Universidad Nacional

Santiago Antunez de Mayolo

Facultad de ingeniería Civil

Logo

Ing. Oscar Fredy Alva Villacorta

 Aspectos generales
El drenaje es uno de los factores más importantes en el
diseño y construcción de carreteras, tiene por objeto alejar
las aguas de la carretera, para evitar la influencia
negativa de las mismas sobre su estabilidad y
transitabilidad, así como para reducir los gastos de la
conservación.

El prever un buen drenaje es

uno de los factores más
importantes en el proyecto de
una carretera.
 Aspectos generales
Objetivos de las obras de drenaje

 Dar salida al agua que se llegue a acumular en el

camino.
 Reducir o eliminar la cantidad de agua que se dirija hacia
el camino.
 Evitar que el agua provoque daños estructurales.
 De la construcción de las obras de drenaje, dependerá
en gran parte la facilidad de acceso y la vida útil del
camino.
-.
Aspectos generales
Lo que no queremos
La localización y el diseño de
las obras de drenaje tienen
una gran importancia en el
proyecto de vías terrestres,
una mala localización o un mal
diseño ocasionan graves
problemas en el buen
funcionamiento de una
carretera.
 Aspectos generales
Lo que no queremos
La falla de una obra trae como consecuencia la interrupción del servicio
de la vía en operación, así como las molestias causadas a los usuarios
por la pérdida de tiempo, además de las pérdidas económicas que
pueden ser considerables.
 Drenaje Superficial
Lo que no queremos
 Aspectos generales
Obras de Drenaje

Se define Obras de drenaje de una vía como el dispositivo

específicamente diseñado para la recepción, canalización y
evacuación de las aguas que puedan afectar directamente a
las características funcionales de cualquier elemento integrante
de la carretera.

Dentro de esta amplia definición se distinguen diversos tipos

de instalaciones encaminadas a cumplir tales fines, agrupadas
en función del tipo de aguas que pretenden alejar o evacuar.
 Aspectos generales
Se conocen como obras de drenaje a las siguientes:

 Puentes  Lavaderos
 Alcantarillas  Bajadas
 Cunetas  Bermas
 Badenes o Vados  Bordillos
 Bombeo  Sub drenes
 Zanjas de Coronación ó  Enrocados
Contra cunetas  Vegetación

Las obras de drenaje no son de uso universal. Son obras

que deben hacerse sólo en el lugar en que se requieran,
pues de otra manera se pierden recursos económicos y se
producirán, inclusive, resultados que pueden ser contrarios.
 Aspectos generales
El sistema de drenaje de una carretera tiene esencialmente dos
finalidades:

a) Preservar la estabilidad de la superficie y del cuerpo de la plataforma

de la carretera eliminando el exceso de agua superficial y la
subsuperficial con las adecuadas obras de drenaje.

b) Restituir las características de los sistemas de drenaje y/o de

conducción de aguas (natural del terreno o artificial construida
previamente) que serían dañadas o modificadas por la construcción de
la carretera y que sin un debido cuidado en el proyecto, resultarían
causando daños, algunos posiblemente irreparables en el medio
ambiente.
 Aspectos generales
Desde estos puntos de vista y de una manera práctica, debe considerarse:

a) En la etapa del planeamiento

Debe aplicarse los siguientes criterios para la localización del eje de la
carretera:

1. Evitar en lo posible localizar la carretera en territorios húmedos o

pantanosos; zonas de huaicos mayores; zonas con torrentes de aguas
intermitentes; zonas con corrientes de aguas subterráneas y las zonas
inestables y/o con taludes pronunciadas.

2. Evitar en lo posible la cercanía a reservorios y cursos de aguas

existentes, (naturales o artificiales) especialmente si son posible causa
de erosiones de la plataforma de la carretera.
 Aspectos generales
b) En la etapa de diseño del sistema de drenaje

1. Mantener al máximo la vegetación natural existente en los taludes.

2. No afectar o reconstruir (perfeccionándolo) el drenaje natural del
territorio (cursos de agua).
3. Canalizar las aguas superficiales provenientes de lluvias sobre la
plataforma de la carretera hacia cursos de agua existentes fuera de
este, evitando que tenga velocidad erosiva.
4. Bajar la napa freática de aguas subterráneas a niveles que no
afecten la carretera.
5. Proteger la carretera contra la erosión de las aguas.
 Aspectos generales
Los puntos importantes que deben considerarse en el diseño y construcción
de una obra de drenaje, son los siguientes:

1. Localización del eje de la obra.- Deberá hacerse de preferencia

siguiendo el cauce de los escurrideros, tomando en cuenta la
pendiente, ya que de ésta dependerá el tipo de obra.
2. Área por drenar.- Es la superficie que limitada por dos o más líneas
del Parte aguas y el eje del camino, da el área tributaria del
escurridero para el cual se pretende proyectar la obra.
3. Área hidráulica necesaria.- Es aquella capaz de dejar pasar un
gasto, igual a una lámina de agua de 10 cm de altura durante una
hora, producto de la precipitación del lugar.
4. Selección del tipo de obra.- El tipo de obra se selecciona una vez
calculada el área hidráulica necesaria, de tal manera que la
satisfaga adecuadamente y dentro de condiciones de máxima
seguridad.
Aspectos generales
 Aspectos generales
Para una buena elección de tipo de obra, debe tomarse en cuenta:

a) Área hidráulica necesaria

b) Pendiente de la obra
c) Altura mínima y máxima de
terraplenes o rellenos
d) Materiales de construcción
e) Capacidad de carga del
terreno
f) No deben trabajar a presión
 Aspectos generales
Estos criterios, lleva al
diseño de soluciones de
ingeniería que, por su
naturaleza, se agrupan TALUD

BADEN
en la forma siguiente:

 DRENAJE
SUPERFICIAL:
CABEZAL DE PROYECCION CABEZAL DE
ENTRADA ALCANTARILLA SALIDA

Eliminación del agua

que escurre
superficialmente.
BERMA
 DRENAJE BORDILLO
BORDILLO

SUBTERRÁNEO:
BERMA

CUNETA CUNETA

Alejamiento y
regulación del agua SUB DREN
LONGITUDINAL
SUB DREN
LONGITUDINAL

subterránea. TUBO SUBRASANTE

TUBO
PERFORADO
PERFORADO
 Aspectos generales

 DRENAJE SUPERFICIAL:
Por ejemplo cunetas

 DRENAJE SUBTERRÁNEO:
Por ejemplo Sub dren
Aspectos generales
Factores Hidrológicos y Geológicos que inciden en el Diseño
Hidráulico de las Obras de Drenaje
Ciclo Hidrológico
Aspectos generales
Factores Hidrológicos y Geológicos que inciden en el Diseño
Hidráulico de las Obras de Drenaje

 El primer factor a considerar se refiere al tamaño de la cuenca

como factor hidrológico, donde el caudal aportado estará en
función a las condiciones climáticas, fisiográficas,
topográficas, tipo de cobertura vegetal, tipo de manejo de
suelo y capacidad de almacenamiento.
Aspectos generales
Factores Hidrológicos y Geológicos que inciden en el Diseño
Hidráulico de las Obras de Drenaje

 Los factores geológicos e

hidrogeológicos que influyen en
el diseño se refieren a la
presencia de aguas
subterráneas, naturaleza y
condiciones de las rocas
permeables y de los suelos: su
homogeneidad, estratificación,
conductividad hidráulica,
compresibilidad, etc., y también a
la presencia de zonas proclives de
ser afectadas por fenómenos de
geodinámica externa de origen
hídrico.
Aspectos generales
Estudios de Campo

Su propósito es identificar, obtener y evaluar la información referida a:

 Estado actual de las obras de drenaje existentes, condiciones

topográficas e hidrológicas del área de su emplazamiento.

 Permite identificar y evaluar los sectores críticos actuales y

potenciales, de origen hídrico como deslizamientos, derrumbes,
erosiones, huaycos, áreas inundables, asentamientos, etc. que
inciden negativamente en la conservación y permanencia de la
estructura vial (carreteras y/o puentes).

 Localizar y hacer el estudio correspondiente de todas las cuencas

y/o microcuencas hidrográficas, cuyos cursos naturales de drenaje
principal interceptan el eje vial en estudio.
Aspectos generales
Estudios Hidrológicos

En un proyecto de carreteras los estudios hidrológicos permiten

estimar los caudales de diseño de las obras que constituyen el
sistema de drenaje proyectado de la carretera (drenaje superficial y
subterráneo).

La información hidrológica y meteorológica a utilizar en el estudio

deberá ser proporcionada por el Servicio Nacional de Meteorología e
hidrología (SENAMHI), entidad que es el ente rector de las
actividades hidrometeorológicas en el país.

En lugares en que no se cuenta con la información del SENAMHI, y

de ser el caso se recabará información de entidades encargadas de
la administración de los recursos hídricos del lugar, previa
verificación de la calidad de la información.
 Aspectos generales
Estudio de las Cuencas Hidrográficas
en el área del proyecto.

 Características hídricas y geomorfológicas

respecto a su aporte y el comportamiento
hidrológico.

 Características físicas de las cuencas

como son: el área, forma de la cuenca,
sistemas de drenaje, características del
relieve, suelos, etc.

 El estudio de cuencas hidrográficas deberá

efectuarse en planos que cuenta el IGN en
escala 1:100,000 y preferentemente a una
escala de 1/25,000, con tal de obtener
resultados esperados.
Aspectos generales
Selección del Período de Retorno (T)

Las obras viales se diseñan para durar la vida útil, es decir el tiempo
(n en años) que debe permanecer la plataforma de la carretera y sus
obras accesorias (obras de arte) en servicio y sin falla. Para un
determinado caudal de diseño Q, el período de retorno es el tiempo
transcurrido entre dos eventos para los cuales este caudal Q es
excedido.

La probabilidad de falla de una estructura depende del período de

retorno y de la vida útil. El riesgo admisible, es decir, la
probabilidad de que el caudal de diseño sea excedido por lo menos
una vez durante la vida útil, está dado por la siguiente fórmula.

R = 1 - (1 - 1/T)n
Donde: R = riesgo admisible (en fracción de 1), T = período de retorno (años),
y n = vida útil de las obras (años).
Aspectos generales
Selección del Período de Retorno (T)

Para adoptar el período de retorno a utilizar en el diseño de una

obra, es necesario considerar la relación existente entre la
probabilidad de excedencia de un evento, la vida útil de la
estructura y el riesgo de falla admisible, dependiendo este último,
de factores económicos, sociales, técnicos y otros.

Una vez seleccionado el valor del riesgo admisible (probabilidad,

usualmente un valor entre 0.01 y 0.99), el período de retorno
correspondiente a la vida útil es:

1
T= ___________________

[ 1 - (1 - R )1/n ]
Aspectos generales
Ejemplo. Calcular el período de retorno T para el diseño de una carretera,
dados el riesgo admisible R = 0.2, y la vida útil de la obra n = 25 años.
Aspectos generales
Aspectos generales
 Aspectos generales

(*) - Para obtención de la luz y nivel de aguas máximas extraordinarias.

- Se recomienda un período de retorno T de 500 años para el cálculo de
socavación.
 Aspectos generales

(**) - Vida Útil considerado (n)

 Puentes y Defensas Ribereñas n= 40 años.

 Alcantarillas de quebradas importantes n= 25 años.
 Alcantarillas de quebradas menores n= 15 años.
 Drenaje de plataforma y Sub-drenes n= 15 años.

 Se tendrá en cuenta, la importancia y la vida útil de la obra a

diseñarse.

 El Propietario de una obra es el que define el riesgo admisible de falla

y la vida útil de las obras.
 Aspectos generales

Fuente: Manual de diseño de carreteras pavimentadas de bajo volumen de tránsito

 Aspectos generales
Análisis estadístico de datos hidrológicos

El análisis de frecuencias tiene la finalidad de estimar precipitaciones,

intensidades o caudales máximos, según sea el caso, para diferentes
períodos de retorno, mediante la aplicación de modelos probabilísticos,
los cuales pueden ser discretos o continuos.

 Modelos de distribución

1. Distribución Normal
2. Distribución Log Normal 2 parámetros
3. Distribución Log Normal 3 parámetros
4. Distribución Gamma 2 parámetros
5. Distribución Gamma 3 parámetros
6. Distribución Log Pearson tipo III
7. Distribución Gumbel
8. Distribución Log Gumbel
 Aspectos generales
Determinación de la Tormenta de Diseño

Uno de los primeros pasos en muchos proyectos de diseño es la

determinación del evento de lluvia a usar.

Una tormenta de diseño es un patrón de precipitación definido para

utilizarse en el diseño de un sistema hidrológico.

Las tormentas de diseño pueden basarse en información histórica de

precipitación de una zona o pueden construirse utilizando las
características generales de la precipitación en regiones adyacentes.

Para determinación de la tormenta de diseño sería recomendable contar

con información obtenida a través de un pluviógrafo, ya que este equipo
provee información instantánea, sin embargo, la mayoría de estaciones
de medición de precipitaciones solo cuentan con pluviómetros que solo
proveen de valores medios.
 Aspectos generales

El pluviógrafo, es el aparato que mide la

El Pluviómetro es un aparato cantidad de agua caída y el tiempo en que
muy sencillo, para medir la ésta ha caído . Lo más importante de una
cantidad de agua por m2. 1 mm precipitación no es sólo la cantidad de
de lluvia es aproximadamente agua recogida sino el tiempo durante el
igual a 1 litro de agua por m2 cual ha caído. Así, el pluviógrafo sirve para
realizar una grabación automático de la
precipitación.
 Aspectos generales
Determinación de la Tormenta de Diseño

Curvas Intensidad – Duración – Frecuencia

La intensidad es la tasa temporal de precipitación, es decir, la profundidad

por unidad de tiempo (mm/h). Puede ser la intensidad instantánea o la
intensidad promedio sobre la duración de la lluvia.

Donde P es la profundidad de lluvia (mm) y Td es la

duración, dada usualmente en horas

Las curvas intensidad – duración – frecuencia son un elemento de

diseño que relacionan la intensidad de la lluvia, la duración de la misma y
la frecuencia con la que se puede presentar, es decir su probabilidad de
ocurrencia o el periodo de retorno.
Aspectos generales
 Aspectos generales
Determinación de la Tormenta de Diseño

Curvas Intensidad – Duración – Frecuencia

En nuestro país, debido a la escasa cantidad de información pluviográfica

con que se cuenta, difícilmente pueden elaborarse estas curvas.

Ordinariamente solo se cuenta con lluvias máximas en 24 horas, por lo

que el valor de la Intensidad de la precipitación pluvial máxima
generalmente se estima a partir de la precipitación máxima en 24
horas, multiplicada por un coeficiente de duración.
Aspectos generales
Coeficientes de duración lluvias entre 48 horas y una hora
 Aspectos generales
Determinación de la Tormenta de Diseño
Tiempo de Concentración

Es el tiempo requerido por una gota para

recorrer desde el punto hidráulicamente
más lejano hasta la salida de la cuenca.

El tiempo de concentración en un
sistema de drenaje pluvial es:
tc = to + tf
Donde:
to: tiempo de entrada, hasta alguna alcantarilla.
tf: tiempo de flujo en los alcantarillados hasta el punto de interés =Σ Li / Vi.

Las ecuaciones para calcular el tiempo de concentración se muestran en

la Tabla.
Aspectos generales
Fórmulas para el cálculo del tiempo de concentración
Aspectos generales
Fórmulas para el cálculo del tiempo de concentración
Aspectos generales
Fórmulas para el cálculo del tiempo de concentración
 Aspectos generales
Tiempo de Concentración

En Carreteras de Bajo volumen de tránsito se puede calcular con

la ecuación de Ventura – Heras

Tc  0.3  L / J 
1/4 3/4

Siendo:
Tc = Tiempo de concentración en horas
L = Longitud del cauce principal en km.
J = Pendiente media en %
Aspectos generales

Intensidad de la precipitación (I)

En Carreteras de bajo Volumen de Tránsito, para un punto de

concentración, se puede conocer la intensidad normal de
precipitación, con la fórmula siguiente.

750
Tc  20 min  I  min) )
;(mm / h), donde (Tc en mm
Tc  10

1000
Tc  20 min  I  min))
;(mm / h), donde (Tc en mm
Tc  20
 Aspectos generales

Estimación de caudales
Existen diversos métodos para la estimación de caudales:

 Método IILA
 Método Racional
 Método Racional Modificado
 Hidrograma Unitario
 Sistema de Modelamiento Hidrológico (HMS-Hydrologic Modeling
System)

Revisar el manual de Hidraúlica Hidrología y Drenaje del MTC

 Aspectos generales

Estimación de caudales
Método Racional

Estima el caudal máximo a partir de la precipitación, abarcando todas las

abstracciones en un solo coeficiente “C” (coef. escorrentía) estimado
sobre la base de las características de la cuenca. Muy usado para
cuencas, A<10 Km2. Considerar que la duración de P es igual a tc.

Q = 0,278 CIA Donde:

Q : Descarga máxima de diseño (m3/s)

ó C : Coeficiente de escorrentía (Ver Tabla)
I : Intensidad de precipitación máxima horaria (mm/h)
Q = C I A / 3.6 A : Área de la cuenca (Km2).
Aspectos generales
Coeficientes de escorrentía método racional
 Aspectos generales
En Carreteras de Bajo Volumen de Tránsito, el coeficiente de C, de la fórmula
racional, puede determinarse con la ayuda de los valores mostrados en los cuadros
siguientes:

Fuente: Manual de diseño de carreteras pavimentadas de bajo volumen de tránsito

 Aspectos generales
En Carreteras de Bajo Volumen de Tránsito, el coeficiente de C, de la fórmula
racional, puede determinarse con la ayuda de los valores mostrados en los cuadros
siguientes:

Fuente: Manual de diseño de carreteras pavimentadas de bajo volumen de tránsito

Los valores de Ki son los obtenidos del cuadro anterior

Fuente: Manual de diseño de carreteras pavimentadas de bajo volumen de tránsito

 Aspectos generales
En Carreteras de Bajo Volumen de Tránsito,

Para la determinación del coeficiente de escorrentía también podrán tomarse

como referencia, cuando sea pertinente, los valores mostrados en el cuadro.

Fuente: Manual de diseño de carreteras pavimentadas de bajo volumen de tránsito

 Aspectos generales
Método Racional modificado

Es el método racional según la formulación propuesta por Témez (1987,

1991) adaptada para las condiciones climáticas de España y permite
estimar de forma sencilla caudales punta en cuencas de drenaje
naturales con áreas menores de 770 km2 y con tiempos de
concentración (Tc) de entre 0.25 y 24 horas, la fórmula es la siguiente:
.

Donde:
Q :Descarga máxima de diseño (m3/s)
C :Coeficiente de escorrentía para el intervalo
Q = 0,278 CIAK en el que se produce I.
I : Intensidad de precipitación máxima horaria (mm/h)
A : Área de la cuenca (Km2)
K : Coeficiente de Uniformidad
 Aspectos generales
Método Racional modificado

Las fórmulas que definen los factores de la formula general son las
siguientes:
Aspectos generales
Método Racional modificado
Aspectos generales
Método Racional modificado
Aspectos generales
Método Racional modificado
Aspectos generales
Método Racional modificado
Aspectos generales
Método Racional modificado
Aspectos generales

Avenida de Diseño
La Avenida de Diseño es el caudal que se escoge, mediante
diversas consideraciones, para dimensionar un proyecto (o una
parte de él). Para su determinación se usa la información básica
proporcionada por el estudio hidrológico (Estimación de Caudales)
y se incorporan los conceptos correspondientes a riesgo,
vulnerabilidad, importancia y costo de obra y muchos otros más,
como por ejemplo el tipo de río y de puente.

En nuestro país, existe escasez de datos, por lo que juegan un

papel muy importante la experiencia y el buen tino del ingeniero
proyectista para escoger la Avenida de Diseño.
 Universidad Nacional
Santiago Antunez de Mayolo
Facultad de ingeniería Civil

Logo