ESTUDIO DE LAS ALCANTARILLAS EXISTENTE EN LA AUTOPISTA

CAPITULO 4

1. ESTUDIO DE LAS ALCANTARILLAS EXISTENTE EN LA AUTOPISTA.

Las alcantarillas de drenaje son estructuras hidráulicas que sirven para desalojar el agua producto del escurrimiento de la lluvia en una planicie cuando su flujo es interrumpido por algún terraplén como es el caso de la autopista en el análisis. Su capacidad depende de la altura de agua a la entrada y a la salida, del caudal que aporta cada área y de las condiciones de entrada.

El propósito de este capitulo, es determinar la capacidad de descarga y el tipo de flujo que se presenta en cada alcantarilla. Para su efecto se utiliza ábacos y tablas que simplifican el proceso de cálculo, además se aplican ciertas metodologías para conocer el perfil del flujo dentro del barril.    

1. Determinación del caudal para cada alcantarilla

1. El caudal de diseño se obtuvo multiplicando el área de influencia (en porcentaje) y el caudal de la cuenca a la que corresponde la alcantarilla. En la tabla 4.1 se presenta este cálculo junto con el caudal de descarga de cada alcantarilla, mientras que la figura 4.1 muestra la distribución y el área tributaria de cada una.

Tabla 4.1.- Área de Aportación.-Consta el caudal pico y la alcantarilla de las cuencas

1. Altura de agua a la entrada(Hw)

1. Dentro del diseño de alcantarillas existen ciertas condiciones preponderantes. Las características básicas del flujo y la geometría de los canales tanto aguas arriba como aguas abajo, da un mejor discernimiento para la selección y el dimensionamiento de la alcantarilla, mientras que la altura del agua a la entrada limita la capacidad del ducto.
2. En este análisis se han definido dos valores de cabeza de agua a la entrada con el fin de conocer la descarga inicial y máxima de cada alcantarilla cuando se presente la precipitación de diseño. El primer valor es la altura de la creciente aguas arriba y el segundo es la altura del muro que protege el terraplén.
3. La altura de la creciente aguas arriba será determinada mediante una prueba de ensayo y error, la cual consiste en calcular el factor derecho de la ecuación 4.1  a partir de los datos mencionados en la tabla 4.2. [pic 1]
4.                                                                 Ec. (4.1)
5. Luego se asume un valor [y] y se calcula el factor de sección, se realiza varios tanteos hasta que el valor calculado de [pic 2] sea similar a  [pic 3], este valor [y] que satisface la igualdad (4.1) se lo conocerá como tirante normal.
6. En la tabla 4.2 se muestra las características y la geometría del canal natural a donde el agua escurre de manera laminar. También se exponen las vistas en planta y frontal de la bocatoma y el difusor de cada alcantarilla, además se presenta la longitud, pendiente y  posición de los tubos instalados. La geometría junto con las medidas del canal y la bocatoma de cada alcantarilla se expone a mayor escala en el plano 4 adjunto a este análisis.

[pic 4] Figura 4.1.- Distribución del área de escurrimiento que tributa a cada alcantarilla

Tabla 4.2.- (a) Geometría de la sección transversal y longitudinal del canal natural; condiciones de entrada a la alcantarilla abscisa 0+820  

Tabla 4.2.- (a) Geometría de la sección transversal y longitudinal del canal natural; condiciones de entrada a la alcantarilla abscisa 1+420

  Tabla 4.2.- (b) Geometría de la sección transversal y longitudinal del canal natural; condiciones de entrada a la alcantarilla abscisa 1+700

Tabla 4.2.- (c) Geometría de la sección transversal y longitudinal del canal natural; condiciones de entrada a la alcantarilla abscisa 1+960

Tabla 4.2.- (d) Geometría de la sección transversal y longitudinal del canal natural; condiciones de entrada a la alcantarilla abscisa 2+150

1. De acuerdo a los datos expuestos en las tablas y evaluando las ecuaciones descritas en el proceso para el cálculo aproximado del tirante normal del canal natural, se obtuvo los siguientes resultados.

Tabla 4.3.-  Altura del cauce, aguas arriba  de la alcantarilla

1. Flujo en alcantarillas

1. Las alcantarillas se diseñan para que operen a superficie libre y en condiciones críticas dependiendo de los patrones denotados anteriormente. Haciendo uso de estos patrones de flujo, Hee (1969) dividió los tipos de flujo en dos clases con cuatro categorías cada una. Las dos clases las denomino flujo con entrada sumergida y entrada a superficie libre y estableció una relación que permite definir si la entrada de la alcantarilla está o no sumergida. Dicha relación se denota a continuación:
3. [pic 15]
5. Siendo,
6.  H1: Energía total a la entrada
7.  z: Nivel del lecho a la entrada
8.  D: Altura del barril

[pic 16] Figura 4.2.- Alcantarilla estándar.- Flujo a superficie libre

2. En el artículo anterior se definió dos alturas de agua a la entrada, la primera se obtuvo del tirante normal del canal natural que en la mayoría de los casos es menor a 1.2 D y por tanto el flujo a la entrada es a superficie libre, mientras que en otras el nivel del agua supera a la corona del barril en mas del 20% de su diámetro es decir es mayor a 1.2D lo que correspondería a una entrada sumergida.
3. El funcionamiento de la alcantarilla depende de la altura de la superficie del agua dentro del barril también conocido como tirante normal. Mediante este valor se puede establecer si la alcantarilla trabaja o no a presión.
4. La valoración del tirante y la pendiente crítica cuando el flujo dentro del barril no es a presión, ayuda a seleccionar el régimen del agua dentro de la alcantarilla entre subcrítico o supercrítico y a establecer una posible ubicación de la sección de control.
5. Tanto el tirante normal como el crítico pueden ser determinados a través de ábacos o cálculos, el primero se lo obtuvo determinando el factor de sección dividido para el diámetro de la alcantarilla, luego este valor se lo llevo a la grafica para el calculo del tirante normal adjuntado al apéndice 4-1. La profundidad crítica fue determinada a través de la expresión (4.2) y corroborada a través de los ábacos publicados en el compendio #3 de la Transportation Research Board National Academy of Sciences que trata sobre las estructuras de drenaje incluido en el apéndice correspondiente a este capitulo.
6. [pic 17]                Ec. (4.2)
7. Los valores de tirante normal y crítico se los encuentran en la tabla 4.4,  la misma que se presenta a continuación.

Tabla 4.4- Profundidad normal y crítica en el barril

...