Drenaje de Calzada (DC): Gestión de Aguas Pluviales en Carreteras

El objetivo principal del Drenaje de Calzada (DC) es retirar el agua que cae sobre el coronamiento de la vía de la manera más rápida y eficiente posible, protegiendo así la inversión en infraestructura.

Factores Clave del Drenaje

  • Diseño Geométrico: Busca reducir al mínimo el agua que fluye sobre la calzada. La pendiente transversal (itrans) influye más que la pendiente longitudinal (ilong).
  • Textura del Pavimento: Incluye la micro y macrotextura.
  • Capas de Rodadura Especiales: Capas drenantes con alto contenido de huecos interconectados, debido a la baja cantidad de finos, lo que permite el paso del agua y su drenaje por debajo.
  • Pavimentos No Drenantes: Presentan una discontinuidad granulométrica acentuada.
  • Estructuras de Evacuación.

Elementos Hidráulicos Considerados

Intensidad de precipitación (I), Caudal (Q), Tiempo de Concentración (TC), Geometría, Textura del pavimento, Hidroplaneo, Espesor de la película de agua y Velocidad de circulación (Vc).

Fenómeno del Hidroplaneo (Aquaplaning)

El hidroplaneo ocurre cuando un vehículo atraviesa la vía cubierta de agua a una cierta velocidad, lo que provoca la pérdida de tracción y control. Se debe a que la rueda se desliza sobre la película de agua, perdiendo contacto con el pavimento debido a las presiones hidrodinámicas que se desarrollan por la velocidad del vehículo. El neumático pierde los esfuerzos cortantes, disminuyendo el coeficiente de rozamiento.

Zonas de Contacto Rueda-Pavimento

  1. Zona 1 (Z1): Película Gruesa. La presión levanta el neumático, impidiendo la transmisión de esfuerzos de frenado, aceleración o control. El drenaje se produce a través de la huella y la macrotextura del pavimento.
  2. Zona 2 (Z2): Película Delgada. Es el porcentaje de huella que circula por la película delgada, ya que el agua se drenó en Z1. Existe viscosidad que depende de la velocidad y el inflado. No hay esfuerzos de corte apreciables y el drenaje se realiza por la microtextura.
  3. Zona 3 (Z3): Contacto Directo. Contacto entre la banda de rodadura y el pavimento. Aquí se desarrollan los esfuerzos de frenado y aceleración.

Factores que Influyen en el Hidroplaneo

  • Intensidad (I): A mayor intensidad, más gruesa es la película de agua.
  • Velocidad de Circulación: A mayor velocidad, menor superficie de contacto.
  • Espesor de la Película: A mayor espesor, mayor demora en drenar, más tiempo permanece el agua en el camino y mayor riesgo de accidente.
  • Desgaste del Neumático.
  • Presión de Inflado:
    • Mayor presión: Menor superficie de contacto, menor adherencia.
    • Menor presión: Mayor superficie de contacto, menor drenaje por la huella.
    • Se busca una presión óptima.
  • Conductor.

Diseño y Tipos de Cunetas

Las cunetas son canales a cielo abierto que se construyen a lo largo y a los costados del camino para captar y conducir el agua de la calzada y del terreno adyacente. Las pendientes longitudinales (i) pueden ser similares a las de la calzada (no más del 5% superior) para evitar enlagunamiento, pero no mucho mayores para prevenir la erosión del material. Su construcción debe ser económica y de bajo mantenimiento. Las secciones dependen de la topografía y factores geotécnicos, mientras que las dimensiones dependen de factores hidráulicos.

Tipos de Sección de Cunetas

  • Cuneta Triangular: Fácil construcción, poca capacidad de conducción. Aptas para pendientes longitudinales altas con ancho de camino restringido. La pendiente del talud debe ser menor que la pendiente del contratalud. Son económicas, pero de fácil erosión, difíciles de limpiar e incompatibles con criterios de seguridad vial.
  • Cuneta Rectangular: Poco usadas. Se admiten solo en secciones con limitación de ancho y pendientes longitudinales bajas. Requieren barandas y son incompatibles con la seguridad.
  • Cuneta Trapezoidal: La más usada por su aproximación a la semicircular (máxima eficiencia hidráulica). Construcción sencilla y mantenimiento económico. Mayor capacidad de descarga y compatible con la seguridad.

Recomendaciones de Diseño para Cunetas

  • Talud: 1:4 en terraplenes menores a 1.5 m; 1:1 en terraplenes mayores a 3.0 m.
  • Solera: Pendiente del 1% hacia el contratalud.
  • Ancho de Solera (Bsolera): Mínimo de 3 m para permitir la limpieza.
  • Altura de Cuneta (Hcuneta): Mínimo de 1.2 m desde la rasante.

Prevención de la Erosión en Cunetas

La erosión se previene con revestimientos rígidos o flexibles (césped, mortero, piedra bola, lajas). Para evitar la erosión se debe:

  • Evitar zonas de erosión natural.
  • Proyectar pendientes longitudinales acordes al tipo de suelo.
  • Reducir las áreas expuestas.
  • Usar protección de material vegetal.

Si la pendiente longitudinal es fuerte, la cuneta puede tener pendientes menores acompañadas de saltos y rápidas.

Alcantarillas: Estructuras de Drenaje Transversal

La alcantarilla es una estructura utilizada para el drenaje de caminos. Su diferencia con un puente es la longitud (generalmente menor a 10 m). Se ubican en:

  • Fondo de depresiones donde no hay curso natural de agua.
  • Cruces de corrientes con terraplén.

Su diseño consiste en determinar la sección, el material y la embocadura de manera que evacue el caudal de diseño (Qdiseño) y se evite el riesgo para el camino. Generalmente, coincide con el cauce natural, intentando que su longitud sea mínima. Debe mantenerse la pendiente para evitar erosión y sedimentación.

Clasificación de Alcantarillas

Por Material

El material debe soportar el peso de la tapada y del camino:

  • Hormigón Armado (H°A°) o simple.
  • Acero corrugado.
  • Aluminio ondulado.
  • Plástico corrugado.

Por Forma y Tamaño

Alcantarillas Grandes (Luces mayores)
  • Arco Parabólico: Luces mayores a 6 m. Desventaja: presenta empuje lateral y socavación.
  • Estructura Aporticada: Luces entre 2.5 m y 6 m, generalmente de Hormigón Armado (H°A°).
  • Losa Simple Apoyada: Luces entre 0.6 m y 3 m. Hormigón simple, excepto la base.
Alcantarillas Pequeñas (Luces menores)
  • Circular: La más usada por su eficiencia, facilidad de colocación y construcción. Utiliza caudales bajos y puede ser simple o múltiple.
  • Cajón: De Hormigón Armado (H°A°). Se usan para caudales altos, con luces entre 0.6 m y 3 m, simple o múltiple.
  • Bóveda: Sección elíptica. Se emplea cuando la tapada es limitada, simples o múltiples.

Drenaje Subterráneo: Control del Nivel Freático y Estabilidad Vial

Objetivos del Drenaje Subterráneo (DSubt)

  • Controlar la infiltración.
  • Abatir el Nivel Freático (NF).
  • Drenaje poco profundo de la base y subrasante.

Tipos de Drenes Subterráneos

Drenes Interceptantes

Cuando la napa freática está alta, se la intercepta con un dren subterráneo del lado del cerro, impidiendo el paso del agua hacia el pavimento. Se deben diseñar para eliminar los efectos de capilaridad sobre la base y la subrasante. Estos drenes se colocan paralelos al eje del camino (drenes longitudinales) y el agua captada se conduce a un desagüe adecuado.

Drenes para Abatimiento del Nivel Freático (NF)

Si se construye un terraplén bajo con la base a menos de 1 m sobre el NF, puede producirse un ascenso de agua por capilaridad en el suelo de la base, causando pérdidas de estabilidad y daños. La solución es bajar el NF instalando líneas paralelas de drenes subterráneos a la orilla del camino a una profundidad adecuada.

Drenes de Base

Captan el agua que penetra por roturas o fisuras del pavimento. Evitan la erosión de la base y del paquete estructural, aunque no siempre funcionan de manera óptima.

Etapas de Construcción de Drenes Subterráneos

  1. Excavación de la zanja.
  2. Preparación del fondo.
  3. Colocación del tubo.
  4. Relleno (material filtrante).
  5. Sellado superior.
  6. Salida (desagüe).

Consideraciones Técnicas

  • Los tubos se colocan con las perforaciones hacia abajo para evitar atascamientos e ingreso de material fino.
  • El material de relleno debe ser grueso para permitir el paso del agua, pero lo suficientemente fino para impedir la entrada de suelos finos al tubo (cumpliendo la ley de filtros).
  • Conviene sellar la parte superior para evitar el ingreso de materiales no deseados en el dren.
  • El relleno se compacta al 90% del Proctor para evitar hundimientos posteriores.