones iniciales sin superar el máximo volumen de almacenamiento acumulado para la subbase calculado anteriormente. Esta ecuación se resuelve para las diferentes duraciones de la tormenta como se muestra en la tabla. Tabla 18. Infiltración (f) en mm/hora para diferentes duraciones de tormenta
Duración en horas
HÉROES DEL CENEPA
CORPUS
CRISTI INDEPENDENCIA
21 DE NOVIEMBRE
EL MOLINO
JOSÉ OLAYA
f(mm/h) f(mm/h) f(mm/h) f(mm/h) f(mm/h) f(mm/h) 0,17 -310,51 -302,25 -330,36 -357,91 -359,55 -380,45 0,33 -74,43 -68,67 -88,28 -107,49 -108,63 -123,21 0,50 -13,49 -8,93 -24,48 -39,71 -40,62 -52,18 0,67 10,84 14,69 1,59 -11,25 -12,01 -21,75 0,83 22,54 25,89 14,46 3,26 2,59 -5,91 1,00 28,71 31,71 21,50 11,49 10,90 3,31 2,00 35,44 37,36 30,81 24,39 24,01 19,14 3,00 33,05 34,52 29,51 24,59 24,30 20,57
57
De la tabla se identificó la mayor tasa de infiltración para cada calle (en negrita). Con estas tasas de infiltración se calculó la capacidad de salida aplicando la ecuación 13, los resultados se muestran en la tabla siguiente.
Tabla 19. Capacidad de salida (l/s) para cada calle Calle HÉROES DEL
CENEPA
CORPUS
CRISTI INDEPENDENCIA
21 DE NOVIEMBRE
EL MOLINO
JOSÉ OLAYA Qsmin
(l/s) 14,38 22,33 22,29 23,13 21,24 21,69
Este caudal calculado será evacuado por la tubería a considerar en el dren longitudinal. Para ello se avaluó los diámetros de tubería a sección llena y flujo permanente durante la tormenta considerando un caudal de salida equivalente a la capacidad mínima de descarga. La capacidad hidráulica se calculó mediante la ecuación de Manning para flujo uniforme, en todas las calles se consideró tuberías con características similares, solo se varió las pendientes debido a que se trabajó con la pendiente promedio de cada una. El resultado se muestra en la tabla 20.
Tabla 20. Capacidad hidráulica de tubería de 150 milímetros.
Según la tabla, los máximos caudales que se puede evacuar con la tubería de 150 mm es de 25,32 l/s para el Jr. Héroes del Cenepa, 25,44 l/s para el Jr. Corpus Cristi, 27,13 l/s para el Jr. Independencia, 26,99 l/s para el Jr. 21 de Noviembre, 27,53 l/s para el Jr. El Molino, 25,44 l/s para el Jr. José Olaya. Todos estos caudales son mayores que los caudales de salida que se generan con una subbase de 20 cm de espesor (tabla 19), esto implica que el dren ejecutado con una tubería de 150 mm es capaz de evacuar todo el caudal almacenada en la subbase. Además, la velocidad de escurrimiento para todas las calles está dentro de los rangos permitidos para las
Calles D
(mm) e (mm)
S (%) n
Área mojada
(m2)
Perímetro mojado
(m)
R
(m2) h/D Q (l/s)
V (m/s)
58
condiciones de drenaje que se planteó anteriormente, menor que 4 m/s y mayor que 0,70 m/s.
Con estas características de la tubería que finalmente sustituye la capacidad de infiltración en el terreno, se procede a determinar la nueva tasa de infiltración del terreno aplicando la ecuación 15, esta ecuación se resuelve para cada calle.
Tabla 21. Infiltración en mm/hora Calle
HÉROES DEL CENEPA
CORPUS
CRISTI INDEPENDENCIA
21 DE NOVIEMBRE
EL MOLINO
JOSÉ OLAYA
f
(mm/h) 62,41 42,56 37,50 28,69 31,49 24,12
59 Tabla 22. Volúmenes acumulados infiltrados
Con los volúmenes acumulados infiltrados se calcula los volúmenes acumulados de almacenamiento utilizando la ecuación 8 que viene a ser la máxima diferencia entre el volumen afluente acumulado y el volumen infiltrado acumulado. Los resultados se muestran en la tabla 23.
Duración en horas
HÉROES DEL CENEPA
CORPUS
CRISTI INDEPENDENCIA
21 DE NOVIEMBRE
EL MOLINO
JOSÉ OLAYA
60 Tabla 23. Volúmenes acumulados almacenado Duración
en horas
HÉROES DEL CENEPA
CORPUS
CRISTI INDEPENDENCIA
21 DE NOVIEMBRE
EL MOLINO
JOSÉ OLAYA
Valm Valm Valm Valm Valm Vinf (m3) (m3) (m3) (m3) (m3) (m3) 0,17 42,24 67,27 76,43 94,06 86,28 99,78 0,33 54,32 89,21 101,68 126,29 115,33 134,55 0,50 59,92 101,40 115,92 145,24 132,10 155,34 0,67 62,53 109,11 125,10 158,06 143,20 169,70 0,83 63,37 114,16 131,28 167,26 150,94 180,25 1,00 63,02 117,42 135,44 174,02 156,43 188,25 2,00 48,24 117,91 138,85 188,56 165,29 208,82
3,00 23,31 103,15 125,05 182,31 154,89 207,53 4,00 -6,30 81,37 103,32 166,47 135,63 196,16 5,00 -38,67 55,42 76,89 144,96 111,12 178,83 6,00 -72,90 26,69 47,31 119,65 83,10 157,50 8,00 -145,06 -36,34 -18,14 61,44 20,02 106,85 10,00 -220,51 -104,32 -89,17 -3,53 -49,31 49,12 12,00 -298,17 -175,61 -163,94 -73,01 -122,82 -13,37 14,00 -377,42 -249,30 -241,42 -145,76 -199,35 -79,30 16,00 -457,89 -324,82 -320,96 -221,01 -278,19 -147,85 18,00 -539,32 -401,78 -402,13 -298,22 -358,85 -218,46 20,00 -621,53 -479,91 -484,62 -377,03 -440,98 -290,76 22,00 -704,38 -559,01 -568,21 -457,16 -524,35 -364,45 24,00 -787,79 -638,94 -652,73 -538,42 -608,76 -439,32
61
Las figuras 5; 6; 7; 8; 9; 10 muestran la estimación del volumen de almacenamiento como la diferencia máxima entre los volúmenes acumulados afluente e infiltración.
Figura 5. Estimación gráfica del volumen de almacenamiento (Héroes del Cenepa)
Figura 6. Estimación grafica del volumen de almacenamiento (Corpus Cristi)
0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 1000.00 1200.00
0.17 0.33 0.50 0.67 0.83 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00
Volu
m
en
Acu
m
u
lad
o
(m3
)
Tiempo (horas)
CA. Héroes del Cenepa
Volumen Afluente Acumulado
Volumen infiltrado
0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 1000.00 1200.00
0.17 0.33 0.50 0.67 0.83 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00
Volu
m
en
Acu
m
u
lad
o
(m3
)
Tiempo (horas)
CA. Corpus Cristi
Volumen Afluente Acumulado
62
0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 1000.00 1200.00 1400.00
0.17 0.33 0.50 0.67 0.83 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00
Volu
m
en
Acu
m
u
lad
o
(m3
)
Tiempo (horas)
CA. Independencia
Volumen Afluente Acumulado
Volumen infiltrado
0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 1000.00 1200.00 1400.00
0.17 0.33 0.50 0.67 0.83 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00
Volu
m
en
Acu
m
u
lad
o
(m3
)
Tiempo (horas)
CA. 21 de Noviembre
Volumen Afluente Acumulado
Volumen infiltrado
0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 1000.00 1200.00 1400.00
0.17 0.33 0.50 0.67 0.83 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00
Volu
m
en
Acu
m
u
lad
o
(m3
)
Tiempo (horas)
El Molino
Volumen Afluente Acumulado
Volumen infiltrado
Figura 7. Estimación grafica del volumen de almacenamiento (Independencia)
Figura 8. Estimación grafica del volumen de almacenamiento (21 de Noviembre)
63
Con estos volúmenes máximos de almacenamiento se calcula el espesor de la subbase, para ello se aplica la ecuación 9. Los resultados se muestran en la tabla siguiente.
Tabla 24. Espesores de la subbase Calles HÉROES DEL
CENEPA
CORPUS
CRISTI INDEPENDENCIA
21 DE NOVIEMBRE
EL MOLINO
JOSÉ OLAYA Espesor
(m) 0,145 0,183 0,178 0,186 0,175 0,183
De la tabla se puede apreciar que los espesores necesarios para las condiciones de almacenamiento usando un dren longitudinal con tuberías de 150 mm es menor que el planteado según el estudio de mecánica de suelos. Por lo tanto, el espesor definitivo de la subbase será de 20 cm.
Tiempo de vaciado
El tiempo máximo de vaciado del volumen almacenado en la subbase debe ser menor a 48 horas. Este tiempo de vaciado se calculó con la ecuación 10.
Tabla 25. Tiempo de Vaciado para cada calle.
CALLES Porosidad e (mm) Cs f(mm/h) Tm (horas) Héroes del Cenepa 0,30 0,20 0,50 62,41 1,92 Corpus Cristi 0,30 0,20 0,50 42,56 2,82 Independencia 0,30 0,20 0,50 37,50 3,20 21 de Noviembre 0,30 0,20 0,50 28,69 4,18 El Molino 0,30 0,20 0,50 31,49 3,81 José Olaya 0,30 0,20 0,50 24,12 4,97
0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 1000.00 1200.00
0.17 0.33 0.50 0.67 0.83 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00
Vo
lu
me
n
Acu
mu
lad
o
(m3)
Tiempo (horas)
José Olaya
Volumen Afluente Acumulado
Volumen infiltrado
