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Manual de drenaje de carreteras

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Academic year: 2020

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(1)UNIVERSIDAD DE LOS ANDES Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. MANUAL DE DRENAJE DE CARRETERAS. CARLOS ALBERTO ECHEVERRY ARCINIEGAS. Bogotá, D.C., Enero de 2004.

(2) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Magíster en Ingeniería Civil Área: Infraestructura Vial. MANUAL DE DRENAJE DE CARRETERAS Tesis para optar al título de Magíster en Ingeniería Civil. Autor: CARLOS ALBERTO ECHEVERRY ARCINIEGAS Asesor: Ing. Arcesio Lizcano Peláez, Ph.D. Bogotá, D.C. Enero de 2004.

(3) Bogotá, Enero 25de 2004. Coordinación Académica Magíster Ingeniería Civil Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Universidad de los Andes Bogotá, D.C.. Apreciado ingeniero:. Respetuosamente, pongo a su consideración y por intermedio suyo al Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, el proyecto de grado titulado “Manual de Drenaje de Carreteras”, requisito parcial para optar al título de Magíster en Ingeniería Civil.. Sea esta la oportunidad para expresar mis agradecimientos a las personas que hicieron posible la realización de este trabajo.. Atentamente,. CARLOS ALBERTO ECHEVERRY ARCINIEGAS.

(4) APROBACIÓN. El trabajo titulado “MANUAL DE DRENAJE DE CARRETERAS”, presentado por Carlos Alberto Echeverry Arciniegas, en cumplimiento parcial de los requisitos para optar al título de “Magíster en Ingeniería Civil, Área Infraestructura Vial”, fue aprobado por:. ____________________________ Ing.Ph. D. Arcesio Lizcano Peláez Asesor. ____________________________ Jurado. ____________________________ Jurado. Bogotá, Enero 2004..

(5) AGRADECIMIENTOS. El autor expresa sus agradecimientos:. Al Ing. Ph.D. Arcesio Lizcano Peláez, Asesor del proyecto.. Al Ing. Rodrigo Marín, Director de Hidrología del IDEAM.. A la Ing. María Consuelo López Archiva, Profesional Universitaria del Instituto Nacional de Vías.. Al Ing. Fernando Sánchez Sabogal, Asesor del Instituto Nacional de Vías.. Al Ing. Alfredo Malagón, consultor hidráulico de carreteras.. Al Ing. Manuel Ortiz, Director Técnico de la firma GRODCO.. A todas aquellas personas que de una u otra forma colaboraron en la realización de este proyecto..

(6) MIC 2004-I-25. TABLA DE CONTENIDO. 1. 1.1 1.2 2. 3. 3.1 3.2 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.3.1 3.3.3.2 3.4 3.5 3.6 3.7 4. 4.1 4.1.1 4.1.1.1 4.1.1.2 4.1.1.3 4.1.1.4 4.1.1.5 4.1.1.6 4.1.2 4.1.2.1 4.1.2.2 4.2. LISTA DE TABLAS LISTA DE FIGURAS LISTA DE GRÁFICAS LISTA DE FOTOGRAFÍAS LISTA DE MAPAS GLOSARIO EL PROBLEMA DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA ENUNCIADO DEL PROBLEMA ANTECEDENTES HIDROLOGÍA ASPECTOS GENERALES ANÁLISIS DE REGISTROS HISTÓRICOS DE CAUDALES MÁXIMOS RELACIONES CUENCA, LLUVIA Y CAUDAL Método racional Hidrogramas unitarios Fórmulas regionales Regionalización de estaciones Regionalización de crecientes máximas PERÍODO DE RETORNO CURVAS INTENSIDAD-DURACIÓN-FRECUENCIA TIEMPO DE CONCENTRACIÓN MÉTODO SOIL CONSERVATION SERVICE SCS OBRAS DE DRENAJE DRENAJE SUPERFICIAL Dispositivos de protección de corte Cuneta de coronación Caídas escalonadas de agua Protección taludes Cunetas Pendiente longitudinal de calzada y bermas Protección de calzada y bermas Dispositivos para la protección de terraplenes Alcantarillas o drenes trasversales Sardineles y andenes DRENAJE DE CARRETERAS URBANAS. Pág. iii iv vi vi vi vii 1 1 6 6 19 20 22 23 24 28 30 32 35 42 43 45 48 54 56 62 63 66 78 86 98 104 107 109 131 133. i.

(7) MIC 2004-I-25. 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.3.6 4.3.7 4.3.8 4.3.9 5. 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.2 5.3 5.4 5.5 6.. Sardineles, Andenes y separadores Pendiente longitudinal y transversal de calzada y bermas Protección de calzada y bermas Sumideros Pavimentos drenantes DRENAJE PROFUNDO O INTERNO Bombas Capas drenantes Geotextiles Drenes subhorizontales Subdrenes longitudinales, trasversales o filtros Galerías filtrantes Pozos de alivio Corinas impermeables Electroosmosis DRENAJE DE PUENTES HIDROLOGÍA E HIDRÁULICA Generalidades Datos del sitio Análisis hidráulico Protección de juntas SOCAVACIÓN IMPERMEABILIZACIÓN DE TABLEROS MANTENIMIENTO DRENAJE DE TÚNELES CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA ANEXO. ii. 134 137 137 137 155 158 160 160 166 177 183 207 208 209 210 215 215 215 215 217 231 240 262 263 264 270 273 278.

(8) MIC 2004-I-25. iii. LISTA DE TABLAS. 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20 4.21 4.22 4.23 4.24 4.25. Coeficientes de escorrentía según tipo de área. Resultados para el conjunto total de 165 estaciones. Resultados para el conjunto total de 165 estaciones. Resultados para la región Andina (R1) total de 116 estaciones. Resultados para la región Caribe (R2) total de 28 estaciones. Resultados para la región Pacifico (R3) total de 17 estaciones. Resultados para la región Orinoquía (R4) total de 4 estaciones. Parámetros y ecuaciones utilizables. Regiones y nomenclatura. Valores de Qt para cada región. Ecuaciones para cada región. Períodos de retornos recomendados para cuencas. Valores de CN. Condición hidrológica y cobertura vegetal. Número de curva para grupos de suelo. Número de curva CN para condiciones. Ventajas y desventajas de diversos tipos de plantas. Árboles utilizados para cercas vivas y estabilización de taludes. Espaciamiento para fajinas vivas. Velocidad máxima permisible del agua en cunetas. Coeficiente de las características topográficas y físicas de la cuenca aportadora. Coeficientes de escorrentía. Coeficientes de rugosidad en canales abiertos. Valores máximos de velocidad erosiva en cunetas. Valores mínimos de velocidad para evitar sedimentación de partículas. Pendiente longitudinal máxima. Bombeo de la calzada. Dimensión mínima de la sección transversal de una alcantarilla en función de su longitud. Valores del coeficiente de contracción para flujo bajo compuerta. Coeficientes de pérdidas de carga de entrada en alcantarillas. Coeficiente de rugosidad n para algunas tuberías. Coeficiente de pérdida a la entrada. Relación entre Sx y K. Factores de seguridad de geotextiles en drenaje. Valores recomendados para el factor de infiltración FI Factor de retención de la base FR Factores de seguridad Diámetro de la tubería y pendiente mínima d/ho y A. Valores de caudal qo según conductividad hidráulica. Valores de caudal qo según pluviosidad regional.. Pág. 26 34 34 34 34 34 34 35 36 39 41 43 50 50 52 53 83 84 85 88 90 90 95 95 95 99 99 111 124 126 127 129 145 171 186 186 191 192 198 201 201.

(9) MIC 2004-I-25 iv. 4.26 4.27 4.28 4.29 5.1. Valores de caudal qo según textura de los suelos. Valores de caudal qo según pluviosidad. Coeficiente de permeabilidad electrosomótico. Velocidad media de flujo en socavación. Sistemas de impermeabilización de tableros.. 201 201 211 252 262. LISTA DE FIGURAS. 3.1 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20 4.21 4.22 4.23 4.24 4.25 4.26 4.27 4.28 4.29 4.30 4.31. Definición de tiempos de concentración y de rezago. Dispositivos de protección de cortes. Ubicación en planta de una cuneta de coronación. Esquema de una caída escalonada. Esquema de un canal rápido Geometría del flujo de un vertedero de caída recta. Cubeta SAF. Terraceo de taludes. Cunetas. Curvas IDF. Tramo de carretera en terraplén. Tramo de carretera en media ladera. Tramo de carretera en media ladera con peralte. Tramo de carretera en corte. Tramo de carretera en corte con peralte. Precauciones para la transición del peralte en curvas s con pendiente longitudinal < 0,5%. Medidas para facilitar el drenaje en el caso de transiciones largas en curvas en s Esquema de junta, cordón de respaldo y sello de un pavimento rígido. a. Muros en ángulo de 90o, b. Alcantarilla con muros de ala a. Alcantarilla con muro de ala sin aleta, b. Muro de alas con aletas. Perfil hidráulico de flujo subcrítico. Perfiles hidráulicos de flujo supercrítico. Alcantarilla con flujo libre. Alcantarilla con flujo libre supercrítico. Alcantarilla tipo vertedero de cresta ancha. Alcantarilla totalmente sumergida. Alcantarilla trabajando con tipo de flujo bajo compuerta. Esquema de control de alcantarilla con control de entrada. Esquema de alcantarillas con control de aguas abajo. Andén y sardinel. Separador angosto en tramos con peralte. Separador amplio en recta.. Pág. 46 63 64 70 72 74 76 78 86 89 91 92 92 93 93 102 102 106 112 113 115 116 117 118 119 121 123 125 128 132 135 136.

(10) MIC 2004-I-25. 4.32 4.33 4.34 4.35 4.36 4.37 4.38 4.39 4.40 4.41 4.42 4.43 4.44 4.45 4.46 4.47 4.48 4.49 4.50 4.51 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.12 5.13 5.14 5.15 5.16 5.17 5.18 5.19 5.20 5.21 5.22. Separador amplio en tramos con peralte. Localización definitiva de sumideros. Localización definitiva de sumideros. Sumidero de ventana sin depresión. Sumidero de ventana con depresión. Sumidero de rejas. Drenajes sumidero de rejilla en cuneta sin sello. Rejilla antirrobo. Disposición de capa drenante y drenes longitudinales. Geotextil como separador de capas de pavimento. Etapas de construcción de un dren subhorizontal Resultante de pendientes. Abatimiento del nivel freático. Geodren. Separación de drenes. Forma de la lámina de agua. Dren por encima del estrato impermeable. Drenaje horizontal y drenaje vertical. Tubería perforada. Descarga de subdrenajes a caja de inspección. Junta de expansión de placa de acero. Junta de expansión de placa de acero cubierta de asfalto. Junta de expansión de ángulos o placas verticales de acero. Juntas de expansión dentada. Junta de expansión de acero con sello fijo de neopreno Junta de expansión de acero con sello tipo neopreno comprimido. Junta de expansión con bloque de neopreno. Junta de expansión con goma asfáltica. Junta de expansión sin dispositivo de junta. Junta de expansión con cartón asfaltado. Apoyo desnivelado Socavación visible en pilas y estribos. Presencia de vegetación en el cauce. Obstrucción del cauce por ramas y escombros. Invasión del cauce. Puente mal orientado. Insuficiencia hidráulica en un puente Proceso de socavación en pila rectangular. Proceso de socavación en pila circular. Proceso de socavación en pila semicircular. Proceso de socavación en pila biselada.. v. 136 138 139 144 145 150 152 153 161 173 181 185 187 189 193 195 196 199 205 206 231 231 232 232 232 232 232 233 233 233 243 244 244 245 245 245 246 258 259 260 261.

(11) MIC 2004-I-25 vi. LISTA DE GRÁFICAS. 4.1 4.2. Gradaciones y permeabilidades típicas de varios agregados uniformes y varios materiales para filtros. Pendiente y velocidad según el tamaño de los agregados. Pág. 163 189. LISTA DE FOTOGRAFÍAS. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.. Deslizamiento. Remoción derrumbes. Falta de mantenimiento corona y obras de drenaje. Falta de protección de las juntas de la superestructura del puente. Escurrimiento de agua desde la superestructura hacia la infraestructura del puente. Filtración de agua en las paredes del túnel revestido. Cuneta de coronación. Caída escalonada de agua. Terraceo y revegetalización de taludes. Cuneta, berma y carril. Bombeo de la calzada. Aserrado de junta en un pavimento rígido. Junta de pavimento rígido con sello de silicona. Alcantarilla. Túnel impermeabilizado.. Pág. 1 2 2 3 4 4 65 67 85 97 100 105 106 130 268. LISTA DE MAPAS. 3.1. Ríos principales y ubicación de estaciones.. Pág. 37.

(12) MIC 2004-I-25 vii. GLOSARIO Acuíferos: Son mantos permeables a través de los cuales se ha establecido el flujo de aguas subterráneas. Agradación: Acumulación o levantamiento general u progresivo del perfil longitudinal del lecho del canal causado por depósitos de sedimentos. Agua absorbida: Es el agua de la masa de suelo, ligada a la manera de película sólida a las partículas de suelo por fuerzas físico-químicas, que tienen propiedades físicas diferentes a las del agua absorbida a la misma temperatura y presión. Agua higroscópica: Es la que posee el suelo debido a la condensación del vapor de agua de la atmósfera sobre su superficie. Aguas lluvias: Aguas provenientes de la precipitación pluvial. Aguas subterráneas: Son las que se encuentran bajo la superficie del terreno o dentro de los poros o fracturas de las rocas, o dentro de las masas de regolito; en zonas húmedas a metros de profundidad, en desiertos a cientos de metros. Agua gravitacional: Aquella que se mueve por acción de la gravedad entre los poros e intersticios de los suelos, conformando los acuíferos. Una parte fluyendo en la zona de saturación y otra por encima de ella buscando la zona de saturación. Agua retenida: Es el agua que queda retenida por encima de la zona de saturación del suelo gracias a fuerzas que se oponen a la acción de la fuerza de la gravedad, como la tensión superficial y la adsorción, y que no puede ser drenada. Alcantarillado de aguas lluvias: Sistema compuesto por todas las instalaciones destinadas a la recolección y transporte de aguas lluvias. Alcantarillas: Son estructuras de evacuación de las aguas de escorrentía superficial localizadas transversalmente al alineamiento de la vía, para evacuar por debajo de las obras viales a una corriente de agua permanente o efímera. Área de la cuenca: Es el área plana (Proyección limitada por la línea imaginaria llamada divisoria de aguas). Área tributaria: Superficie que drena a un tramo o punto determinado. Bache: Hueco que se hace en la capa de rodadura de una vía, por la acción del tránsito, el agua y otros agente destructores..

(13) MIC 2004-I-25 viii. Badén: Hondonada superficial transversal en el pavimento para dar paso al agua. Berma: Son fajas continuas de la calzada, comprendidas entre sus orillas y las líneas definidas por la calzada de la carretera, para detener vehículos en caso de necesidad urgente, proporcionar una franja para el paso de peatones y vestías, y servir de soporte lateral de la calzada. Bombeo normal: Pendiente transversal de la superficie de rodadura en las tangentes de una obra vial, que tiene por objeto facilitar el escurrimiento superficial de agua. Bordillo: Pieza vertical o inclinada de hormigón u otros materiales, colocado a lo largo del borde de la calzada que define claramente su límite. Calzada. Es la parte de la corona, destinada al tránsito de vehículos y constituida por uno o más carriles. Canal: Cauce artificial, revestido o no, que se construye para conducir las aguas lluvias hasta su entrega final en un cauce natural. Carretera: Es una infraestructura de transporte cuya finalidad es permitir la circulación de vehículos en condiciones de continuidad en el espacio y el tiempo, con niveles adecuados de seguridad y de comodidad. Puede estar constituida por una o varias calzadas, uno o varios sentidos de circulación o uno o varios carriles en cada sentido, de acuerdo con las exigencias de la demanda de tránsito y la clasificación funcional de la misma. Carril: Es la parte de la calzada, de ancho suficiente para una fila de vehículos. Coeficiente de escorrentía: Relaciona el volumen total de agua precipitada con el volumen de escorrentía: Relaciona el volumen total de agua precipitada con el volumen de escorrentía producido después de descontar las pérdidas por almacenamiento, retención e infiltración; es propio de cada cuenca y depende de la morfometría de ella, del tipo de suelo, la cobertura y la condición de humedad antecedente. Coeficiente de rugosidad: Parámetro que representa el efecto friccional del conducto sobre el flujo y depende del tipo del material del conducto. Construcción: Es el conjunto de todas las obras de infraestructura a ejecutar en una vía proyectada, en un tramo faltante mayor al 30% de una vía existente. Cota batea: Nivel del punto más bajo de la sección transversal interna de una tubería o colector..

(14) MIC 2004-I-25 ix. Cota clave: Nivel del punto más alto de la sección transversal externa de una tubería o colector. Creciente: Inundación de tipo torrencial producida en ríos de montaña y originada por lluvias intensas. El área de la cuenca aportante es reducida y tiene fuertes pendientes. El aumento de los caudales se produce cuando la cuenca recibe la acción de las tormentas durante determinadas épocas del año, por lo que las crecientes suelen ser repentinas y de corta duración. Estas inundaciones, por ser intempestivas son generalmente las que causan los mayores estragos en la población. En Colombia se presentan con regularidad en las cuencas de la región Andina. Cuenca hidrográfica o cuenca de drenaje: De un río o corriente de agua en consideración, es el área topográfica limitada por un contorno al interior de cual lasa aguas lluvias que caen drenan hacia el mismo punto, ya sea de salida o de interés particular. Cuerpo receptor: Cualquier masa de agua natural o del suelo que recibe la descarga del afluente final. Cunetas: Son obras de canalización y evacuación rápida de la escorrentía superficial hacia los sumideros. Curva hipsométrica: Es la representación gráfica de relieve de la cuenca en función de las superficies correspondientes. Degradación: Descenso general y progresivo del perfil longitudinal del lecho del canal a causa de la erosión permanente. Derrumbe: Caída de una masa de suelo o rocas de un talud de una carretera. Deslizamiento: Movimiento en masa, de flujo rápido, de grandes volúmenes de materiales (suelos, formaciones superficiales, rocas, cobertura vegetal) que se desprenden y se desplazan pendiente abajo como un solo bloque, sobre un plano resbaloso, inclinado o cóncavo. Los deslizamientos son movimientos caracterizados por desarrollar una o varias superficies de ruptura, una zona de desplazamiento y una zona de acumulación de material desplazado bien definidas. Son los movimientos que presentan más criterios de clasificación. Ocurren sobre laderas de pendientes suaves a escarpadas, sobre todo tipo de materiales litológicos, a diferentes velocidades, operando sobre ellos uno o varios agentes motores de movimiento (agua, hielo, viento). Drenaje: Eliminación del exceso de agua..

(15) MIC 2004-I-25. x. Duración: Es el período de análisis. Las lluvias de corta duración, conocidas también como tormentas, son eventos que por lo general tienen duraciones entre 5 minutos y 24 horas, y se utilizan para el cálculo de crecientes. Encharcamiento: Fenómeno a causa de la saturación del suelo, caracterizado por la presencia de láminas delgadas de agua sobre la superficie del suelo en pequeñas extensiones y por lo general, presente en zonas moderadamente onduladas a planas. El fenómeno puede durar desde pocas horas hasta unos pocos días. Entorno vial: Terreno adyacente a la vía. Escorrentía: Cantidad de agua superficial producida por una lluvia, su valor se obtiene de restar del volumen de la lluvia las pérdidas por infiltración, almacenamiento, evaporación, y transpiración. Estructuras de disipación de energía: Son las estructuras hidráulicas diseñadas para transportar un caudal de una cota superior a una inferior manteniendo la velocidad (energía cinética) dentro de límites permisibles, con el fin de evitar la ocurrencia de procesos erosivos en la caída y en el cruce receptor y la posible falla de la estructura misma. Estructuras de entrega: Estructuras utilizadas para evitar daños en el cuerpo de agua receptor de aguas lluvias. Evaporación: Es el proceso por el cual el agua pasa del estado líquido en que se encuentra en los almacenamientos, conducciones y en el suelo, en las capas cercanas a la superficie, a estado gaseoso y se trasfiere a la atmósfera. Evapotranspiración: Es la combinación de la evaporación y la transpiración. Filtrar: Hacer pasar un líquido por un filtro. Filtro: Material poroso a través del cual pasa el agua. Flujo a presión: Aquel transporte en el cual el agua ocupa todo el interior del conducto quedando sometida a una presión superior a la atmosférica. Flujo libre: Aquel transporte en el cual el agua presenta una superficie libre donde la presión es igual a la atmosférica. Frecuencia: Número de veces que en promedio se presenta un evento con una determinada magnitud durante un período definido. Por ejemplo, el aguacero que tiene una frecuencia del uno por mil tiene una probabilidad de ser igualado o excedido una vez cada mil años en promedio. Para este aguacero el período de retorno es de mil años..

(16) MIC 2004-I-25 xi. Geomorfología de la corriente: Estudio de una corriente y su área de inundación con respecto a sus formas del terreno, la configuración general de la superficie y los cambios que ocurren debidos a la erosión y a la acumulación de escombros que produzcan erosión. Hidráulica: Ciencia que tiene que ver con el comportamiento y flujo de líquidos, especialmente en tuberías y canales. Hidrograma: Gráfica que representa la variación caudal con el tiempo en un sitio determinado, que describe usualmente la respuesta hidrológica de un área de drenaje a un evento de precipitación. Hidrología: Ciencia que tiene que ver con la ocurrencia, distribución y circulación del agua sobre la tierra, e incluye precipitación, escorrentía y agua subterránea. Hidroplaneo: Deslizamiento de las ruedas de un vehículo cuando una película de agua impide su contacto con el pavimento. Humedad antecedente: Es la humedad existente en el suelo antes de iniciar una lluvia. Impermeable: Que no deja pasar el agua. Intensidad de una lluvia: Intensidad promedio que asume, cae uniformemente sobre una cuenca para una duración y frecuencia (período de retorno) dadas. Inundación: Es un evento natural y recurrente que se produce en las corrientes de agua, como resultado de lluvias intensas o continuas que, al sobrepasar la capacidad de retención del suelo y de los cauces, desbordan e inundan llanuras de inundación, en general, aquellos terrenos aledaños a los cursos de agua. Las inundaciones se pueden dividir de acuerdo con el régimen de los cauces en: lenta o de tipo aluvial, súbita o de tipo torrencial y encharcamiento.. Inundación de tipo aluvial (inundación lenta): Se produce cuando hay lluvias persistentes y generalizadas dentro de una gran cuenca, generando un incremento paulatino de los caudales de los grandes ríos hasta superar la capacidad máxima de almacenamiento; se produce entonces el desbordamiento y la inundación de las áreas planas aledañas al cauce principal. Las crecientes así producidas son inicialmente lentas y tienen una gran duración. En Colombia, se dan en las partes bajas de las cuencas de los ríos Magdalena, Cauca, Sinú, San Jorge y en la Orinoquía y Amazonía..

(17) MIC 2004-I-25 xii. Inundación de tipo torrencial (inundación súbita): Producida en ríos de montaña y originada por lluvias intensas. El área de la cuenca aportante es reducida y tiene fuertes pendientes. El aumento de los caudales se produce cuando la cuenca recibe la acción de las tormentas durante determinadas épocas del año, por lo que las crecientes suelen ser repentinas y de corta duración. Estas inundaciones son generalmente las que causan los mayores estragos en la población por ser intempestivas. En Colombia se presentan con regularidad en las cuencas de la región Andina. Isoyetas: Líneas que representan la variabilidad espacial de la precipitación, una isoyeta está definida para una precipitación determinada. Manantiales y lagos: Los manantiales son nacimientos de agua; ellos son solamente el afloramiento del nivel freático a la superficie. Cuando el nivel freático, de aguas relativamente quietas, queda por encima del terreno natural, se forman lagos y lagunas. Cuando uno y otro tienen aproximadamente la misma elevación se forman las ciénagas. Mantenimiento periódico: Actividades que se ejecutan sobre la infraestructura de carretera en periodos entre tres y cinco años. Mantenimiento rutinario: Actividades que se ejecutan sobre la infraestructura de carretera en periodos inferiores a un año. Mejoramiento: Consiste en el cambio o mejora de especificaciones y dimensiones de la infraestructura de carretera. Movimiento en masa: Es el transporte de una masa importante de material litológico, restos vegetales y/o escombros desplazada pendiente abajo por acción de la gravedad, del agua y/o del hielo. Nivel crítico o nivel de inundación: corresponde al nivel de un río al que comienzan los desbordamientos y anegamientos que pueden causar inundaciones en el sitio o las áreas aledañas localizadas aguas abajo o aguas arriba del punto de referencia. Estos niveles están asociados topográficamente a las estaciones automáticas o a aquellas hidrométricas cuya información puede recibirse en tiempo real o diariamente, a través de radio o teléfono; de esta manera, en caso de un evento extremo se da un aviso o una alerta oportuna. En general, las zonas inundables corresponden a la planicie inundable de la zona baja de las cuencas. Pavimento: Conjunto de capas que se construyen sobre la explanación o subrasante para trasmitir apropiadamente las cargas de las ruedas de los vehículos al terreno y proporcionar a estos una superficie firme, lisa y pareja por donde puedan circular suavemente. Pendiente: Inclinación de una superficie con respecto a un plano horizontal..

(18) MIC 2004-I-25 xiii. Pendiente transversal: Pendiente del terreno o del pavimento en dirección perpendicular al eje de la carretera. Peralte: Inclinación dada al perfil transversal de una carretera en los tramos en curva horizontal, para contrarrestar el efecto de la fuerza centrífuga que actúa sobre un vehículo en movimiento. Período de retorno: Promedio de años entre los cuales ocurre un evento hidrológico (lluvia, caudal, etc.) de una magnitud específica. Pozo: Un pozo es una perforación o excavación casi vertical o vertical, que corta la zona de agua freática. Un pozo artesiano se da donde el agua captada a profundidad se encuentra a una presión hidráulica suficiente para obligarla a subir hasta rebasar la superficie del terreno. Pozo de inspección: Estructura de ladrillo o concreto, de forma usualmente cilíndrica que remonta generalmente en su parte superior en forma troncocónica, y con tapa removible para permitir la ventilación, el acceso y mantenimiento de los colectores. Precipitación: Factor climatológico que corresponde al agua que cae sobre un área determinada al producirse la condensación del vapor de agua existente en la atmósfera durante un tiempo determinado. Profundidad del colector: Diferencia de nivel del terreno o la rasante de la vía y la cota lave del colector. Puente: Es una estructura que permite la continuidad de una vía ante un obstáculo. Rehabilitación: Actividades que tiene por objeto recuperar las condiciones iniciales de la infraestructura de carretera Sección transversal: Perfil de una vía y del terreno en dirección normal al eje de la vía. Sector: Tramo de una vía comprendido entre dos secciones transversales. Separador: En una vía con dos calzadas, franja central que separa éstas. Sistema de drenaje: Es el conjunto de obras que posibilita un correcto manejo de los fluidos, considerando para tal propósito, procesos de captación, conducción, y evacuación de los mismos. Sumidero: Estructura diseñada y construida para cumplir con el propósito de captar aguas de escorrentía que corren por la cunetas de las calzadas de las vías para.

(19) MIC 2004-I-25 xiv. entregarlas a las estructuras de conexión o pozos de inspección de los alcantarillados combinados o de aguas lluvias. Talud: Superficie inclinada de una excavación o terraplén vial. Tiempo de concentración: Tiempo que tarda en llegar a la sección de salida la gota de lluvia caída en el extremo hidráulicamente más alejado de la cuenca. Transpiración: Es el agua que se despide en forma de vapor de las hojas de las plantas, esta agua es tomada por las plantas naturalmente de suelo. Tubo o tubería: Conducto prefabricado, o construido en el sitio, de concreto o concreto reforzado, plástico, poliuretano de alta densidad, asbesto-cemento, hierro fundido, gres vitrificado, PVC, plástico con refuerzo de fibra de vidrio, u otro material. Túnel: Paso subterráneo para dar continuidad a una vía..

(20) 1. EL PROBLEMA. 1.1 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA. Al transitar y observar las carreteras en Colombia, se aprecia que en pocos años de entrar en operación, estas presentan grave daño en sus taludes (fotografías 1 y 2), en la estructura de pavimento, en la subrasante (fotografía 3), en los puentes (Fotografías 4 y 5) y túneles (Fotografía 6), debido. Fotografía 1. Deslizamiento..

(21) MIC 2004-I-25. Fotografía 2. Remoción derrumbes.. Fotografía 3. Falta de mantenimiento corona y obras de drenaje.. 2.

(22) MIC 2004-I-25. 3. Fotografía 4. Falta de protección de la juntas en la superestructura del puente.. principalmente a la ausencia, deficiencia y/o falta de mantenimiento de las obras de drenaje, se aprecian también intervenciones severas en edad temprana antes de alcanzar la vida útil, durante la cual se debe proporcionar una infraestructura que permita la circulación de vehículos en condiciones de.

(23) MIC 2004-I-25. 4. Fotografía 5 Escurrimiento de agua desde la superestructura hacia la infraestructura del puente.. Fotografía 6. Filtración de agua en las paredes del túnel revestido..

(24) MIC 2004-I-25. 5. continuidad en el tiempo y espacio, con niveles adecuados de seguridad, comodidad y armonía con el ambiente. Por otra parte se interrumpe el tránsito, conllevando a grandes pérdidas económicas, causado molestias y bajando su nivel de servicio.. En Colombia no hay cultura de drenaje vial, razón por la cual se debe contar con una herramienta que permita implementar un curso de drenaje de carreteras en pregrado, especialización y maestría en ingeniería civil, considerando los efectos perjudiciales del agua en su infraestructura.. En el país se han realizado algunos esfuerzos desarticulados con relación al manejo del tema del drenaje de las carreteras, a través de: Ministerio de Obras Públicas, Ministerio de Obras Públicas y Transporte, Ministerio de Transporte, Instituto Nacional de Vías, gobernaciones, principalmente la de de Antioquia, Universidades, especialmente la del Cauca e Industrial de Santander.. Lo cierto es que no existe en Colombia, un documento o guía oficial para el diseño,. construcción,. operación. y. mantenimiento. de. drenaje. de. infraestructura de carreteras.. Además, cuando un ingeniero colombiano se enfrenta al problema de drenaje, se presenta la dificultad que se encuentran solo criterios hidrológicos, hidráulicos y constructivos de cunetas, alcantarillas y filtros, como si no existieran más dispositivos de drenaje.. Existe gran dispersión de información en los textos, entidades públicas, firmas consultoras. Se presenta abundancia y repetición de esquemas tipos.

(25) MIC 2004-I-25. 6. de obras de drenaje en muchos proyectos, lo cual no constituye el diseño definitivo de drenaje con las repercusiones negativas que esto implica.. Por otra parte hay ausencia total sobre la política de mantenimiento de las obras de infraestructura, incluyendo las de drenaje, con las sabidas consecuencias de su deterioro.. 1.2 ENUNCIADO DEL PROBLEMA. Por las anteriores consideraciones se plantea el problema de la siguiente manera: ¿Cuales son los parámetros mínimos de diseño, construcción, operación y mantenimiento del drenaje de la infraestructura de carreteras?, de tal manera que con su implementación satisfagan las necesidades operativas, económicas y ambientales del sector transporte, subsector carretero.. 2. ANTECEDENTES. En muchos escenarios se menciona que los tres factores más importantes para garantizar la vida útil de las carreteras son primero el drenaje, segundo el drenaje y tercero el drenaje. Sin embargo al tema no se le ha dado la importancia que merece a nivel institucional, profesional de la ingeniería civil y académico.. Al realizar una revisión bibliográfica nacional sobre el tema, se destacan entre otros, los siguientes aspectos:.

(26) MIC 2004-I-25. 7. Hacia 1974, una misión francesa contratada por el Ministerio de Obras Públicas de Colombia, estableció unos criterios de drenaje superficial y profundo.. El Ministerio de Obras Públicas y Transporte de Colombia, en 1988, publicó Reglamento técnico general de obras viales: Tomo VI, Puentes de placa y viga: Concreto reforzado, concreto preesforzado, y alcantarillas de cajón, el cual solo contempla aspectos estructurales.. El Fondo Nacional de Caminos Vecinales de Colombia, publicó el documento Obras menores de drenaje, el cual solo considera aspectos estructurales.. La Secretaría de Obras Públicas de Antioquia, publicó el documento Obras de drenaje y protección de carreteras, el cual solo contempla. aspectos. estructurales.. En ACODAL, se encontraron criterios hidráulicos de sumideros.. En PAVCO, se encuentra información técnica sobre Geosistemas y geotextiles.. El Instituto Colombiano de Productores de Cemento-ICPC, dentro de sus notas técnicas ha publicado algunos documentos relacionados con los pavimentos de concreto como: •. Diseño de drenaje para carreteras,. •. Construcción de pavimentos de concreto,. •. Construcción de pavimentos de concreto con equipos de alto rendimiento,. •. Sellado y reparación de juntas y grietas en pavimentos de concreto,.

(27) MIC 2004-I-25. •. Guía para reparaciones de profundidad parcial,. •. Guía para reparaciones de profundidad total.. 8. Y el libro Diseño, Construcción y mantenimiento de pavimentos de concreto. Del Instituto Nacional de Vías, se destacan los siguientes documentos, los cuales en algunos apartes consideran alguna generalidad sobre drenaje: •. Manual de estabilidad de taludes,. •. Manual de diseño geométrico para carreteras,. •. Especificaciones Generales de Construcción (Actualización 2002),. •. Políticas y prácticas ambientales.. Lopera Barrios (1976), retoma los criterios de drenaje superficial y profundo, que estableció la Misión Igeroute, en 1974.. Sánchez Olacigueri (1997): “El agua es el factor que más comúnmente se asocia con las fallas de los taludes. La mayoría de los deslizamientos ocurren después de lluvias fuertes o durante épocas de lluvia, y el control de agua subterránea es uno de los sistemas más efectivos para controlar los deslizamientos.”.. Suárez Jaime (1998): “Los métodos de estabilización de deslizamientos que contemplan el control de agua, tanto superficial como subterránea son muy efectivos y son generalmente, más económicos que la construcción de grandes obras de contención en cuanto tienden a desactivar la presión de poros, considerado como el principal elemento desestabilizante de los taludes. El drenaje reduce el peso de la masa y al mismo tiempo aumenta la resistencia del talud a disminuir la presión de poros y en esa forma aumentar la resistencia al corte y eliminar las fuerzas hidrostáticas desestabilizantes. El factor de seguridad de cualquier superficie de falla que pasa por debajo del nivel de agua debe ser mejorado por medio de subdrenaje. El agua subterránea o agua freática circula ejerciendo presiones de poro en las partículas de suelo, la cual impide la estabilidad del talud, disminuye la presión efectiva y la resistencia al corte..

(28) MIC 2004-I-25. 9. Al saturase el suelo disminuyen las tensiones capilares o presiones negativas disminuyendo la resistencia. La resistencia de un suelo puede variar de un máximo al final de la época seca, a un mínimo durante la época de lluvia y es después de una gran lluvia en que ocurren comúnmente los grandes deslizamientos. El agua subterránea pueda sacar hacia fuera del talud los cementantes solubles y así debilitar vínculos granulares, consecuentemente decreciendo la cohesión y el coeficiente de fricción interna; este proceso es generalmente progresivo. La erosión hídrica es un fenómeno ocasionado por acción de fuerzas hidráulicas, las cuales actúan sobre las partículas de suelo produciendo su desprendimiento, transporte y posterior depósito de materiales de suelo o roca por acción del agua en movimiento.”.. Lemos Rodrigo (1999): “Colombia, país Tropical ubicado en la zona de confluencia intertropical, sufre daños periódicamente de inundaciones, avalanchas, destrucción de tramos de carreteras, etc., en sus cuatro puntos cardinales. Pero es que Colombia está ubicada entre los países más húmedos del planeta, cuarto o quinto en riqueza hídrica. Según lo demuestran estudios sobre el tema, la escorrentía superficial media de 30 l/s/km2, o lo que es lo mismo: 0,3 l/s/ha, excelente. Suficiente para mantener exuberantes selvas tropicales. El agua precioso elemento, que en los países desarrollados representa un bien económico de inigualable valor, en el nuestro es causa de tragedias año tras año.”. El “Manual de Diseño de Pavimentos para Bogotá D.C.” Universidad de los Andes- IDU, en cuanto a drenaje se refiere a:. “Las capas superficiales contribuyen además a proteger el cuerpo del pavimento de la infiltración del agua y dar confort al usuario. Los pavimentos se dregradan debido al efecto combinado de la repetición de cargas rodantes (tráfico), de los agentes climáticos y del tiempo..

(29) MIC 2004-I-25. 10. La influencia de las condiciones climáticas pavimentos flexibles: La baja rigidez de la estructura le confiere a este tipo de pavimento una alta sensibilidad a la variación del estado hídrico del suelo de subrasante y de las capas granulares. Esto se manifiesta principalmente por los efectos de borde: reducción de la capacidad portante en temporada húmeda que puede conducir a asentamientos del borde y fisuración por retracción hídrica en período seco. La reducción de capacidad portante a las variaciones del estado hídrico de suelos de subrasante sensibles al agua es más marcada a medida que la impermeabilidad de la capa superficial es baja. Mecanismo de degradación: La generación de fisuras facilita la infiltración del agua que acelera los fenómenos de degradación: resquebrajamiento en lo bordes de las fisuras con salida de material, luego la formación de huecos u ojo de pescado. Si en este momento el pavimento no se repara convenientemente evolucionará hasta la destrucción total. Pavimentos con capas asfálticas gruesas Mecanismos de degradación: La degradación de las fisuras acelera el proceso debido a la infiltración de agua a través del cuerpo del pavimento. Esto a su vez aumenta el desgaste de las caras de las fisuras, comienza el deterioro del material y se forman huecos. En este momento el funcionamiento de las capas ligadas cambia fundamentalmente y los bloques separados que se forman reaccionan independientemente ante la aplicación de cargas. Pavimentos con capas tratadas con ligantes hidráulicos Mecanismos de degradación: Cuando la estructura de pavimento se construye con una capa de rodadura (espesor insuficiente, inferior a 5 cm, y permeable) y además con mala calidad de las capas tratadas (baja compactación e insuficiente riego de curado) el pavimento se degrada rápidamente. Esta degradación se origina por la alta penetración de agua (a través de las fisuras de retracción térmica o en zonas de capa de rodadura permeable) y se manifiesta por la aparición.

(30) MIC 2004-I-25. 11. en superficie durante los períodos de lluvia material saturado. Esta degradación progresa rápidamente hasta la formación de ojos de pescado. Para evitar estos problemas es conveniente prestar mucha atención a la calidad de la superficie de la base tratada, aumentar el espesor de la cobertura asfáltica e impermeabilizar las fisuras de retracción apenas aparezcan. Además de lo anterior, actualmente existen diferentes disposiciones constructivas tendientes a controlar la fisuración por retracción (prefisuración de las capas tratadas) y para limitar o retardar la aparición de fisuras en la capa de rodadura (capa antifisuras). Se debe iniciar la reparación estructural del pavimento desde la aparición de las primeras fisuras de fatiga. Pavimentos con estructura mixta Mecanismos de degradación: Las fisuras transversales que pueden aparecer en las capas asfálticas deben ser impermeabilizadas para evitar la infiltración de agua que ocasiona el deterioro. Pavimentos con estructura inversa Mecanismo de degradación: En el caso de construcción de mala calidad es posible observar un rápido deterioro por la infiltración y acumulación de agua en la capa granular. Pavimentos de concreto hidráulico Mecanismos de degradación: El segundo mecanismo de degradación principal se debe a la modificación de las condiciones de apoyo en vecindades de las juntas y las fisuras. Esta modificación da lugar a que se presenten fenómenos de bombeo. La degradación del suelo de apoyo se debe principalmente a la presencia de agua en la interfase losa-capa de sub-base o subrasante y a los efectos combinados de: Erodabilidad del suelo de subrasante.

(31) MIC 2004-I-25. 12. Cargas cíclicas producidas por tráfico Bajas interferencias de carga entre las losas lo cual se traduce en una simetría de esfuerzos y en desplazamientos diferenciales a cada lado de la discontinuidad. La utilización de materiales poco erosionables en la capa de sub-base y un conveniente drenaje permiten limitar la aparición del fenómeno del bombeo. Caracterización de la subrasante Ambiente hídrico: El estado hídrico de los suelos de soporte, así como también las características mecánicas de los materiales sensibles al agua fluctúa en el tiempo, según las condiciones hidrológicas (nivel freático, infiltraciones de agua; y en función de las disposiciones constructivas del proyecto (trazado, geometría, dispositivos de drenaje y evacuación de aguas). Los datos climáticos y del ambiente incluyen los datos descriptivos de las condiciones climáticas del sitio del proyecto que tienen una influencia directa en la escogencia de las variables de cálculo. Entre las condiciones climáticas se debe tener en cuenta la abundancia de las precipitaciones, los drenajes previstos en la vía y los valores extremos de temperatura. Particularmente en los pavimentos tratados con ligantes asfálticos, la durabilidad y la deformabilidad dependen de la temperatura, de la deformabilidad de las capas granulares y del estado hídrico de la subrasante. Con el fin de limitar las fisuras por retracción y su efecto sobre las capas asfálticas, el valor del modulo elástico de los granulares con ligantes hidráulicos debe limitarse a unos valores establecidos.”. Gavilán German (2002), se refiere: “Normalmente no se incluye un adecuado sistema de drenaje, con el argumento que se aumentan los costos de inversión, lo cual reduce la vida y aumenta los costos de mantenimiento, rehabilitación en una suma muy superior al costo de las obras de drenaje. Algunos estimativos muestran que los pavimentos mal drenados pueden constar hasta dos veces más que los que cuestan con un adecuado sistema de drenaje, cuando se comparan a largo plazo..

(32) MIC 2004-I-25. 13. La mayoría de los pavimentos construidos en las últimas décadas, son cuerpos compuestos estratificados de una, dos o más capas de concretos asfálticos, sobre bases y subbases bien sean estabilizadas o no. Estos sistemas que generalmente no están diseñados para permitir la rápida evacuación del agua, desarrollan un mecanismo de autodestrucción interna. Cuando el, agua libre consigue entrar a las superficies de contacto de las capas estructurales, el sistema multicapa actúa como una bomba de diafragma bajo el peso de las grandes cargas de las llantas. Los grandes impactos de las llantas mueven el agua en las interfases de la carpeta y la base erosionando el material y eyectándolo en las grietas y fisuras del pavimento, produciendo canales y cavidades que dejan sin apoyo algunas zonas de la carpeta, con lo que se generan huecos y otros daños que eventualmente conducen a la falla del pavimento Los métodos normales de diseño de las secciones transversales de los pavimentos- bajo el supuesto de que los factores a controlar son esfuerzo y deformación, deflexión, cambio de volumen y fatiga bajo las cargas respectivas, ignoran ampliamente los efectos dinámicos del agua, que pueden llegar a ser mucho más importantes que los factores que son considerados. Es un hecho que la erosión entre la carpeta y la base puede ocurrir independientemente del espesor y la rigidez de la base, si existen las condiciones que conducen a esa erosión. La erosión, las acciones dañinas de las presiones de poros y otros efectos, no pueden ocurrir en ausencia de agua, luego hay suficientes razones para creer que un pavimento bien diseñado y bien drenado, debe soportar sus cargas de diseño casi indefinidamente, con sólo un mantenimiento normal y rutinario, mientras que aquellos pobremente drenados pueden requerir grandes y costosas reparaciones, antes que alcancen su vida de servicio. Generalmente se construyen drenajes para controlar el agua superficial subterránea, a nivel freático y los acuíferos, pero se cree que no es necesario- o no se puede extraer de la estructura, el agua infiltrada proveniente de la lluvia y otras fuentes superficiales; por lo tanto, casi nunca se construyen drenajes para ese propósito: Aunque ciertamente, es necesario controlar el agua subterránea, solo en algunos casos específicos esta fuente amenazada realmente a los pavimentos y en cambio, en la mayoría de los casos, los pavimentos se construyen en zonas donde la intensidad de la lluvia supera la capacidad de absorción de la subrasante..

(33) MIC 2004-I-25. 14. Como consecuencia de lo anterior, los sistemas de drenaje se especifican, en algunos tramos de vía en corte y casi nunca en los tramos terraplenados. Sin embargo, el agua infiltrada a través de un pavimento construido sobre terraplén, en parte se deposita en las interfases carpeta-base y en parte desciende hasta la subrasante que no es capaz de absorverla, motivo por el cual se acumula hasta inundar la estructura. Como generalmente la estructura de la vía está lateralmente confinada se genera una condición de ´tina` que aumenta los riesgos de acumulación de agua en la base y en la subase. Varios estudios de investigación adelantados desde 1950, cuentan con registros documentados que muestran como, durante los períodos de lluvias en los que los pavimentos contienen grandes cantidades de agua libre, las tasas de deterioro aumentan en una relación que varía según el estudio desde 10 o 20 veces más que las que se presentan cuando el pavimento contiene poca o ninguna cantidad de agua libre. Lo anterior explica la gran diferencia entre la vida de diseño y la real de la mayoría de los pavimentos. El desarrollo potencial de cualquier cuenca debe ser considerado durante la fase de diseño de un sistema de drenaje. Cuencas que son rurales en el momento de diseñar la vía, pueden desarrollarse mediante urbanizaciones durante la vida útil del proyecto, por lo tanto, el proyecto debería ser diseñado para una cuenca urbana. En el caso de cuencas urbanas, estas se pueden densificar con la consecuencia del aumento de caudales de diseño.”. Un artículo del diario El Tiempo (10 de octubre de 2002) informa: “…En noviembre de de 1999, la firma Steer Davis and Glave, entregó al Instituto de Desarrollo Urbano IDU, los diseños de la obra, El estudio que costó 1.871 millones de pesos recomendaba base asfáltica como soporte de las losas de concreto y advertía que los diseños de drenaje debían ser elaborados por otro contratista. El 6 de junio de 2002, cinco días después de que el entonces director de IDU, Andrés Camargo, firmara el contrato con Conciviles para rehabilitar 9,6 km de la autopista Norte-por 38 mil millones de pesos-aún no había claridad sobre los diseños de la troncal…del tema de drenaje casi ni se volvió a hablar. Hasta hoy se han detectado fallas en el 3,68 por ciento de las losas de concreto. Para evitar más problemas, el IDU contrató la elaboración de los.

(34) MIC 2004-I-25. 15. diseños de un superdrenaje que costará cerca de 1.500 millones de pesos y que estaría listo en junio del 2003.”. Lo anterior demuestra una clara falta de planeación en dicho proyecto, especialmente en lo relacionado con el drenaje definitivo.. Un artículo del diario El Tiempo (1 de junio de 2003) informa: “Como se quedo demostrado una vez más esta semana, los deslizamientos de tierra son el principal enemigo de la vía. “Mientras llueva, el paso por la línea estará en riesgo, asegura Oreste Amaya, de la Unidad Municipal de Asistencia Agropecuaria de Calarcá. Según él, la zona es muy vulnerable al desprendimiento de la superficie porque los cultivos que los campesinos han hecho en la alta montaña en reemplazo de los bosques originales, favorecen la filtración de la lluvia.. El INVIAS coincide en el diagnóstico: “la erosión y la inestabilidad provocadas por la deforestación de las cuencas producen deslizamientos y la obstrucción de las obras de drenaje, que interfieren en la fluidez del tráfico”. Otro reporte de prensa destaca: “Una vez más quedó inhabilitada la carretera Ibague-Armenia, en el paso de La Línea, por lo cual es urgente acelerar el proceso licitatorio nuevamente, pero disminuyendo la incertidumbre geológica y de riesgo presente en el actual proyecto”. Por otra parte, de acuerdo con los reportes de la Oficina de Atención de Riesgos y Emergencias del Instituto Nacional de Vías, entidad responsable de la Red Nacional de Carreteras, se puede establecer que los deslizamientos y hundimientos presentes en muchos puntos de dicha red, suceden principalmente en temporada invernal, razón por la cual se requiere contar con una herramienta, como es un Manual de drenaje de Carreteras, para contribuir con su implementación a prevenir y mitigar las dificultades que se presentan debido a los efectos desfavorables del agua en la infraestructura vial..

(35) MIC 2004-I-25. 16. Con relación al medio académico, de algunas universidades visitadas en Bogotá, sólo se encontró, que dos. ofrecen dentro de sus programas de. posgrado, el tema de drenaje en carreteras, estas son: La Universidad Católica, en la Especialización en Ingeniería de pavimentos y la Pontificia Universidad Javeriana, en la Especialización de geotecnia vial y pavimentos. En cuanto a la bibliografía extranjera, entre otros se destacan:. El investigador norteamericano Harry R. Cedergren, realizó en 1973 una extensa investigación de los daños causados por el agua en los pavimentos de Estados Unidos, para la Administración Federal de Carreteras y para el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de ese país, en la que concluyó que aquellos bien drenados duran por lo menos tres o cuatro veces más que los pobremente drenados.. Con base en sus observaciones de campo y en principios geotécnicos hasta ahora inobjetables, Cedergren y la Administración Federal de Carreteras de los Estados Unidos recomiendan tomar todas las medidas disponibles para disminuir el ingreso del agua a la estructura bajo los pavimentos. Sin embargo, aceptando que es virtualmente imposible impedir una cierta infiltración del agua a través de las carpetas, consideran necesario tomar medidas efectivas para retirarla rápidamente.. Carciente. J (Venezuela, 1981): considera algunos aspectos esquemáticos de obras de drenaje, pero no considera diseño hidráulico ni estructural. En 1988 la Administración Federal de Autopistas (FHWA) de los Estados Unidos evaluó los pavimentos sobre bases permeables que en ese entonces, tenían 10 estados..

(36) MIC 2004-I-25. 17. De los 10 estados, siete usaban bases permeables no tratadas, mientras que los tres restantes (California, Carolina del Norte y Virginia del Oeste) las usaban tratadas. Las observaciones arrojaron, como conclusión, que cuando las bases permeables están bien diseñadas y correctamente construidas, se eliminan el bombeo, los escalonamientos y el agrietamiento de los pavimentos de concreto.. Instrucción 5.2-IC “Drenaje superficial” (España-1990): el cual contiene consideraciones generales y criterios básicos sobre drenaje superficial de infraestructura de carreteras, aprobada por orden ministerial de 14 de mayo de 1990.. AASTHO LRFD Bridge Desing Specifications-USA (1994), del cual se destacan algunas especificaciones para drenaje de infraestructura y superestructura de puentes.. Keller Gordon (Guatemala, 1995): Se refiere a un manual de capacitación con énfasis sobre planificación ambiental, drenajes, estabilización de taludes y control de erosión. XXI ST World Road Congress (Malasya, 1999): De las memorias se destacan los siguientes aspectos:. “Conservación preventiva… El no limpiar los desagües ni mantener la impermeabilidad de la calzada de forma adecuada plantean graves problemas..

(37) MIC 2004-I-25. 18. Debe volver el énfasis a la conservación preventiva planeada. La limpieza de los desagües, la obturación de las grietas y el tratamiento de la superficie debe tener máxima prioridad.” Del informe Nacional de Croacia se destaca: En el diseño de pavimentos, las características climáticas e hidrológicas se toman en consideración por medio de un factor regional “R”. El ruido es el principal elemento a tener en cuenta en el proyecto de pavimentos, según se expone en el informe Nacional de los Países Bajos siendo obligatorio que todos los firmes de la Red Principal tengan una capa de rodadura silenciosa considerándose como tal las mezclas bituminosas drenantes. Hay que destacar que se considera que las capas de rodadura drenantes, adecuadamente conservadas tienen una vida útil de 10 años. De los informes Nacionales de Italia y Nueva Zelanda, se destaca que dentro de los indicadores de estado de la carretera se considera el drenaje. Según se dice en el informe Nacional de Países Bajos, un problema en dicho país es el ensanche de las carreteras, pues los nuevos terraplenes necesarios pueden producir asientos en el terreno natural que ocasionan desperfectos en la carretera existente. Para ello, se está estudiando y recurriendo al empleo de materiales ligeros en combinación con sistemas de drenaje vertical distintos a los tradicionales.”. National Highway Institute-USA, “Pavement Preventive Maintenance” (2000), el cual presenta algunas técnicas de mantenimiento preventivo para pavimentos rígidos, flexibles y articulados..

(38) MIC 2004-I-25. 19. 3. HIDROLOGÍA. La intervención humana del medio físico produce cambios importantes en la hidrología en las áreas urbanas y rurales en las siguientes formas:. a. Eliminación de áreas cubiertas por bosques o vegetación y su reemplazo por áreas duras y edificaciones b. Cambios topográficos para adaptar los terrenos al proceso de urbanización y desarrollo vial c. Canalización de aguas por medio de pavimentos, sumideros y alcantarillados, disminución de la rugosidad, inhibición de la infiltración y de la evapotranspiración, aumento de caudales y reducción del tiempo de concentración. d. Aumento de caudales con aguas de acueducto tomadas de otras cuencas. e. Transporte de aguas de una microcuenca a otra a través del sistema de alcantarillado.. f. La impermeabilización debida a la urbanización disminuye la evaporación e infiltración y aumenta la escorrentía. La aplicación de la Hidrología en el diseño de drenajes de carreteras tiene como propósito estimar la estimación de la escorrentía máxima.. En Colombia no se le presta la debida atención al análisis hidrológico para el diseño de estructuras de drenaje de carreteras..

(39) MIC 2004-I-25. 20. 3.1 ASPECTOS GENERALES. Para diseñar los elementos de una red de drenaje es necesario conocer el origen y la magnitud de los caudales máximos que pueden llegar a ella.. En el diseño de obras de drenaje. es indispensable conocer el. comportamiento hidrológico del área.. Resulta importante conocer los caudales de máximas dentro de un período de retorno dado, para dimensionar los sistemas de drenaje, para reducir o evitar daños en la infraestructura vial, sobre corrientes o cauces naturales en las obras ubicadas sobre estos.. En Colombia no existe una reglamentación sobre los métodos empleados para el cálculo del caudal en una cuenca ni una exigencia estricta al respecto. Pero ante la incertidumbre que puede generar la diversidad de resultados obtenidos, se considera una buena práctica en ingeniería el empleo simultáneo de varios métodos de cálculo con el fin de tomar una decisión acertada sobre el caudal de diseño.. Si se conocen con un nivel de aproximación razonable las magnitudes de las crecientes que se van a presentar durante la vida útil de un proyecto, sus estructuras se pueden diseñar técnica. y económicamente con una gran. confianza para soportar los efectos que se producen sobre la estructura cuando pasan las crecientes extraordinarias. Estos efectos se traducen en impactos, presiones, socavación, erosión, deslizamientos, taponamientos y desbordamientos..

(40) MIC 2004-I-25. 21. En el cálculo de las crecientes futuras probables para el diseño de obras de drenaje se deben considerar:. - Riesgo de falla en la capacidad hidráulica o en la estructura de la obra, - Régimen hidrometeorológico: • Disponibilidad de información de caudales o de lluvias, • Representatividad espacial: Se analiza la cercanía al sitio de estudio y la representatividad del comportamiento hidrometeorológico, • Homogeneidad: Consistencia de los parámetros estadísticos, • Representatividad temporal: Se estudia la longitud de la serie y la ocurrencia de fenómenos tales como Niña y Niño. - Características: • Topografía: dimensiones, forma de cuenca, trazado de la red hidrográfica, elementos que condicionan el tiempo de concentración, •. Suelos: Permeabilidad, cobertura vegetal y estado de la superficie.. Una vez revisada la información se procede a seleccionar los métodos de cálculo aplicable a cada uno de los casos.. Los métodos que se recomiendan varían entre la aplicación de conceptos de estadística y probabilidad a registros históricos de caudales máximos y el uso de fórmulas que relacionan algunas características de la cuenca con las lluvias de corta duración. Los métodos de cálculo más utilizados son los siguientes: •. Análisis de registros históricos de caudales máximos,.

(41) MIC 2004-I-25. •. Relaciones cuenca, lluvia y caudal. Entre estos se encuentran:. -. Método racional,. -. Hidrogramas unitarios,. -. Fórmulas regionales.. 22. 3.2 ANÁLISIS DE REGISTROS HISTÓRICOS DE CAUDALES MÁXIMOS. La serie histórica de caudales máximos de una estación hidrométrica se conforma con los picos de los hidrogramas si la estación está equipada con limnígrafo o con los registros de maxímetros si la estación está conformada por una batería de miras.. Para asegurar la independencia de los datos de la serie se recomienda tomar el máximo valor por cada año de registro.. El análisis estadístico de la serie de máximos históricos permite establecer la confiabilidad de la serie en cuanto tiene que ver con la longitud del registro y la consistencia de la información. Luego se procede a calcular los parámetros estadísticos que. representan el régimen histórico de las crecientes:. Promedio (X), Desviación Estándar (SD) y Coeficiente de Asimetría (Ca). Posteriormente, utilizando métodos de Inferencia Estadística, se calculan los parámetros de la población para aplicarlos en el pronóstico de probabilidad de las crecientes futuras; estos parámetros son Esperanza Matemática (µ), Varianza (var) y Coeficiente de Asimetría (Cs)..

(42) MIC 2004-I-25. 23. Por último, se selecciona una distribución de probabilidades y se calculan los picos de creciente para Períodos de Retorno (Tr) determinados. La magnitud de la creciente de período de retorno Tr se calcula con la expresión: Qt = µ + k s. (3.1). Donde: Qt: Caudal pico, Tr: Período de retorno, µ: Esperanza matemática de la serie, s: Raíz cuadrada de la varianza, k: Nivel de probabilidad o factor de frecuencia de la distribución de probabilidades seleccionada, en función del período de retorno Tr.. El método tiene el inconveniente de que analiza con un gran rigor matemático la teoría de las probabilidades pero no tiene en cuenta los factores físicos de la corriente de drenaje y de su cuenca.. 3.3 RELACIONES CUENCA, LLUVIA Y CAUDAL. El análisis de la relación que existe entre las características físicas de la cuenca, los factores de la lluvia y los hidrogramas de creciente permiten realizar pronóstico sobre los eventos futuros de esta naturaleza. Primero se recolecta la información cartográfica, pluviográfica y limnigráfica para delimitar la cuenca, determinar sus características morfométricas, geotécnicas y de uso del suelo, y seleccionar hidrogramas históricos de creciente junto con sus respectivas lluvias..

(43) MIC 2004-I-25. 24. Luego se calculan los hidrogramas unitarios o con la programación de modelos matemáticos de escorrentía los cuales se calibran con la información histórica existente.. Por último se hace una síntesis probabilística de lluvias de corta duración y se establecen las curvas de Intensidad-duración-frecuencia. Las curvas se aplican luego al hidrograma unitario o al modelo matemático para obtener pronósticos de los hidrogramas de creciente futuros.. 3.3.1 Método racional. La ecuación racional (3.2) es muy práctica, para estimar la escorrentía en cuencas pequeñas (menores de 1 km2). Q=. CIA 3,6. (3.2). Donde: Q: Caudal pico (m3 /s), C: Coeficiente de escorrentía, I: Intensidad de la lluvia de diseño (mm/h), la cual depende del tiempo de concentración), A: Área de la cuenca (km2). Los factores que influyen principalmente en el coeficiente de escorrentía: - Físicos: índice de pendiente, índice de compacidad y perfil longitudinal, - Geomorfológicos: red de drenaje, densidad de drenaje, pendientes, - Geológicos: características generales, - Cobertura vegetal: cultivos, bosque natural, praderas, etc..

(44) MIC 2004-I-25. 25. Limitaciones de la metodología:. - Solamente proporciona el caudal pico, no el hidrograma de creciente, - Se asume que la escorrentía es directamente proporcional a la precipitación, lo cual no es cierto porque la escorrentía depende de muchas otras cosas como la humedad antecedente. - Se asume que el periodo de retorno de la precipitación y la escorrentía es el mismo, lo que no es cierto. La precipitación es filtrada para producir escorrentía y ese filtro no es lineal, y depende del estado de saturación de la cuenca entre otros.. El éxito de la metodología depende de la acertada escogencia del coeficiente de escorrentía, generalmente se trabaja con valores tomados de tablas como la 3.1, desarrollados en países con clima, topografía y características totalmente diferentes a las de Colombia.. Una interpretación probabilística del método racional fue hecha por Herener y Flynt, donde los coeficientes de escorrentía varían con el período de retorno de la tormenta, la ecuación fue posteriormente modificada por Schaake y otros y es la siguiente:. Tabla 3.1 Coeficientes de escorrentía según tipo de área. TIPO DE ÁREA COMERCIALES Comercial Vecindarios RESIDENCIALES Unifamiliares Multifamiliares, espaciados Multifamiliares, compactos Semiurbanos. COEFICIENTES DE ESCORRENTÍA Mínimo Máximo 0,70 0,50. 0,95 0,75. 0,30 0,40 0,60 0,25. 0,50 0,60 0,75 0,40.

(45) MIC 2004-I-25. Casas de habitación INDUSTRIALES Espaciada Compacta CEMENTERIOS, PARQUES CAMPOS DE JUEGO ZONAS SUBURBANAS CALLES Asfaltadas En concreto Adoquinadas PARQUEADEROS TEJADOS PRADERAS Suelos arenosos planos (p<0,02) Suelo arenoso con pendiente media (0,02<p<0,07) Suelos arenosos escarpados (0,07<p) Suelos arcillosos planos (p<0,02) Suelos arcillosos con pendiente media (0,02<p<0,07) Suelos arcillosos escarpados (p>0,07) Fuente: Gavilán, 2001.. QTR = 0,278 C TR ITCTRA. 0,50. 0,70. 0,50 0,60 0,10 0,20 0,10. 0,80 0,90 0,25 0,35 0,30. 0,70 0,80 0,70 0,75 0,75 0,05 0,10. 0,95 0,95 0,85 0,80 0,95 0,10 0,15. 0,15 0,13 0,18. 0,20 0,17 0,22. 0,25. 0,35. 26. (3.3). Donde: QTR: Caudal para un período de retorno TR (m3/s), C TR: Coeficiente de escorrentía para un período de retorno TR, ITCTR: Intensidad de precipitación para un período de retorno TR y una duración TC, A: Área (km2).. Los coeficientes de escorrentía con este método se calculan a partir de la información existente así:. - Para cada cuenca instrumentada se hace análisis de frecuencia de caudales máximos instantáneos para obtener caudales asociados al período de retorno TR, - Se selecciona una expresión para calcular el tiempo de concentración Tc.

(46) MIC 2004-I-25. 27. - Con las curvas de Intensidad-Frecuencia-Duración asociadas a la cuenca se obtiene para lluvias de duración Tc y período de retorno Tr y la intensidad ITCTR, - Con la ecuación (3.3) se calculan los coeficientes de escorrentía para cada periodo de retorno TR, - Se selecciona un coeficiente de escorrentía para un período de retorno determinado, para relacionarlo con las características de la cuenca, generalmente se trabaja con coeficientes para TR 2,33 ó 10 años, debido a que con ellos se obtienen generalmente errores bajos. Estos valores de C se relacionan para todas las cuencas estudiadas con parámetros morfométricos y pueden obtenerse mapas de isolíneas de C. - Se determinan relaciones regionales de coeficientes para cualquier período de retorno y el coeficiente de escorrentía. - El método se aplica con las curvas de Intensidad-Frecuencia de la región y para duraciones de lluvia, Tc.. Cuando los coeficientes de escorrentía probabilísticas se hallan con información confiable, el método racional es eficiente y da estimaciones de caudales máximos con buna confiabilidad para el rango de áreas de cuencas usadas en la derivación de los coeficientes. El área de drenaje debe determinarse por medio de un plano con líneas de nivel definiendo los bordes topográficos de las áreas que aportan agua al sistema de drenaje.. 3.3.2 Hidrogramas unitarios. El hidrograma unitario es el modelo de lluvia-escorrentía más utilizado en Hidrología. Este modelo asume que el efecto de la cuenca que trasforma la.

(47) MIC 2004-I-25. 28. precipitación en escorrentía se puede presentar por una función lineal de tipo convolutiva. En el sistema de drenaje de una vía se requiere emplear las hidrografas unitarias sintéticas cuando se calcula el caudal procedente de cuencas definidas con caudales permanentes o estacionales que pueden generar crecientes para períodos de retorno altos, usualmente se usan para áreas mayores a 1 km2. Se emplean en el dimensionamiento de puentes, alcantarillas y estructuras de disipación.. Cuando se conoce el hietograma de la precipitación efectiva y el hidrogrma unitario de igual duración, el hidrograma de escorrentía directa respectivo se puede calcular convolucionando esa precipitación efectiva con el hidrograma unitario, es decir: N. Q(t) = ∑ U (T,i)P(t-1+1). (3.4). I=1. Donde: N: Memoria del sistema, número de ordenadas del hidrograma unitario, Q(t) : Ordenada t del hidrograma de escorrentía directa, U (T,i): Ordenada i del hidrograma unitario de T horas de duración, P (t-i+1): Ordenada j de la precipitación efectiva. La duración T del hidrograma unitario corresponde al intervalo de duración de la lluvia efectiva de igual intensidad. Los hidrogramas unitarios han sido desarrollados para afrontar el problema de información escasa, ellos relacionan las características principales del hidrograma unitario (por ejemplo el caudal pico) con otras características morfométricas de la cuenca..

(48) MIC 2004-I-25. 29. Una vez estimadas las características morfométricas requeridas, se puede calcular el hidrograma unitario, el cual se convoluciona con la precipitación efectiva para producir el hidrograma de escorrentía directa respectivo.. Los modelos de hidrógrafa unitaria más empleados en Colombia son:. - Zinder, - Servicio de Conservación de Suelos (SCS), - Williams y Hann.. Los siguientes son los pasos que se siguen en la aplicación del método del hidrograma unitario:. a. Síntesis de una lluvia de diseño, a partir de un análisis de intensidadduración-frecuencia de aguaceros de corta duración, b. Determinación de un índice de infiltración característico de la cuenca, c. Cálculo de la lluvia de exceso a partir de la lluvia total de diseño y de la infiltración esperada, d. Determinación del hidrograma unitario de la cuenca, e. Aplicación de la lluvia de exceso al hidrograma unitario, f. Interpretación de los resultados para estimar el caudal pico de creciente.. El método está limitado a cuencas homogéneas.. 3.3.3 Fórmulas regionales. La información limnigráfica de Colombia es escasa y se limita generalmente a corrientes y ríos mayores. Este tipo de información permite hacer.

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