Desarrollo de una herramienta de apoyo para el diseño de pavimentos porosos

1

Universidad de los Andes

Facultad de Ingeniería Civil y Ambiental

Desarrollo de una Herramienta de Apoyo Para el Diseño de Pavimentos Porosos

Proyecto de Grado

Presentado por: Johanna Alejandra Pérez Carrillo

Asesor: Juan Pablo Rodríguez Sánchez

Bogotá, D.C.

2015

I

Tabla de contenido

Tabla de contenido ... I

1. Introducción ... 1

1.1. Objetivo general ... 2

1.2. Objetivos específicos ... 2

2. Estado del Arte – Pavimentos Porosos ... 2

2.1. Tipos de pavimentos porosos (DENEVER, 2010) ... 3

2.2. Modelos de desempeño ... 4

3. Metodología ... 6

3.1. Metodologías de diseño Hidrológico ... 6

3.2. Metodología de diseño estructural AASHTO (AROCUTIPA, 2000) ... 8

3.2.1. Variables de diseño. ... 9

3.2.2. Determinación del número estructural ... 10

3.2.3. Estimación de los espesores de las capas ... 11

3.3. Programa PAVP ... 11

3.4. Modelo SWMM ... 12

4. Implementación ... 13

4.1. Áreas de estudio seleccionadas ... 13

4.1.1. Características y variables de las zonas seleccionadas. ... 13

4.1.2. Información Hidrológica de las zonas de estudio ... 15

4.2. Implementación de PAVP ... 16

4.2.1. Resultados - Espesores de la capa subbase ... 16

4.2.2. Resultados- Costos de Implementación y mantenimiento ... 18

4.2.3. Diseño final. ... 20

4.3. Evaluación del pavimento diseñado - SWMM ... 20

4.3.1. Parámetros ingresados ... 20

4.3.2. Resultados ... 24

5. Conclusiones... 27

6. Bibliografía ... 28

Anexos ... 31

1. Anexo- Memorias de Cálculo ... 31

II Índice de Figuras

Figura 1 Pavimentos porosos sin infiltración ... 3

Figura 2 Pavimentos porosos de infiltración completa ... 4

Figura 3 Sistema de infiltración parcial ... 4

Figura 4 Esquema del pavimento (SN, D) ... 11

Figura 5 Diagrama de procesos del modelo SWMM ... 12

Figura 6 Esquema de la unidad LID de pavimento poroso (EPA, 2010) ... 12

Figura 7 Zona de estudio1 ... 13

Figura 8 Zona de estudio2 ... 13

Figura 9 Mapa del sistema de tuberías de la zona 1 ... 14

Figura 10 Mapa del sistema de tuberías de la zona 2 ... 14

Figura 11 Curva IDF estación Vitelma ... 15

Figura 12 Resultados- Dimensionamiento capa sub base – Zona 1 ... 16

Figura 13 Resultados- Dimensionamiento capa sub base- Zona 2 ... 17

Figura 14 Costos - Tipo de pavimento - Zona de estudio 1 ... 18

Figura 15 Costos - Tipo de pavimento - Zona de estudio 2 ... 18

Figura 16 Costos - Tipo de infiltración- Zona de estudio 1 ... 19

Figura 17 Costos - Tipo de infiltración- Zona de estudio 2 ... 19

Figura 18Representación del caso de estudio en SWMM 5.0 ... 20

Figura 19 Variación de la escorrentía en función del periodo de retorno- Zona de estudio 1 ... 25

Figura 20 Variación de la escorrentía en función del periodo de retorno- Zona de estudio 2 ... 25

Figura 21 Infiltración del agua lluvia en función de TR- Zona de estudio 1 ... 26

Figura 22 Infiltración del agua lluvia en función de TR- Zona de estudio 2 ... 26

Índice de Tablas Tabla 1 Características de las variables de diseño de los Pavimentos Porosos (Centro de Investigaciones en Ingeniería Ambiental CIIA, 2015) ... 2

Tabla 2 Guía de selección del tipo de sistema de pavimento poroso (Woods-Ballard, y otros, 2007) ... 3

Tabla 3 Modelos empleados para la evaluación de desempeño de pavimentos porosos-1 ... 4

Tabla 4 Modelos empleados para la evaluación de desempeño de pavimentos porosos- 2 ... 5

Tabla 5 Ecuaciones de las metodologías de diseño Hidrológico ... 7

Tabla 6 Valores de referencia de Servicialidad ... 9

Tabla 7 Espesores Mínimos, en pulgadas en función de Ejes equivalentes (AASHTO, 1993) ... 9

Tabla 8 Valores de referencia para coeficientes de drenaje (mi) ... 10

Tabla 9 Ubicación de las zonas de estudio e información de suelos ... 13

Tabla 10 Coeficiente de aporte del área de drenaje ... 14

Tabla 11 Sistema de tuberías ... 14

Tabla 13 Parámetros de ajuste ... 15

Tabla 12 Intensidad máxima obtenida a partir del análisis de frecuencia ... 15

Tabla 14 Diseño preliminar ... 20

Tabla 15 Parámetros estimados (EPA, 2010) ... 21

III

Tabla 17 Parámetros infiltración HORTON... 21

Tabla 18 Parámetros de nodos y conductos ... 22

Tabla 19 Parámetros LID- Suelo ... 22

Tabla 20 Coeficiente de descarga y altura de desagüe ... 24

Tabla 21 Hietogramas de diseño para los diferentes periodos de retorno ... 24

Tabla 22 Reducciones de escorrentía correspondientes a la zona de estudio 1 ... 25

Tabla 23 Reducciones de escorrentía correspondientes a la zona de estudio 2 ... 25

1

1.

Introducción

La evolución de los sistemas de drenaje y alcantarillado han cambiado con forme a las necesidades y el avance en tecnología e ingeniería. Ciudades como Bogotá, han tenido un proceso de urbanización acelerado que ha alterado sustancialmente la hidrología de sus cuencas, modificando el drenaje natural y el proceso de transformación lluvia-escorrentía (Dolz & Gómez, 1994, pág. 55). Como consecuencia de lo anterior y el sub dimensionamiento de la estructura de drenaje de la ciudad, se han sobrepasado las capacidades de los sistemas ocasionando inundaciones en épocas de lluvia. La forma como se ha planteado dar solución al colapso del sistema, ha sido fomentar el desarrollo de nuevas técnicas, tecnologías y avances en ingeniería que propendan hacia una ciudad sostenible, en este contexto se proponen sistemas de aprovechamiento de agua lluvia como alternativa para controlar y mitigar los impactos en tiempos de lluvia.

Una de las técnicas más completas que se han estudiado, en temas de Sistemas de Drenaje Urbano Sostenible (SUDS) es la implementación de pavimentos porosos, esto debido a que son estructuras capaces de: soportar la carga generada por peatones o el tráfico vehicular y permitir la percolación del agua lluvia hacia las capas inferiores del pavimento. Una vez infiltrada el agua, el sistema permite un almacenamiento temporal antes de que ésta: se termine de infiltrar en el suelo, sea reusada o de llegue al sistema de drenaje de la zona. Otra de las ventajas que presenta este sistema y por la cual es considerado como un sistema integral, es su capacidad de funcionamiento como módulo de tratamiento, al funcionar como un filtro que retiene sedimentos y contribuye a la eliminación de contaminantes y patógenos, mejorando así la calidad del agua del efluente (Woods-Ballard, y otros, 2007).

En este contexto se desarrolló la herramienta computacional PAVP (Programa de Diseño de Pavimentos Porosos) que tiene como objetivo facilitar el dimensionamiento de la estructura de un sistema de pavimentos porosos, con enfoque y aplicación para la ciudad de Bogotá. Para determinar la utilidad de la herramienta computacional desarrollada, se llevó a cabo un análisis de validez y exactitud del programa, presentando los beneficios y reducciones de escorrentía reales que generaría un sistema diseñado para un área de estudio determinada. En una primera parte, se presenta una revisión de literatura en la que se consideraron los métodos y manuales de diseño hidrológico y estructural más empleados para el diseño de pavimentos porosos, así como los métodos de evaluación del desempeño de estas estructuras. Para la segunda parte del documento se realiza una breve descripción de la herramienta PAVP, para después presentar los resultados de su implementación en dos zonas de estudio ubicadas en la ciudad de Bogotá. Finalmente, se evalúan los sistemas dimensionados mediante el modelo SWMM, desarrollando algunas conclusiones sobre la efectividad del programa y la definición de las variables más relevantes para el dimensionamiento de un sistema óptimo. De esta manera, si se presenta de forma resumida el alcance del presente Proyecto de Grado está dirigido a alcanzar los siguientes objetivos:

2

1.1. Objetivo general

Desarrollar y aplicar una herramienta computacional de diseño de pavimentos porosos, haciendo uso del programa Visual Basic de Excel, que permita tomar decisiones sobre cual es dimensionamiento optimo del sistema.

1.2. Objetivos específicos

 Identificar, estudiar y analizar las normas de diseño de pavimentos porosos aplicadas en Colombia, comparándolas con las diferentes guías de diseño empleadas en el programa.

 Proponer un programa que permita identificar el dimensionamiento óptimo de un sistema de pavimento poroso, comparando diferentes metodologías de diseño y el costo que representan.

 Reconocer los diferentes modelos que han sido empleados para evaluar la eficiencia de sistemas de pavimentos porosos, implementando el método más completo en la verificación del diseño propuesto.

 Reconocer las variables de diseño que tienen mayor influencia en el desempeño y dimensionamiento de los pavimentos porosos.

2.

Estado del Arte – Pavimentos Porosos

Los pavimentos porosos son estructuras de drenaje urbano que permiten: regular el caudal máximo, disminuir los volúmenes de escorrentía, recargar naturalmente los acuíferos y promover la remoción de contaminantes presentes en la escorrentía (Woods-Ballard, y otros, 2007). No obstante, la implementación de esta tipología de SUDS no es ilimitada, ya que cuenta con distintas restricciones (Tabla 1), de esta forma que dependiendo de las características del área puede variar el diseño y el tipo de sistema a implementar.

Tabla 1 Características de las variables de diseño de los Pavimentos Porosos (Centro de Investigaciones en Ingeniería Ambiental CIIA, 2015)

Parámetro Características

Tasa de infiltración del subsuelo > 13 mm/h Tasa de infiltración del pavimento > 28 mm/h

Espacio de Vacíos Adoquines > 8%

Plásticos > 20% Asfalto/Concreto >2%

Pendiente Longitudinal 0.5 – 3%

Tiempo de drenaje máximo 48 – 72h

Razón Área Impermeable: Área Permeable 3:1

Profundidad a la Tabla de Agua < 60 cm – No Recomendado < 1.5 m – Usar Drenajes

> 1.5 m – No requiere Drenajes

Pendiente del Área Tributaria 5%

3

2.1. Tipos de pavimentos porosos (DENEVER, 2010)

Los pavimentos porosos son implementados teniendo como base las características del suelo y su uso, como se presenta en la Tabla 2, de forma que es posible encontrar tres tipos de sistemas de pavimento poroso: de infiltración nula, total o parcial. El sistema de infiltración nula, presentada en la Figura 1 impide la infiltración del agua lluvia al acuífero, por lo que es recomendado bajo condiciones de escorrentía con cargas contaminantes muy altas, provenientes de suelos o actividades industriales. Contrario al primer sistema presentado, se presenta en la Figura 2 la sección de un pavimentos porosos de infiltración completa, en la que se da libre ingreso del agua lluvia, éste tipo de estructuras son recomendadas en suelos con capacidad de infiltrar el agua total en periodos menores a 12 horas. Por otra parte, los sistemas de infiltración parcial cuentan con una combinación entre las estructuras anteriormente mencionadas, ya que el agua lluvia que no se infiltra es evacuada de la estructura por medio de tuberías de drenaje, como se expone en la Figura 3.

Tabla 2 Guía de selección del tipo de sistema de pavimento poroso (Woods-Ballard, y otros, 2007)

Característica Infiltración Total

Infiltración Parcial

Sin Infiltración

Permeabilidad (m/s) 10-6_-10-3 _{  }

10-8_-10-6 _{x  }

10-10_-10-8 _{X X }

Contaminantes presentes en el agua X X 

Profundidad de la tabla de agua menor a 1m

X X 

4 Figura 2 Pavimentos porosos de infiltración completa

Figura 3 Sistema de infiltración parcial

2.2.

Modelos de desempeño

Como parte de la investigación e implementación de sistemas de pavimentos porosos, se han desarrollado diferentes modelos y técnicas para evaluar su desempeño, cumpliendo así con el objetivo de cuantificar dimensionamientos y tipos de estructuras óptimas para determinadas condiciones y características. En este contexto se realiza una revisión bibliográfica resumida en la Tabla 3, en la que se presentan estudios y modelos para la evaluación del desempeño de SUDS. Tabla 3 Modelos empleados para la evaluación de desempeño de pavimentos porosos-1

Modelo (ECN) SWMM5-LID- PROPAV

Schwartz method: effective curve number

Storm Water Management Model for Low impact Design Descripción El método consiste en

encontrar una curva de relación entre la precipitación y la escorrentía generada.

Es una herramienta computacional, empleada para la evaluación del desempeño hidrológico de diferentes estructuras LID.

Es un modelo

independiente de

comparación y

5 Parámetros Características del área

Uso de la tierra

Precipitación

Suelo (porosidad)

Estructura del

pavimento(capacidad de infiltración y espesores )

Características de la superficie.

Estructura del pavimento

Coeficiente y exponente de drenaje

Características de la cuenca.

Alcances y limitaciones

Se puede proponer una curva de diseño, independiente del evento de lluvia.

Hay incertidumbre en la forma en que se asumen las pérdidas iniciales del sistema, ya que estas representan las pérdidas

de un pavimento

convencional (curva 98).

No es apropiado para sistemas de pavimentos porosos con sistema de drenaje.

Sobreestima la escorrentía del sistema.

Incorpora algoritmos físicamente basados de LID, usando balances simples de masa en los que se mira el cambio de volumen de agua en cada capa del pavimento con respecto al tiempo.

Es capaz de predecir los caudales máximos para pavimentos porosos con infiltración natural y con sistema de drenaje.

No cuenta con una precisión alta para estimar volúmenes de descarga, ya que tiende a sobreestimar los flujos.

Es posible llegar a evaluar diferentes diseños y alternativas, optimizando el sistema.

No hay gran variedad de

documentos que

referencien el uso del programa para estructura de pavimentos porosos.

Capacidad de descarga

No requiere descargar un modelo computacional.

Disponible para descargar. No se encuentra disponible para descarga.

Fuente Hydrologic Characterization of Undrained Porous Pavements (Martin & Kaye, 2014)

Hydraulic and hydrologic modelling of permeable pavement (Hohaia, Fassman , Hunt, & Collins, 2011)

Porous Pavement

Hydrology (Syrrakou, Fitch, Elliasen , Ahearn, & Pinder, 2010)

Tabla 4 Modelos empleados para la evaluación de desempeño de pavimentos porosos- 2

Modelo VS2DTI Geoestudio SEEP/W ERWIN

Descripción

Modelo que hace uso de aproximaciones finitas para resolver la ecuación de Richard para el flujo, y la ecuación de advección dispersión para el transporte.

Herramienta que mediante un código de elementos finitos y la información del flujo de agua dentro de la estructura, permite reconocer el diseño optimo del sistema.

Es un modelo simple que consta de seis secciones, que representan las distintas capas y espacios del pavimento

Parámetros

Conductividad del suelo

Área disponible

Volumen a almacenar

Conductividad del suelo

Dimensiones y tipo de límites entre capas

Altura de agua a almacenar.

Profundidad de la precipitación y el reservorio.

Sistema de drenaje

6 Alcances y

limitaciones

Es posible realizar un análisis desde 1D a 3D.

Mediante el uso de aproximaciones finitas es capaz de modelar los fenómenos de advección, dispersión y transporte de contaminantes

La versión de descarga gratuita únicamente permite un análisis en 2D y cuenta con restricciones de aplicación.

EL modelo puede ser complementado con 7 modelos adicionales, como CTRAN/W, que es utilizado para análisis de transporte de contaminantes.

Es posible considerar el sistema con redes de flujo en estado estacionario y transitorio

La versión gratuita para estudiantes cuenta con diversas restricciones.

Se representa el sistema como una combinación de estructuras con diferentes características. En este sentido se representa el sistema de pavimento poroso a través de elementos como carreteas y zanjas filtrantes (soakaway).

Alto nivel de ajuste.

Capacidad de descarga

Disponible para descarga. Disponible para descarga. Disponible online

Fuente (USGS, 2015) Guía del usuario para SEEP/W. (Geo- Slope Office, 2001)

Modelling the outflow from a porous pavement (Schlüter & Jefferies, 2002)

Teniendo la información presentada en las tablas 3 y 4, se puede concluir que el modelo más apropiado para la evaluación de los sistemas diseñados es el modelo SWMM. El uso de la herramienta LID, hace que SWMM sea el modelo más confiable para la evaluación y balance hidrológico del pavimento. No obstante podría proponerse en un futuro emplear la herramienta SEEP, para la evaluación y validación de las restricciones existentes para los SUDS, aprovechando su extensión a análisis de contaminantes.

3.

Metodología

En esta sección se presenta de forma resumida la metodología empleada en el desarrollo del proyecto y su respectivo análisis, presentando en una primera parte los métodos hidráulicos y estructurales estudiados para el desarrollo de la herramienta computacional PAVP. Una vez presentada la base matemática del programa, se expone de forma breve el resultado de la herramienta computacional, para finalmente presentar el modelo elegido para la evaluación del pavimento poroso dimensionado.

3.1. Metodologías de diseño Hidrológico

Países pioneros en la implementación de sistemas de pavimentos porosos, como Japón, Holanda y Australia, han generado distintas metodologías y guías de diseño basadas en la hidráulica de la estructura. Las metodologías presentadas en la Tabla 5 tienen como objetivo llegar a un dimensionamiento, basado en un balance de masa simple, que garantice un drenaje y funcionamiento adecuado del sistema, de manera que se cumplan con las distintas restricciones y recomendaciones para la implementación de pavimentos porosos.

7 Tabla 5 Ecuaciones de las metodologías de diseño Hidrológico

Método Volumen o altura del afluente Ec Volumen o altura del efluente Ec

Método Chile1

𝑉𝑎𝑓𝑙 = 1.25 ∗ 0.001 ∗ 𝐶 ∗ 𝐼 ∗ 𝐴 ∗ 𝑑

60

1 _𝑉

𝑜𝑢𝑡= 0.001 ∗ 𝑓 ∗ 0.33 ∗ 𝐴𝑝𝑎𝑣∗ 𝑑

60 2

Método de

lluvias2 𝐻𝑖𝑛 = 𝐼 ∗

𝑑

60 3

𝐻𝑜𝑢𝑡 =𝑄𝑠 𝑆𝑎∗

𝑑 60

4

𝑄𝑠 = 0.1 ∗ 𝑓 ∗ 0.27 ∗ 𝐴𝑝𝑎𝑣 5

𝑆𝑎 = 𝐶 ∗ 𝐴 6

Método de

Virginia3 𝐻𝑖𝑛 = (𝑅 + 1) ∗ 𝐼 ∗

𝑑

60 7 𝐻𝑜𝑢𝑡 =

𝑓 ∗ 𝑑

2 ∗ 60 8

Método manual de

SUDS4

𝐻𝑖𝑛 = 𝑑 ∗ 𝐼 ∗ 𝐴 𝐴𝑝𝑎𝑣

9

𝐻𝑜𝑢𝑡 =𝑑 ∗ 𝑓 𝐹𝑆

10

Volumen Máximo

𝑽𝒎á𝒙 =𝒎á𝒙(𝑯𝒊𝒏 − 𝑯𝒐𝒖𝒕) ∗ 𝑨𝒑𝒂𝒗 𝟏𝟎𝟎𝟎

11

Espesor de la capa subbase

𝒆 = 𝑽𝒂𝒍𝒎/𝜼 12

Variables Hin /out: V: d: I: A /Apav: C: Qs: f: Sa: R: FS: e: 𝜼:

Lámina de agua de entrada y salida (mm) Volumen de almacenamiento

Duración del evento de precipitación (min)

Intensidad de lluvia como función del periodo de retorno (mm/h) Área de drenaje y del pavimento poroso (m2₎

Coeficiente de aporte

Caudal de salida de la estructura (m3_/s) capacidad de infiltración del suelo (mm/h) Superficie activa (m2₎

Razón (A/Apav) Factor de seguridad espesor de la capa (m) Porosidad del suelo Fuentes

1 _{(Ministerio de Vivienda y Urbanismo, 1996)} 2 _{(Ramos Ragúa , 2015)}

3 _{(VIRGINIA, 2013)}

8 Para la implementación de los métodos presentados, es necesario mostrar dentro de la metodología del proyecto las herramientas de análisis de precipitación empleadas. Para el caso de estudio desarrollado, se emplearon las curvas de Intensidad Duración y Frecuencia en la estimación de las variables de intensidad y duración solicitadas, de la misma forma se emplea el método de bloque alterno para la generación de un hietograma de referencia.

Curvas IDF

Las curvas de Intensidad- duración- Frecuencia permiten estimar las frecuencias de sobrepaso (TR) de los eventos lluviosos observados partir de su intervalo de observación (d) y de su intensidad medida (I), por interpolación gráfica o matemática (Torres Abello, 2004). Para la generación de las curvas IDF se toma la información pluviométrica de una estación de medición, mirando el intervalo de tiempo entre registros y la precipitación asociada a este intervalo, encontrando la intensidad para distintos conjuntos de datos equivalentes a una hora.

Posteriormente, se toma la intensidad máxima obtenida para distintas duraciones para cada conjunto de datos. Teniendo los valores de máxima intensidad en cada año y su respectiva duración, se ajustan a una distribución de probabilidad de Gumbel Tipo 1. Finalmente, se determinan los parámetros de ajuste de la ecuación IDF representada por la ecuación de Montana a partir del método de mínimos cuadrados.

 Ecuación de Montana

𝐼(𝑑) = 𝐶1(𝑑 + 𝑋0)𝐶2 _{Ecuación 13}

Donde

I(d): Intensidad (mm/h)

d: duración del evento de precipitación (min) C1, C2, X0: Parámetros de ajuste

(Sociedad Estándares de Ingeniería para aguas y suelos LTDA.)

Método del Bloque alterno

El método de bloque alterno permite obtener un hietograma de diseño partiendo de la información de las curvas IDF, de forma que haciendo uso de los parámetros encontrados para la ecuación de Montana, se calculan las intensidades y precipitaciones para intervalos de 60 min. A continuación, se procede a organizar la información a forma de hietograma triangular, ubicando la precipitación registrada en los 60 minutos más lluviosos en el centro, para después empezar alternar las ubicaciones de los registros de precipitación de forma descendente (Chow , Maidment, & Mays, 1994).

3.2. Metodología de diseño estructural AASHTO

(AROCUTIPA, 2000)

El diseño para el pavimento flexible según la AASHTO está basado en la determinación del Número Estructural “SN” que debe soportar el nivel de carga exigido por el proyecto (AROCUTIPA, 2000). A continuación se presemtan las distintas variables, parámetros y cálculos necesarios para el desarrollo de esta metodología.

9

3.2.1.

Variables de diseño.

 Servicialidad: Se usa como una medida del comportamiento del pavimento, la misma que se relaciona con la seguridad y comodidad que puede brindar al usuario, cuando éste circula por la vía. La escala de clasificación de esta variable va desde 0 a 5.

Tabla 6 Valores de referencia de Servicialidad

Índice de Servicialidad Clasificación

5-4 Muy buena

4-3 Buena

3-2 Regular

2-1 Mala

1-0 Muy mala

 Nivel de confianza: Se define como la probabilidad de que el pavimento diseñado se comporte de manera satisfactoria durante toda su vida útil, bajo las solicitaciones de carga, o la probabilidad de que los problemas de deformación y fallas estén por debajo de los niveles permisibles.

 Desviación estándar Normal: Es usada como factor de corrección del comportamiento real del pavimento y la propuesta del método AASHTO.

Una vez elegido un nivel de confianza y obtenidos los resultados del diseño, éstos son corregidos por dos tipos de incertidumbre: la confiabilidad de los parámetros de entrada, y de las propias ecuaciones de diseño basadas en los tramos de prueba. Para este fin, se considera un factor de corrección que representa la desviación estándar, el rango sugerido por el método AASHTO es de:

0.4 ≤ 𝑆𝑜 ≥ 0.5

 Tránsito de diseño: Se basa en estimar el número de ejes equivalentes a 8,2 toneladas (NE8.2) en el carril de diseño. En la Tabla 7 se presentan los espesores mínimos para las capas de carpeta asfalto y base granular de acuerdo al número de ejes equivalentes, propuestos por el método AASHTO.

Tabla 7 Espesores Mínimos, en pulgadas en función de Ejes equivalentes (AASHTO, 1993) Tránsito (ESAL’s) En Ejes

Equivalentes

Carpetas De Concreto Asfáltico

Bases Granulares

> 50000 1 o TS 4

50001-150000 2 4

150001-500000 2.5 4

500001-20000000 3 6

2000001-7000000 3.5 6

>7000000 4 6

 Coeficiente de drenaje: Este parámetro depende principalmente de la capacidad de drenaje del pavimento y el porcentaje de tiempo durante el cual el pavimento está expuesto a niveles de humedad próximos a la saturación en el transcurso de un año.

10 Tabla 8 Valores de referencia para coeficientes de drenaje (mi)

Calidad de Drenaje

% de tiempo en el que el pavimento está expuesto a nivel de humedad próximos a la saturación

Menos del 1% 1-5% 5-25% Más de 25%

Excelente 1.40 - 1.35 1.35 – 1.3 1.30 – 1.20 1.2 Bueno 1.35 – 1.25 1-25 – 1.15 1.15 – 1.00 1.00 Regular 1-25 – 1.15 1.15 – 1.05 1.00 – 0.80 0.8 Malo 1.15 – 1.05 1.05 – 0.8 0.80 – 0.60 0.6 Muy malo 1.05 – 0.95 0.95 – 0.75 0.75 – 0.40 0.4

 Módulo de resiliencia (MR)- Propiedad de la capa: Es el parámetro utilizado con el fin de representar las propiedades de los suelos de la subrasante en el diseño de pavimentos flexibles. Para determinarlo, la guía recomienda realizar el ensayo AASHTO T274 sobre una muestra representativa, no obstante se presenta la alternativa de estimación a partir de correlaciones con el porcentaje CBR (California Bearing Ratio).

 Coeficientes estructurales de las capas (ai): Los coeficientes estructurales están relacionados con los parámetros resistentes de las bases granulares, sub bases granulares, bases tratadas con asfalto y bases tratadas con cemento. Dentro de la guía de diseño AASHTO se encuentra una serie de Ábacos que representan los coeficientes estructurales para cada capa del pavimento en función del CBR o el módulo de elasticidad.

3.2.2.

Determinación del número estructural

El método de diseño AASHTO, está basado en el cálculo del Número Estructural “SN” sobre la capa subrasante o cuerpo del terraplén. Para esto se dispone de la siguiente ecuación:

𝐿𝑜𝑔𝑊18= 𝑍𝑟 ∗ 𝑆𝑜 + 9.36 ∗ 𝐿𝑜𝑔(𝑆𝑁 + 1) − 0.20 +

𝐿𝑜𝑔(∆𝑃𝑆𝐼) 4.2 − 1.5 0.4 +_{(𝑆𝑁 + 1)}1094_5.19

+ 2.32 ∗ 𝐿𝑜𝑔𝑀𝑅− 8.07

Ecuación 14

Donde:

𝑊18: Tráfico equivalente o ESAL´s

Zr: Factor de desviación normal para un nivel de confiabilidad R So: Desviación estándar

∆𝑃𝑆𝐼: Diferencia entre los índices de servicio inicial y el final deseado MR: Módulo de resiliencia efectivo de la capa

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3.2.3.

Estimación de los espesores de las capas

Los espesores de las capas individuales (Di) se obtienen a partir de las ecuaciones presentadas más adelante, que garantizan el número estructural del pavimento. El procedimiento se realiza considerando las distintas capas como se presenta en el siguiente esquema.

Figura 4 Esquema del pavimento (SN, D)

𝐷1∗≥ 𝑆𝑁1

𝑎1

Ecuación 15

𝑆𝑁1∗_{= 𝑎1 ∗ 𝐷}

1∗≥ 𝑆𝑁1 Ecuación 16

𝐷2∗= (𝑆𝑁2 − 𝑆𝑁1∗)/𝑎2𝑚2 Ecuación 17

𝑆𝑁1∗+ 𝑆𝑁2∗≥ 𝑆𝑁2 Ecuación 18

𝐷3∗= [𝑆𝑁3 − (𝑆𝑁1∗+ 𝑆𝑁2∗)]/𝑎3𝑚3 Ecuación 19

Donde:

SN: Número estructural de la capa D: Espesor de la capa

a: coeficiente estructural de la capa m: coeficiente de la capa modificado.

*Indica el valor realmente usado, el cual debe ser igual o mayor que el valor requerido según el algoritmo (Escuela de ingeniería, s.f.).

3.3.

Programa PAVP

El programa PAPV desarrollado en el marco de este proyecto, consiste en una herramienta computacional de diseño de pavimentos porosos, capaz de indicar cuales son los espesores y áreas recomendadas para este tipo de SUDS, teniendo como base: las características hidrológicas de la zona, propiedades del suelo, el tipo de infiltración del sistema, materiales empleados, método de diseño desarrollado y los costos asociados a su implementación. Como anexo (Anexo2) se encuentra el manual de usuario, en el cual se puede encontrar una información más amplia del programa, así como sus bases e implementación.

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3.4.

Modelo SWMM

Teniendo en como referencia la información presentada en las tablas de Modelos empleados para la evaluación de desempeño de pavimentos porosos-1 y 2, se presenta el modelo computacional Storm Water Management Model como la herramienta más completa para la evaluación de sistemas de pavimentos porosos.

El programa SWMM, es un modelo dinámico enfocado en la gestión de aguas pluviales, cuyo proceso se basa en un balance de masa representado en el diagrama de procesos mostrado en la Figura 5. La herramienta realiza simulaciones de precipitaciones ya sea para un único acontecimiento o para realizar una simulación continua en periodo extendido, permitiendo seguir la evolución de la cantidad y la calidad del agua de escorrentía de cada cuenca, así como el caudal, el nivel de agua en los pozos o la calidad del agua en cada tubería y canal durante una simulación compuesta por múltiples intervalos de tiempo (EPA, 2010).

Una de las ventajas del modelo SWMM frente a los demás estudiados para la evaluación del desempeño, es la existencia de un módulo de simulación específico para unidades de LID (Low Impact Development), en el cual se puede considerar una estructura de pavimento poroso con o sin sistema de drenaje. El funcionamiento de los sistemas de pavimento poroso es representado en el modelo como se indica en la siguiente figura.

Figura 6 Esquema de la unidad LID de pavimento poroso (EPA, 2010) Abstracción inicial

Escorrentía

Controles LID

Descarga

Tratamiento/ desviación Precipitación

Deshielo

Evaporación/ Infiltración

Acuíferos Construcciones

Canales, tuberías y estructuras de almacenamiento Agua residual

RDII Figura 5 Diagrama de procesos del modelo SWMM

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4.

Implementación

4.1. Áreas de estudio seleccionadas

Para la elección del área de estudio, se tuvo en cuenta la ubicación de las subcuentas prioritarias en la ciudad de Bogotá, definidas como aquellas subcuencas con un mayor número de unidades de gestión ambiental prioritarias, correspondientes a áreas de drenaje definidas según las características locales de drenaje sanitario y/o pluvial. (Centro de Investigaciones en Ingeniería Ambiental CIIA, 2015). Asimismo, se consideraron las ubicaciones de las áreas potenciales para la ubicación de pavimentos porosos, teniendo restricciones de: pendiente (0,5-5%), nivel freático (>3m) y distancia a cimientos (>6m). Llegando a la elección de un área con alto potencial para la implementación de pavimentos porosos, dentro de la subcuenca Interceptor derecho de Fucha. Zona 2

Se seleccionó como segundo caso de estudio un área dentro del Parque metropolitano San Cristóbal, en la que actualmente se desarrollan estudios para la implementación de pavimentos porosos como parte de un plan piloto de implementación de SUDS, llevado a cabo por la Universidad de los Andes y la empresa de Acueducto y alcantarillado de Bogotá.

4.1.1.

Características y variables de las zonas seleccionadas.

Tabla 9 Ubicación de las zonas de estudio e información de suelos

Ubicación - Tipo de suelo

Figura 7 Zona de estudio1 Figura 8 Zona de estudio2

Características Zona de estudio 1 Zona de estudio 2

Localidad Antonio Nariño San Cristóbal

Dirección Calle 12 Sur # 14 Diagonal 13 Sur # 3

Actividad Área residencial Zona verde

Tipo de Suelo1

Deposito fluvio- Lacustre Formación Bogotá

Suelo con depósitos de los ríos Bogotá, Tunjuelito y afluentes con geoformas planas a ligeramente onduladas, de composición limo-arcillosa

Parte superior predominantemente arcillosa; alternancia de areniscas y arcillolitas en la parte inferior.

14

Pendiente2 _{1.84 0.03}

Porosidad 0.423 0.4

CBR 8 8

Nivel Freático2 _{4.29m 4.9m}

Infiltración 10.2205mm/h 5.75mm/h

Fuentes

1 _(Seisan), 2 _{(Centro de Investigaciones en Ingeniería Ambiental CIIA, 2015)} Tabla 10 Coeficiente de aporte del área de drenaje

Áreas consideradas y coeficientes de escorrentía

Zona Zona de estudio 1 Zona de estudio2

Área C. de escorrentía Área C. de escorrentía

Pavimento Poroso 1999.83 m2 _{- 107.3 m}2 _-

Área impermeable 3400.5 m2 _0.81 _713.15m2 _0.81

Zonas verdes 150.577 m2 _0.231 _0m2 _0.231

Área total de drenaje 3551.07 m2 _{0.776 713.15 m}2 _0.8

Suponiendo :

 Techos de concreto

 Periodo de retorno de 5 años

 Cubierta de pasto mayor del 75% del área.

 Pendiente: Plano 0-2% 1_{Fuente: (Portafolio)}

Tabla 11 Sistema de tuberías

Sistema de tuberías - Drenaje

Figura 9 Mapa del sistema de tuberías de la zona 1 Figura 10 Mapa del sistema de tuberías de la zona 2

Tipo Zona de estudio 1 Zona de estudio 2

Longitud Diámetro Longitud Diámetro

Local pluvial - - 523.8 1.1

Troncal pluvial 213.9 m - 265.9 1.2

Sanitario troncal 266 m 1.8 m - -

Sanitario local 180.88 m 0.2 m 1201.79 m 0.2m

Pozos Combinados :4 Pluviales: 8

15

4.1.2.

Información Hidrológica de las zonas de estudio

Para realizar la selección de la estación de medición se realizó un proceso de comparación, en el que se buscó la estación pluviométrica que tuviera una distancia mínima a cada una de las zonas de estudio. Obteniendo para ambos casos la estación de Vitelma como estación de referencia.

La información hidrológica presentada en las Tablas 12 y 13 es proporcionada por el Estudio y Revisión de las Curvas IDF/ PADF Para la Sabana de Bogotá realizado por el acueducto de agua y alcantarillado de Bogotá. En la sección 3.1 se explica la metodología empleada en el análisis de los datos pluviométricos, presentando de forma resumida el proceso de obtención de los parámetros de Montana presentados en la Tabla 13, partiendo de los parámetros de la ecuación se presentan las intensidades máximas (Tabla 13 y Figura 11) teniendo como referencia periodos de retorno de 3, 5, 10, 25, 50 y 100 años y duraciones de 15, 30, 60, 120 y 30 minutos.

Tabla 12 Parámetros de ajuste

PARÁMETROS DE LA ECUACION DE AJUSTE

Parámetro tr 3 años tr 5 años tr 10 años tr 25 años tr 50 años tr 100 años

c1 4052.16 4506.37 5237.86 5987.43 6691.39 7188.01

x0 30.8 31.2 31.9 32.2 32.6 32.7

c2 -1.07 -1.06 -1.06 -1.06 -1.06 -1.05

Tabla 13 Intensidad máxima obtenida a partir del análisis de frecuencia

INTENSIDAD MÁXIMA OBTENIDA A PARTIR DEL ANÁLISIS DE FRECUENCIA (mm/h) duración tr 3 años tr 5 años tr 10 años tr 25 años tr 50 años tr 100 años

15 67.5 76.3 87.3 101.2 111.6 121.8

30 51.4 58.5 67.4 78.6 86.9 95.2

60 32.4 36.9 42.4 49.4 54.6 59.8

120 18.3 21 24.4 28.6 31.8 34.9

360 7 8.1 9.4 11.1 12.3 13.6

16

4.2.

Implementación de PAVP

Se implementó el programa PAPV para las zonas de estudio seleccionadas, teniendo como parámetros la información presentada de la Tabla 9 a la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., adicionalmente se realizaron estimaciones del material que compone el pavimento, esto debido al déficit estudios puntuales para la determinación de las propiedades del suelo en las zonas de estudio. Las estimaciones enlistadas a continuación, son realizadas de acuerdo a información del estado vial, recomendaciones y valores de referencia.

 Se consideraron los valores asociados a una vía de clasificación local y de calidad de drenaje aceptable.

 La carpeta de rodadura considera un valor medio de módulo de elasticidad de 250000 asociados a un coeficiente estructural de 0.35.

 Se le asignó a la base granular y sub base, CBRs de 70 y 30 respectivamente asociados a un MR y coeficiente estructural de acuerdo a la información mostrada en los ábacos presentados en la guía de diseño AASHTO.

4.2.1.

Resultados -

Espesores de la capa subbase

Las siguientes figuras presentan los resultados obtenidos del diseño estructural del pavimento para las zonas de estudio.

17 Figura 13 Resultados- Dimensionamiento capa sub base- Zona 2

De acuerdo a los resultados de los métodos de diseño hidráulico para las lluvias de diseño de 1,5,10,25,50 y 100 años presentados, se puede observar de forma general que el espesor de la capa subbase tiende a aumentar de forma proporcional al periodo de retorno. Asimismo, se puede observar que para ambos casos los mayores espesores planteados corresponden a los obtenidos por el método de diseño de Virginia, teniendo una mayor variabilidad para la zona de estudio 1. Por otra parte, se encuentra que el método que presenta los menores valores de dimensionamiento corresponde al método de lluvias, generando un error relativo de hasta 45%, si se compara con los valores obtenidos para el método de Virginia.

Para la elección del método a implementar en el desarrollo de este proyecto, se tiene en cuenta que la variabilidad de los valores encontrados responde a las suposiciones y factores de seguridad propuestos en cada método de diseño. En este contexto y con el objetivo de no sub o sobre dimensionar el sistema, se excluyen los diseños obtenidos mediante los métodos de diseño de Lluvias y Virginia. En este punto se elige el método de Chile como el método de diseño a implementar, teniendo como fundamento el nivel de confianza que aporta mediante los factores de seguridad, de forma que propone coeficientes que aumentan el volumen de entrada y disminuye el volumen del efluente esperado, dando paso a un mayor volumen de almacenamiento de diseño. Como recomendación de las guías de diseño hidrológico, para vías de paso vehicular se debe comparar los resultados obtenidos con un método de diseño estructural de pavimentos, con el objetivo de generar un grado se seguridad vial. En el caso de estudio se tiene que para ambas zonas el dimensionamiento hidrológico es mayor al dimensionamiento propuesto por el método AASHTO, certificando la resistencia del sistema bajo condiciones de diseño hidrológico.

18

4.2.2.

Resultados- Costos de Implementación y mantenimiento

Las figuras que se presentan a continuación presentan la variación del costo de implementación del sistema, teniendo que ésta es significativamente mayor al emplear pavimentos de concreto o asfalto poroso, no obstante, cabe mencionar que el concreto o asfalto poroso es el tipo de pavimento permeable más resistente y recomendado para vías de uso vehicular (DENEVER, 2010). Teniendo en cuenta lo anterior y el uso potencial para parqueadero de las zonas elegidas, se opta por la tipología de pavimento poroso asfaltico o de concreto.

Figura 14 Costos - Tipo de pavimento - Zona de estudio 1

Figura 15 Costos - Tipo de pavimento - Zona de estudio 2 $40 $60 $80 $100 $120 $140 $160 $180 $200 Adoquines entrelazados Adoquines concreto poroso Poroso Co st o ( $ m illo nes )

Costos según el tipo de de pavimento poroso

(TR=10 años)

Método de lluvias

Método Chile

Método de Virginia

Método de SUDS

ASSHTO $5 $10 $15 $20 $25 $30 $35 Adoquines entrelazados adoquines concreto/asfalto poroso poroso C os to ($ m illon es )

Costos según el tipo de de pavimento poroso

(TR=10 años)

19 Por otra parte, al realizar un análisis de costo teniendo como parámetro de comparación el tipo de sistema empleado (Figura 16) (Figura 17), se presenta una relación inversa entre infiltración y costo, de manera que cuando se garantiza un mayor nivel de infiltración se van reduciendo los costos asociados al sistema. La relación entre el costo y el tipo de sistema, se deriva de la necesidad de implementar barreras de impermeabilización y distintos tipos de sistemas de drenaje.

Figura 16 Costos - Tipo de infiltración- Zona de estudio 1

Figura 17 Costos - Tipo de infiltración- Zona de estudio 2

Otro de los parámetros considerados y que tiene un grado de afectación significativo en la evaluación de los costos asociados al proyecto, es la existencia de pendiente del terreno, ya que implica la instalación de barreras laterales y la división en celdas del sistema. Considerando que para los dos casos de estudio se tiene una pendiente mayor a cero, se dispuso de barreras laterales repartidas de forma uniforme a dentro de la estructura del sistema.

$100 $110 $120 $130 $140 $150 $160 $170 $180 $190 Infiltración completa Infiltración parcial Sin infiltración Cos to ($ m ill o n es )

Costos segun el tipo de infiltracion

(TR=10 años)

Método de lluvias

Método Chile

Método de Virginia

Método de SUDS

ASSHTO $10 $15 $20 $25 $30 $35 $40 Infiltración completa Infiltración parcial Sin infiltración

C

os

to

($

millo

n

es)

Costos segun el tipo de infiltracion

(TR=10 años)

Método de lluvias

Método Chile

Método de Virginia

Método de SUDS

20

4.2.3.

Diseño final.

Teniendo en cuenta que la mayoría de estructuras de drenaje colombianas son realizadas para un periodo de retorno de 10 años (EPM, 2014), se consideran los siguientes diseños finales.

Tabla 14 Diseño preliminar

Zona de estudio 1 Zona de estudio 2

Método de diseño Método de Chile

Periodo de retorno 10 años

Costo del proyecto $161 millones $12 millones

Capa Espesor(cm) Espesor (cm)

Carpeta de Rodadura 12.49 12.46

Base 15.24 15.24

Súbase 19.165 90.03

La diferencia en el dimensionamiento de la capa subbase y los costos de proyecto para las zonas de estudio seleccionadas, responde a diversos factores como la diferencia de proporciones entre el área disponible para la implementación del sistema de pavimentos porosos y el área tributaria asociada. Otro factor que influencia la diferencia de dimensiones de las capas subbase para la zona de estudio, es el bajo nivel de infiltración que con que cuenta la zona de estudio 2 comparada con la tasa de infiltración disponible para la zona de estudio 1.

4.3.

Evaluación del pavimento diseñado - SWMM

La evaluación de desempeño de los pavimentos definidos en la sección anterior se hace por medio de la estimación de la infiltración en los sistemas diseñados y la escorrentía generada en el área total de las subcuencas estudiadas. Antes de realizar la evaluación del sistema, se presenta la definición los casos de estudio dentro del modelo SWMM, teniendo como base la siguiente representación gráfica de las zonas de estudio.

Figura 18Representación del caso de estudio en SWMM 5.0

4.3.1.

Parámetros ingresados

Los parámetros considerados para la definición de la cuenca, el modulo LID, conductos, nodos y series de tiempo de lluvia, se fundamentan en la descripción del área de estudio y los resultados obtenidos en el diseño del sistema. Los parámetros que no se encuentran incluidos en la descripción de la zona de estudio son estimados teniendo en cuenta las características de la zona de estudio, el tipo de suelo y los valores típicos o recomendados por el manual de usuario del modelo (Tabla 15).

21 Tabla 15 Parámetros estimados (EPA, 2010)

Parámetro Valor

Coeficiente de Manning para escorrentía superficial.

Cemento 0.015

Pasto natural 0.13

Almacenamiento en

depresión

Superficie impermeable 1.25- 2.5mm Césped, pastos y hierba 2.5- 5mm

Parámetros de la cuenca y conductos

La Tabla 16 y la Tabla 17 presentan los valores empleados como valores por defecto para la subcuenca representada en el modelo. Del mismo modo, la Tabla 18 presentan los parámetros ingresados para la evaluación de nodos y conductos.

Tabla 16 Parámetros de la cuenca

Propiedad Valor

Área (ha) 0.555 0.0823

Ancho (m) 67.66 27.5

Pendiente 1.84 0.03

Área impermeable % 97.29 100

n-Impermeable 0.015

n-Permeable 0.13

Alm. Dep.- Impermeable 1.25

Alm. Dep.- Permeable 2.25

% Alm. Dep. 0 25

Modelo de infiltración HORTON

El porcentaje de área impermeable presentado, no incluye el área del pavimento poroso para eliminar la redundancia generada al agregar el control LID. En cuanto a los parámetros de la infiltración de Horton se tuvo en cuenta que los valores típicos del coeficiente de decaimiento están entre 2 y 7, por lo que se asume un valor de 5 para el área de estudio. Asimismo, se eligió un tiempo de secado de 2 días siguiendo las recomendaciones del manual de usuario. Para esta evaluación del sistema, se consideró que no hay límite máximo del volumen de infiltración posible, por lo que el parámetro de volumen máximo no aplica. No obstante, es necesario reafirmar que los resultados de esta evaluación pueden variar si se realiza un estudio más profundo de las características del suelo y del sistema.

Tabla 17 Parámetros infiltración HORTON

Propiedad Valor

Tasa de inf máx. (mm/h) 10.22 Tasa de inf mín. (mm/h) 9 Constante de decaimiento (1/h) 5 Tiempo de secado (días) 2

22 Adicional a los parámetros por defecto, la cuenca de estudio requiere de información adicional como: el pluviómetro asociado a la cuenca, punto de descarga y usos de suelo. Esta última información, será omitida ya que está relacionada a la modelación de contaminantes.

Tabla 18 Parámetros de nodos y conductos

Propiedad Valor Z1 Valor Z2

Node invert 0

Node Max. Depth 0

Node Ponded Area 0

Longitud del conducto (m) 180.88 263 Geometría del conducto CIRCULAR

Diámetro (m) 0.2

Rugosidad 0.01

Unidades de flujo LPS

Método de cálculo Onda Cinemática Ecuación de la tubería Hazen-Williams

Parámetros del pavimento poroso

 Superficie

Anteriormente se han considerado las áreas verdes de las zonas de estudio, por lo que en se considera un valor de 0 para al parámetro de cobertura vegetal y de almacenamiento en superficie. Por otra parte se da un valor de 0.017 (García Haba, Perales Monoparler, & Doménech, 2004) al coeficiente de manning, un valor de 0.19 a la relación de vacíos, correspondiente a una porosidad de 16%, típica de pavimentos porosos (Trujillo López & Quiroz Lasprilla, 2013).

 Pavimento

Teniendo en cuenta los resultados del programa de diseño de pavimentos porosos se asigna un espesor de 126.64mm. En cuanto a la relación de vacíos se le asigna un valor de 0.19, teniendo en cuenta que se tiene la misma porosidad de la superficie. Finalmente para esta capa se asume que cuenta con una alta permeabilidad y no cuenta con colmatación.

 Suelo

Para el espesor de esta capa se le asigna el valor de 152.4mm, correspondiente a la capa base obtenida mediante el método de diseño estructural AASHTO. La siguiente tabla presenta los parámetros requeridos para la evaluación de esta capa.

Tabla 19 Parámetros LID- Suelo

Parámetro Valor (Z1) Valor (Z2) Fuente

Porosidad 0.423 0.4 (García, Rodriguez, López, & Tenorio, 2010) Capacidad de campo 0.232 0.22 (EPA, 2010)

Punto de marchitamiento 0.116 0.116 (EPA, 2010) Conductividad (mm/h) 3.3 3.3 (EPA, 2010)

Pendiente de

conductividad

15 15 (CHI Support, 2015)

23

 Almacenamiento

Esta capa corresponde a la capa sub base por lo que se tienen en cuenta los espesores obtenidos por el método de diseño de Chile y un periodo de retorno de 10 años. En cuanto a la relación de vacíos de la capa, se considera un valor de 0.733 correspondiente a una porosidad aproximada de 0.4 y se le asigna una permeabilidad de 2.5 (valor de referencia).

 Drenaje

Dado que las tasas de infiltración de las zonas de estudio se encuentran por debajo a las tasas recomendadas para sistemas de infiltración completa, se le asigna un sistema de drenaje a ambas estructuras. De esta forma se emplea: la Ecuación 21, para el cálculo del coeficiente de descarga (C); la Ecuación 20 , para hallar la altura de desagüe (Hd) (EPA, 2010) y la Ecuación 22 (propuesta por el Ministerio de Vivienda y Urbanismo de Chile), para la estimación del tiempo medio de vaciado (T) (Ramos Ragúa , 2015).

𝑞 = 𝐶(ℎ − 𝐻𝑑)𝑛 Ecuación 20

𝐶 = 2 ∗𝐷 1 2 𝑇

Ecuación 21

𝑇 = 𝜂 ∗ 𝑒 𝐶𝑠 ∗ 𝑓

Ecuación 22

Donde:

C: Coeficiente de descarga

q: Caudal de salida del sistema (mm/h) h: Altura almacenada (mm)

Hd: Altura de la tubería de desagüe (mm) D: Altura almacenada (mm)

T: Tiempo medio de vaciado 8h) Ƞ: Porosidad de la capa subbase Cs: coeficiente de seguridad

La altura de la tubería de desagüe se estima considerando los espesores obtenidos para cada periodo de retorno y una tubería de diámetro de 10.16 cm ubicada en la parte superior de la capa subbase, de acuerdo con las recomendaciones del departamento de planeación y desarrollo de Seattle (Department of Planning and Development, 2009).

Para el cálculo del tiempo de retorno y el coeficiente de descarga, se consideran las propiedades de considera: una porosidad de 0,4, correspondiente a la subbase; un coeficiente de seguridad de 0.333, correspondiente al método de Chile y una altura de almacenamiento igual al producto entre los volúmenes de descarga obtenidos por el programa y el área del pavimento. Igualmente, se considera un exponente de descarga de 0,5 de acuerdo con las recomendaciones del manual del usuario SWMM (EPA, 2010).

24 Para un espesor de 29.41 cm obtenido por medio del método de diseño AASHTO para ambos casos, se tiene: un coeficiente de descarga de 192.5mm, tiempo de vaciado de 37 horas y una altura de desagüe de 192.5mm. En las siguientes tablas se presentan los parámetros encontrados parara cada método de diseño hidráulico en cada zona de estudio.

Tabla 20 Coeficiente de descarga y altura de desagüe

Zona de estudio Método Hd (mm) T (h) C

1 Método de Lluvias 66.4 21 1.23

Método de Chile 90.4 24 1.15

Método de Virginia 209.4 39 0.90

Método de SUDS 88.4 24 1.15

2 Método de Lluvias 634.4 154 0.35

Método de Chile 801.4 188 0.32

Método de Virginia 926.4 215 0.30

Método de SUDS 786.4 185 0.32

Datos de precipitación

Haciendo uso de la información de lluvias manejada hasta este punto del trabajo, correspondiente a las curvas IDF de la estación VITELMA, se desarrolló el método de bloque alterno con intervalos de duración de 60 min, obteniendo las siguientes intensidades de lluvia.

Tabla 21 Hietogramas de diseño para los diferentes periodos de retorno Duración

(h)

Intensidad parcial alternada (mm/h)

Tr 3 años TR 5 años Tr 10 años Tr 25 años Tr 50 años Tr 100 años

1 0.368 0.539 0.652 0.758 0.866 1.150

2 1.830 2.318 2.755 3.179 3.597 4.332

3 32.510 37.691 43.455 49.502 55.069 61.827

4 5.292 6.419 7.564 8.696 9.791 11.390

5 0.792 1.063 1.273 1.474 1.675 2.104

6 0.164 0.281 0.345 0.404 0.464 0.667

4.3.2.

Resultados

Una vez ingresados los respectivos parámetros de: la subcuenca, nodos y módulo LID, se corre el modelo para los datos de precipitación presentados en la Tabla 21. Los resultados de la implementación de un sistema de pavimento poroso en la zona de estudio 1, que se presentan en La Tabla 22, revelan que es posible reducir en gran medida la producción de agua lluvia que se convierte en escorrentía. De esta forma, el área correspondiente a una zona de uso residencial con secciones de parqueadero, podría proponerse como un área de desconexión parcial al sistema de manejo de aguas pluviales de Bogotá. Por otra parte, en la Figura 19 y la Figura 20 se enseña el proceso de escorrentía en las subcuencas, presentando una reducción de 76% y 54% para la zona de estudio 1 y 2 respectivamente.

25 Figura 19 Variación de la escorrentía en función del periodo de retorno- Zona de estudio 1

Tabla 22 Reducciones de escorrentía correspondientes a la zona de estudio 1

TR 3 años 5 años 10 años 25 años 50 años 100 años

Máximo (mm/h) _{16.26 18.88 21.79 24.85 27.66 31.08}

Reducción (mm/h) _{50.35 47.73 44.82 41.76 38.95 35.53}

reducción % _{76% 72% 67% 63% 58% 53%}

Figura 20 Variación de la escorrentía en función del periodo de retorno- Zona de estudio 2

Tabla 23 Reducciones de escorrentía correspondientes a la zona de estudio 2

TR 3 años 5 años 10 años 25 años 50 años 100 años

Máximo (mm/h) 6.46 7.49 8.64 9.84 11.07 13.32

Reducción (mm/h) 7.67 6.64 5.49 4.29 3.06 0.81

reducción % 54% 47% 39% 30% 22% 6%

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80

0:00:00 2:24:00 4:48:00 7:12:00 9:36:00

Esc o rr e n tí a ( L/ s) Tiempo (HH:MM:SS)

Variación De La Escorrentia Con Respecto a TR

Sin pavimento 3 años 5 años 10 años 25 años 50 años 100 años -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16

0:00:00 2:24:00 4:48:00 7:12:00 9:36:00

Esc o rr e n tí a ( L/ s) Tiempo (HH:MM:SS)

Variación de escorrentía en función de TR

sin pavimento 3 años 5 años 10 años 25 años 50 años

26 Las Figuras 21 y 22 presentan la infiltración del sistema, presentando una tendencia de reducción de la tasa de infiltración cuando el pavimento está a punto de llegar a su punto de saturación y de generación de escorrentía. De forma general se puede decir que los pavimentos presentados cuentan con una mayor eficiencia para menores periodos de retorno.

Figura 21 Infiltración del agua lluvia en función de TR- Zona de estudio 1

Figura 22 Infiltración del agua lluvia en función de TR- Zona de estudio 2

-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

0:00:00 4:48:00 9:36:00 14:24:00 19:12:00

In fi ltr ac ió n ( mm/h ) Hora (HH:MM:SS)

Infiltración del agua lluvia en función de TR

3años 5 años 10 años 25 años 50 años 0.07 0.12 0.17 0.22 0.27 0.32 0.37

0:00:00 4:48:00 9:36:00 14:24:00 19:12:00 0:00:00 4:48:00

In fi ltr ac ió n ( mm/h ) Tiempo (HH:MM:SS)

Infiltración del agua lluvia en función del TR

3 años 5 años 10 años 25 años 50 años 100 años

27

5.

Conclusiones

 El programa generado permite realizar una comparación objetiva entre las distintas metodologías de diseño estudiadas, presentando los métodos de diseño de SUDS y Chile como los más acertados para el dimensionamiento de sistemas de pavimentos porosos. Asimismo, la herramienta desarrollada permite realizar una comparación entre tipos de pavimentos y sistemas de infiltración, encontrando grandes diferencias en los costos asociados a su implementación. En este contexto se plantean las estructuras con sistema de infiltración completa y de adoquines como las más económicas de implementar, lo cual no quiere decir que necesariamente este tipo de estructuras sean las más recomendadas para implementar. En este contexto, la elección de la configuración del sistema debe contar con un estudio previo, en el que se reconozcan las demandas, los riesgos y limitaciones asociados al uso del suelo.

 Considerando la revisión de los modelos de evaluación del desempeño de SUDS, se elige SWMM como el modelo más completo y acertado para la evaluación de sistemas de pavimento poroso considerando: la presencia del módulo Low Impact Development (LID), especializado en la evaluación de SUDS y la facilidad de acceso y descarga del programa. De esta forma, Mediante el uso del módulo de LID se logró simular de forma efectiva el impacto de la implementación de pavimentos porosos sobre determinadas subcuencas.

 Teniendo como referentes los resultados de desempeño obtenidos para la zona de estudio 1, se propone que mediante el desarrollo de herramientas como PAPV se puede llegar a impulsar la implementación y desarrollo de SUDS para zonas clasificadas como prioritarias dentro de la ciudad de Bogotá. En este contexto, el presente proyecto promueve la implementación de SUDS en la ciudad, al proporcionar una herramienta que facilita el proceso de diseño, análisis de presupuesto y evaluación de Sistemas de Drenaje Urbano.

 Los resultados de la evaluación del sistema demuestran la capacidad de los pavimentos porosos para reducir la escorrentía generada del sistema. Para los casos de estudio presentados, se señaló que el sistema diseñado es capaz de reducir los volúmenes de escorrentía en un orden de 50 a 75%.

 El diseño obtenido para los sistemas de pavimento poroso, cuenta con un alto nivel de incertidumbre asociada a la falta de información de la composición y propiedades reales de los materiales que componen el pavimento, por lo que la información presentada en la Tabla 14 se debe tomar como un diseño preliminar de los sistemas. Para poder complementar este proyecto y validar los resultados obtenidos se debe considerar un estudio adicional de suelos.

 Finalmente, se reconoció la capacidad de infiltración del sistema y la razón ente área de pavimento tributaria como unas de las variables de diseño que tienen mayor influencia en el diseño del sistema de pavimento poroso.

28

6.

Bibliografía

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Anexos

1.

Anexo- Memorias de Cálculo

Con el objetivo de verificar y mostrar el procedimiento que se lleva a cabo al interior de la herramienta computacional generada, en la siguiente sección se presenta un ejemplo de cálculo para cada método empleado en el diseño del sistema para la zona de estudio 1.

Métodos Hidrológicos

Se determina el espesor de la capa sub base teniendo como referencia el almacenamiento máximo para cada periodo de retorno, para el ejemplo de cálculo, se emplea u TR de 5 años y una duración de 120 min.

Método de Lluvias

 Calculo de altura afluente, efluente y volumen almacenado.

𝑄𝑜𝑢𝑡 = 0.1 ∗

10.2205𝑚𝑚

ℎ /1000 / 3600 ∗ 1999.83𝑚

2_{= 5.67𝑋10}−4_𝑚3_/𝑠

𝑆𝑎 = 0.776 ∗ 3551.07𝑚2_{= 2755.63 𝑚}2

𝑞𝑠 = (5.67𝑋10 −4_𝑚3

2755.63 𝑚2 ) ∗ 1000 ∗ 3600 = 0.74 𝑚𝑚/ℎ

𝐼 = 4506.37 ∗ (31.2 + 120)−1.06= 22.05𝑚𝑚/ℎ

𝐻𝑖𝑛 =22.05𝑚𝑚

ℎ ∗

120

60 = 44.109 𝑚𝑚

𝐻𝑜𝑢𝑡 = 𝑞𝑠 ∗120

60 = 1.48𝑚

𝐻𝑚𝑎𝑥 = (𝐻𝑖𝑛 − 𝐻𝑜𝑢𝑡)/ 1000 ∗ 𝑠𝑎 = 117.46𝑚3

 Seleccionado el volumen máximo de almacenamiento para cada TR se aplica la ecuación para la determinación del espesor de la capa.

𝑒 = 117.46𝑚 3

0.423 ∗ 1999.83𝑚2= 0.138𝑚 = 13.8𝑐𝑚

Método de Chile

 Calculo de volumen afluente, efluente y almacenado.

𝐼 = 4506.37 ∗ (31.2 + 120)−1.06= 22.05𝑚𝑚/ℎ

𝑉𝑎𝑓𝑙 = 1.25 ∗ 0.001 ∗ 0.776 ∗ 3551.07𝑚2∗ (120/ 60) ∗ 𝐼 = 151.94𝑚3

𝑉𝑒𝑓𝑙 = 0.001 ∗ 10.2205 𝑚𝑚/ℎ ∗ 0.33 ∗ 1999.83𝑚2∗ 120/ 60 = 13.613𝑚3