Nota Contiene ejemplo de
diseño de cuneta tradicional
El drenaje de pavimentos es esencial para mantener un buen nivel de servicio y
seguridad en el tráfico. El agua sobre el pavimento puede interrumpir el
tráfico, reducir la resistencia al patinaje, incrementar el potencial de
“hidroplaneo”, limitar la visibilidad debido al salpique y rocío, y, causar la
consecuente dificultad en la conducción del vehículo cuando las ruedas
frontales se encuentran con charcas.
El drenaje de pavimentos requiere de la
consideración del escurrimiento superficial, del flujo en cunetas y de la
capacidad de captación de los sumideros. El diseño de estos elementos depende
de la frecuencia de la lluvia y del spread permisible del agua sobre la
superficie del pavimento. Este capítulo presenta guías para el diseño de estos elementos.
Las cunetas son elementos hidráulicos utilizados para encausar las aguas lluvias de una vía, calle o avenida y pueden ser cunetas simples y compuestas hacia un sumidero.
Los sumidero son elementos hidráulicos que reciben el aporte de las cunetas para mediante tirantes depositar las aguas lluvias en cámaras o pozos de revisión.
Criterios
principales para la selección de la frecuencia y el spread de diseño:
- La identificación del tipo la
carretera es un buen inicio en el proceso de selección puesto que define
la expectativa pública respecto a la presencia del agua sobre la
superficie del pavimento.
- La velocidad es importante para la
selección del criterio de diseño. Se ha demostrado que para velocidades
mayores a 70 km/hr, el agua sobre el pavimento puede causar “hidroplaneo”.
- Los volúmenes de tráfico
proyectados son un indicador de la importancia económica de mantener la
vía abierta al tráfico.
- La intensidad de los eventos de
lluvia puede significativamente afectar la selección de la frecuencia y el
spread de diseño.
- Los costos de inversión no son ni
la menor ni la última consideración. Su consideración es necesaria para
formular una aproximación racional en la selección del criterio de diseño.
Otras
consideraciones incluyen los inconvenientes, peligros y molestias a los
peatones.
La elevación
relativa de la carretera y los terrenos que la rodean es una consideración
adicional donde el agua puede ser drenada solamente a través de un sistema de
drenaje como en el caso de tramos de carretera deprimidos y en pasos inferiores
(paso de una carretera por debajo de otra carretera).
El spread sobre
los carriles de tráfico puede ser tolerado a anchos mayores en aquellas vías
donde los volúmenes de tráfico y velocidades sean bajos. Los spreads que ocupan
hasta medio carril o más son usualmente considerados como un diseño mínimo en
caminos locales de bajo volumen.
La selección del
criterio de diseño para carreteras tipo intermedias, puede ser más difícil. Por
ejemplo, algunas vías arteriales con volumen de tráfico y velocidades
relativamente altos pueden no tener
espaldones los cuales deberían conducir el escurrimiento de diseño sin
inundación de las líneas de tráfico. En estas instancias, una evaluación de los
riesgos y costos para diferentes spreads puede ser útil para la selección del
apropiado criterio de diseño. La tabla 4-1 provee frecuencias y spreads mínimos
recomendados en base al tipo de carretera y velocidades del tráfico.
La frecuencia de
diseño recomendada para secciones deprimidas o pasos inferiores donde el agua
puede ser removida solamente por un sistema de drenaje es de 50 años de período
de retorno. El uso de una lluvia de menor frecuencia, tal como una de 100 años,
utilizada como de chequeo, permite
evaluar riesgos en sitios críticos donde el agua pueda encharcarse a
profundidades apreciables.
Tabla 4-1.
Frecuencia y Spread de Diseño Mínimos Sugeridos
Clasificación de la
Carretera
|
Frecuencia de Diseño
|
Spread de Diseño
|
Alto Volumen ó Dividida
ó Bi-direccional
|
< 70 Km/hr
|
10 años
|
Espaldón + 1 m
|
> 70Km/hr
|
10 años
|
Espaldón
|
Punto Deprimido
|
50 años
|
Espaldón + 1 m
|
|
|
Colector
|
< 70 Km/hr
|
10 años
|
½ Carril
|
>70 Km/hr
|
10 años
|
Espaldón
|
Punto Deprimido
|
10 años
|
½ Carril
|
|
|
Calles Locales
|
Bajo ADT
|
5 años
|
½ Carril
|
Alto ADT
|
10 años
|
½ Carril
|
Punto Deprimido
|
10 años
|
½ Carril
|
|
|
|
|
|
|
4.1.2 Selección
del Spread y Lluvia de Chequeo
Durante el
proceso de diseño debe utilizarse una lluvia de chequeo, ya que en cualquier
momento el escurrimiento sobre el pavimento puede causar inundaciones
inaceptables cuando se presentan eventos de menor frecuencia. También, los
sumideros deben siempre ser evaluados para una lluvia de chequeo cuando son
colocados en serie y terminan en una curva vertical deprimida, donde podrían
presentarse encharcamientos con profundidades de agua peligrosas para el
tráfico vehicular.
La frecuencia
seleccionada para la lluvia de chequeo debe fundamentarse en los mismos
criterios usados para la selección de la lluvia de diseño, es decir, las
consecuencias de un spread que exceda aquel spread seleccionado con la de
diseño y el potencial de encharcamiento. Donde no ocurran encharcamientos
significativos las lluvias de chequeo son normalmente innecesarias.
Los criterios
del spread durante la lluvia de chequeo son: (1) un carril abierto al tráfico
durante la ocurrencia de la lluvia de chequeo, y (2) un carril libre de agua
durante la ocurrencia de la tormenta de chequeo. Estos criterios difieren
sustancialmente, pero cada uno establece un estándar mediante el cual el diseño
puede ser evaluado.
Drenaje Superficial
Cuando la lluvia
cae sobre un pavimentado inclinado, forma una delgada capa de agua cuyo espesor
se incrementa a medida que fluye hacia el extremo aguas abajo del pavimento.
Los factores que influyen en la magnitud de la profundidad del agua son: la
longitud de la ruta del flujo, la textura del pavimento, la pendiente
superficial y la intensidad de la lluvia. A medida que la profundidad del agua
sobre el pavimento se incrementa, el potencial de “hidroplaneo” también se
incrementa. Más adelante se presenta una discusión sobre el “hidroplaneo”; y,
también se presentan guías para el diseño de los siguientes elementos del
sistema de drenaje:
- Pendiente longitudinal del
pavimento
- Pendiente transversal del pavimento
- Bordillo y cuneta
- Zanjas medianeras y laterales
- Plataforma de puentes
- Barreras medianeras
- Atenuadores de Impacto
4.2.1 “Hidroplaneo”
El
hidroplaneo ocurre cuando la capacidad de las estrías y de la superficie del
pavimento es excedida y el agua comienza a elevarse enfrente de la llanta. A
medida que el agua se eleva, se crea una cuña de agua y esta cuña produce una
fuerza hidrodinámica la cual eleva la llanta por encima de la superficie del
pavimento. Esto es considerado como un hidroplaneo dinámico total y, ya que el
agua ofrece poca resistencia al corte, la llanta pierde su habilidad tractiva y
el conductor pierde el control del vehículo. El hidroplaneo puede ocurrir en
velocidades de 89 Km/hr con una profundidad de agua de 2 mm.(20).
El hidroplaneo puede ser reducido aplicando las
siguientes medidas:
- Diseñe la
geometría de la vía de manera de reducir la longitud de recorrido del agua
que fluye sobre el pavimento. Esto evitará la formación de la cuña de
agua.
- Incremente la
profundidad de la textura del pavimento mediante métodos tales como el
estriado del concreto.
- El uso de
pavimento asfáltico de gradación abierta, se ha demostrado, que reduce
enormemente el potencial de hidroplaneo.
- El uso de
estructuras de drenaje a lo ancho de la calzada, para capturar el flujo de
agua sobre el pavimento, reducirá el espesor de la película de agua y
reducirá también el potencial de hidroplaneo de la superficie de rodadura.
4.2.2 Pendiente Longitudinal
La experiencia ha demostrado que los
valores de la pendiente longitudinal mínima para calzadas, dados en el “AASHTO
Policy on Geometric Design(21)”, proveerán un drenaje del pavimento
seguro y aceptable. En adición, las siguientes reglas generales son
recomendadas:
- La pendiente
longitudinal mínima es más importante en el caso de pavimentos con
bordillos que sin ellos en razón de que el flujo del agua es controlado
por el bordillo. En el caso de pavimentos sin bordillo, pero con
pendientes relativamente planas, pueden presentarse problemas de spread si
se permite que la vegetación crezca a lo largo del extremo del pavimento.
- Las pendientes
deseable para las cunetas no debe ser menor que 0.5% para pavimentos con
bordillo con un mínimo absoluto de 0.3%. Estas pendientes mínimas pueden
ser mantenidas en terrenos muy planos, conformando el perfil de la cuneta
o ajustando la pendiente transversal para alcanzar un perfil conformado.
- Para proveer un
adecuado drenaje en curvas verticales deprimidas, una pendiente mínima de
0.3% debe ser mantenida dentro de los 15 m del punto bajo de la curva.
Esto se logra cuando la longitud de la curva en metros dividida para la
diferencia algebraica de las pendientes (K), en por ciento, es igual o
menor que 50. Esto es representado como:
k = L /G2-G1 (4-1)
Donde:
K = constante
de curva vertical, m/por ciento
L = longitud
horizontal de la curva, m
Gi = pendiente
de la calzada, por ciento
4.2.3
Pendiente Transversal
La tabla 4-2 incluye un rango aceptable de pendientes transversales,
especificadas en “AASHTO’s policy on geometric design of highways and streets(21)”.
Tabla 4-2. Pendientes Transversales Normales de
Pavimentos
Tipo
de Superficie
|
Rango
de Pendientes Transversales
|
Superficie Tipo-Alta
|
2 carriles
|
0.015 – 0.020
|
3 ó más carriles, en ambas direcciones
|
0.015 mínimo;
incremente 0.005 a 0.010 por
carril; 0.040 máximo
|
Superficie intermedia
|
0.015 – 0.030
|
Superficie Tipo-Baja
|
0.020 – 0.060
|
Espaldones
|
Asfalto ó concreto
|
0.020 – 0.060
|
Con bordillos
|
>= 0.040
|
Bordillos y Cunetas
Los bordillos
son utilizados, normalmente, en el borde exterior de pavimentos con tráfico de
baja velocidad, en instalaciones viales y en ocasiones adyacentes a espaldones
en carreteras con velocidades de mediana
a alta. Ellos sirven para los siguientes propósitos:
- Mantener el escurrimiento
superficial dentro de la vía y lejos de propiedades adyacentes.
- Prevenir la erosión de los taludes
laterales en tramos viales sobre terraplenes.
- Proveer alineación al pavimento
- Permitir un desarrollo ordenado de
las propiedades adyacentes a la vía.
Las cunetas
formadas en combinación con bordillos, son disponibles en anchos que varían de
0.30 a 1.0 m. La pendiente transversal de la cuneta puede ser igual a la del
pavimento o puede ser diseñada con una pendiente transversal más pronunciada,
usualmente 80 mm por metro más inclinada que el espaldón ó carril de
estacionamiento (si es usado). Las
recomendaciones geométricas de la ASSHTO establecen que una pendiente del 8% es
una pendiente transversal máxima común.
La combinación
bordillo-cuneta forma un canal triangular que puede conducir un escurrimiento
igual o menor que el caudal de diseño sin interrupción del tráfico. Cuando
ocurre el caudal de diseño se forma un spread que incluye no solamente el ancho
de la cuneta sino también carriles de estacionamiento ó espaldones y porciones
del carril transitado.
El spread es lo que interesa al ingeniero hidráulico cuando el agua fluye
en la cuneta-bordillo. El spread T, es el ancho del charco de agua sobre el
pavimento medido perpendicularmente desde la cara del bordillo, tal como se
muestra en la figura 4-1. El límite de este ancho es uno de los criterios más
importante del diseño y será discutido en detalle en la sección 4-3.
Cunetas Laterales y Cunetas Medianeras
Las cunetas laterales son usadas en tramos de carretera sin bordillo para
conducir el escurrimiento desde el pavimento y desde áreas que drenan hacia la
carretera. Debido a limitaciones en el derecho de vía, las cunetas laterales no
son usadas generalmente en vías arteriales urbanas. Ellas pueden ser utilizadas
en tramos de vía con secciones de corte, en tramos deprimidos, y en otras
localizaciones donde se dispone de suficiente derecho de vía y donde los
accesos o intersecciones son poco frecuentes.
Para evitar que el drenaje desde las áreas medianeras cruce las líneas de
tráfico se recomienda inclinar las áreas medianeras y los espaldones interiores
hacia una zanja central. Este diseño es particularmente importante para vías de
alta velocidad y para vías con dos o más líneas de tráfico en cada
dirección.
4.2.6 Plataforma en Puentes
El drenaje de estas plataformas es similar al de las calzadas con
bordillos. El drenaje efectivo de estas plataformas es importante por las
siguientes razones:
- La plataforma
estructural con el acero que la refuerza, es susceptible a la corrosión
debido a las sales usadas para el derretimiento del hielo.
- La humedad sobre
la plataforma se congela antes que en la superficie de la calzada.
- El hidroplaneo
ocurre a profundidades menores sobre debido a la reducida textura
superficial del concreto de la plataforma.
El drenaje en la plataforma de los
puentes es a menudo menos eficiente que en las calzadas debido a que sus
pendientes transversales son más planas, los parapetos acumulan grandes
cantidades de basura y los sumideros u hoyos típicos para el drenaje en
puentes, son hidráulicamente menos eficientes y de mas fácil obstrucción por la
basura. Debido a estas dificultades para proveer y mantener un adecuado sistema
de drenaje en plataformas, el flujo proveniente de las cunetas-bordillo de las calzadas de acceso al puente debe ser
interceptado. Por estas razones las pendientes longitudinales nulas ó casi
nulas así como áreas deprimidas deben ser evitadas en la plataforma de los
puentes.
Una cobertura detallada sobre drenaje en puentes se incluye en la
referencia 23.
4.2.7. Barras Medianeras
Incline los espaldones adyacentes a las barreras medianeras hacia el centro
para evitar el escurrimiento a través del pavimento de los carriles
transitados. Donde barreras medianeras sean usados, y particularmente sobre
curvas horizontales asociadas con peraltes, es necesario instalar sumideros o
sumideros ranurados para colectar el agua acumulada contra la barrera.
Adicionalmente algunas agencias utilizan sistemas de tuberías para conducir el
agua a través de la barrera.
4.2.8. Atenuadores de Impacto
Debe revisarse la localización de
los atenuadores de impacto para determinar la necesidad de estructuras de
drenaje en esta área. Con algunos sistemas de atenuadores de impacto es
necesario tener una abertura clara (no obstruida) a medida que el tráfico se
aproxima al punto de impacto para permitir que un vehículo impacte sobre el
cabezal del sistema. Si el atenuador de impacto esta colocado en un área donde
el peralte ú otra grada de separación ocurra, puede necesitarse de sumideros
con rejilla o sumideros ranurados para evitar que el agua corra a través de la
abertura y fluya sobre las líneas de tráfico o rampas de tráfico. Los
bordillos, estructuras tipo bordillo ó zanja no pueden ser usadas para dirigir
el agua a través de esta abertura puesto que puede producirse la volcadura de
un vehículo.
4.3 Flujo
en Cunetas
La cuneta es definida, para propósito de este circular, como una sección
del pavimento adyacente a la calzada, que conduce el escurrimiento durante la
ocurrencia de una lluvia. Ella puede incluir una porción o todo el carril de
tráfico. Las cunetas pueden ser clasificadas como de tipo convencional o tipo
“shallow swale” (zanjas poco profunda), así ilustradas en la figura 4-1. Las
cunetas-bordillo convencionales usualmente tienen una forma triangular con el
bordillo formando el lado casi-vertical ó vertical del triangulo. Las
cunetas-bordillo convencionales pueden tener una sección transversal recta con
la pendiente transversal igual a la de la calzada (figura 4-1, a.1) ó pueden
tener una sección transversal compuesta donde la pendiente de la cuneta es
mayor que la del pavimento (figura 4-1, a.2), ó a una sección parabólica
(figura 4-1, a.3). Las cunetas poco profundas (swale) típicamente tienen una
sección en V ó semicircular así mostrado en la figura 4-1, b.1, b.2, y b.3,
respectivamente y son a menudo utilizadas en áreas medianeras pavimentadas en
vías con la corona invertida.
4.3.1
Ecuaciones de Capacidad
Los cálculos del flujo en cunetas son necesarios para determinar el spread
del agua sobre el espaldón, sobre el carril de estacionamiento o sobre el
carril de rodadura. Una ecuación modificada de la fórmula de Manning puede ser
usada para calcular el flujo de canales triangulares. La modificación es
necesaria puesto que el radio hidráulico en la ecuación no describe
adecuadamente la sección transversal de la cuneta, particularmente donde el
ancho de superficie libre puede ser más de 40 veces la profundidad junto al
bordillo. Para calcular el flujo en la cuneta, la ecuación de Manning es
integrada para un incremento de ancho a través de la sección24. La
ecuación resultante es:
Donde:
n = coeficiente de
rugosidad de Manning, (tabla 4-3)
Q = caudal, m3/s
T = ancho del flujo (spread), m
SX = pendiente transversal, m/m
SL = pendiente longitudinal, m/m
4.3.2 Secciones
Convencionales Cuneta-Bordillo
Las cunetas convencionales comienzan en la base inferior del bordillo y
usualmente se extienden desde la cara del bordillo hacia el eje de la vía una
distancia de 0.30 a 1.0 m. Así mostrado en la figura 4-1, las cuentas pueden
tener secciones uniformes, compuestas o curvas. Las secciones uniformes tienen
una pendiente transversal igual a la pendiente transversal del espaldón o de la
línea de tráfico adyacente a la cuneta. Las cunetas con secciones compuestas
son deprimidas en relación a la pendiente del pavimento adyacente. Esto es, la
cuneta pavimentada tiene una sección transversal que es más pronunciada que la
del pavimento adyacente. Este concepto es ilustrado en el ejemplo 4-1. Las
secciones curvadas son a veces encontradas a lo largo de calles antiguas ó
carreteras con secciones pavimentadas curvadas. A continuación se presentan los
procedimientos para calcular la capacidad de bordillos-cunetas.
Ejemplo de cunetas convencionales con pendiente transversal uniforme
