Gestión Integral del Agua en Infraestructura Vial

El objetivo principal del sistema de drenaje es retirar el agua que cae sobre el coronamiento de la estructura vial de la manera más rápida y eficiente posible, protegiendo así la inversión realizada en la carretera.

Factores Clave en el Diseño Geométrico y Estructural

El diseño debe enfocarse en reducir al mínimo el agua que fluye sobre la calzada. Esto se logra considerando varios factores:

  • Intensidad de Lluvia ($I$): Influye directamente en la cantidad de agua.
  • Longitud ($L$): La longitud del tramo afecta la acumulación.
  • Textura del Pavimento: Se busca una microtextura y macrotextura adecuadas.
  • Capas de Rodadura Especiales:
    • Drenantes: Alto contenido de huecos interconectados (baja cantidad de finos) que facilitan el paso y drenaje del agua por debajo.
    • No Drenantes: Presentan discontinuidad granulométrica acentuada.
  • Estructura de Evacuación: El diseño de los elementos de captación y conducción.

Elementos del Sistema y Fenómenos Hidráulicos

Los elementos considerados incluyen: Intensidad de lluvia ($I$), Caudal ($Q$), Tiempo de Concentración ($TC$), geometría, textura del pavimento, hidroplaneo, película de agua y Velocidad de circulación ($V_c$).

El Fenómeno del Hidroplaneo (Aquaplaning)

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

Zonas de Interacción Neumático-Agua
  • Zona 1 ($Z_1$): Película gruesa. La presión levanta el neumático, impidiendo la transmisión de frenado, aceleración y control. El drenaje se produce a través de la huella y la macrotextura del pavimento.
  • Zona 2 ($Z_2$): Porcentaje de la huella que circula sobre una película delgada, ya que el agua se drenó en $Z_1$. Existe viscosidad que depende de la velocidad y el inflado. No hay esfuerzos de corte apreciables y el drenaje ocurre por la microtextura.
  • Zona 3 ($Z_3$): Contacto directo entre la banda de rodamiento y el pavimento. Aquí se desarrollan los esfuerzos de frenado y aceleración.
Factores que Afectan el Hidroplaneo
  • Intensidad de Lluvia ($I$): Mayor intensidad implica una película de agua más gruesa.
  • Velocidad de Circulación ($V_c$): A mayor velocidad, menor es la superficie de contacto efectiva.
  • Espesor de la Película de Agua: Mayor espesor implica mayor demora en el drenaje, mayor tiempo de permanencia en la vía y mayor riesgo de accidente.
  • Desgaste del Neumático.
  • Presión de Inflado:
    • Mayor presión: Menor superficie de contacto y menor adherencia.
    • Menor presión: Mayor superficie de contacto, pero menor drenaje a través de la huella. Se busca una presión óptima.
  • Conductor.

CUNETA: Canales de Captación Lateral

Las cunetas son canales a cielo abierto construidos a lo largo de los bordes de la carretera para captar y conducir el agua de la calzada y el terreno circundante.

Diseño de Cunetas

  • Pendientes ($i$): Pueden ser similares a las de la calzada (no mayores al 5%) para evitar anegamientos, pero no mucho mayores para prevenir la erosión del material.
  • Construcción y Mantenimiento: Deben ser económicas y de bajo mantenimiento.
  • Secciones: Dependen de la topografía, factores geotécnicos y dimensiones hidráulicas.
Tipos de Secciones de Cuneta
Sección Triangular
  • Ventajas: Fácil construcción, apta para intensidades altas con ancho de camino restringido, pendiente de talud menor (menos contracción), económicas.
  • Desventajas: Fácil erosión, difícil limpieza, incompatible con criterios de seguridad vial.
Sección Rectangular
  • Poco usadas. Se admiten solo en secciones con limitación de ancho y pendientes longitudinales bajas. Requieren barandas y se usan con pendientes suaves. Incompatibles con la seguridad.
Sección Trapezoidal
  • Más usada por su aproximación a la semicircular (máxima eficiencia hidráulica).
  • Ventajas: Construcción sencilla, mantenimiento económico, mayor capacidad de descarga, compatible con la seguridad.
Recomendaciones para Cunetas
  • Talud: 1:4 para terraplenes menores a 1.5 m; 1:1 para alturas mayores a 3.0 m.
  • Solera (Base): Pendiente del 1% hacia el contratrén.
  • Ancho de Solera ($B_{solera}$): 3 m para facilitar la limpieza.
  • Altura de Cuneta ($H_{cuneta}$): Mínimo 1.2 m desde la rasante.

Prevención de la Erosión en Cunetas

La erosión se previene mediante revestimientos rígidos (mortero, piedra bola) o flexibles (césped, lajas).

Para evitar la erosión:

  1. Evitar zonas de erosión natural.
  2. Proyectar pendientes longitudinales acordes al tipo de suelo.
  3. Reducir las áreas expuestas.
  4. Usar protección con material vegetal.

Si la pendiente longitudinal ($i_{long}$) es fuerte, la cuneta puede tener menores pendientes acompañadas de saltos y rápidos controlados.

ALCANTARILLA: Estructuras de Drenaje Transversal

Estructura utilizada para el drenaje de caminos. Se diferencia de un puente por su longitud, que es menor a 10 metros.

Ubicación de Alcantarillas

  • Fondo de depresiones donde no existe un curso natural de agua.
  • Cruces con corrientes naturales en terraplenes.

Diseño y Función

El diseño consiste en determinar la sección, el material y la embocadura para evacuar el Caudal de Diseño ($Q_{diseño}$) y evitar el riesgo de socavación del camino. Generalmente, coincide con el cauce natural, buscando que su longitud sea mínima. Es crucial mantener la pendiente para evitar la erosión y la sedimentación.

Clasificación de Alcantarillas
Por Material:

Debe soportar el peso de la capa de cobertura (tapada) y el camino (Hormigón Armado (H°A°), simple, Acero corrugado, Aluminio ondulado, Plástico corrugado).

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

Drenaje Subterráneo (DSubt)

Los objetivos del drenaje subterráneo son:

  1. Controlar la infiltración.
  2. Abatir el nivel freático (NF).
  3. Drenaje poco profundo de la base y la subrasante.

Tipos de Drenes Subterráneos

Drenes Interceptantes

Cuando el nivel freático está alto, se intercepta mediante un dren subterráneo ubicado en el lado del cerro, impidiendo el paso del agua hacia el pavimento. Deben diseñarse para eliminar los efectos de capilaridad sobre la base y la subrasante. Estos drenes se colocan paralelos al eje del camino (longitudinales) y el agua captada se conduce a un desagüe adecuado.

Abatimiento del Nivel Freático (NF)

Si se construye un terraplén bajo y la base queda a menos de 1 metro sobre el NF, o si el suelo de la base experimenta ascenso capilar, se producen pérdidas de estabilidad y daños. La solución es bajar el NF instalando líneas paralelas de drenes subsuperficiales a la orilla del camino, a la profundidad adecuada.

Drenes de Base

Captan el agua que penetra a través de roturas o fisuras del pavimento, evitando la erosión de la base y del paquete estructural, aunque su funcionamiento no siempre es garantizado.

Etapas de Instalación de Drenes

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

Los tubos se colocan con las perforaciones hacia abajo para evitar obstrucciones e ingreso de material fino.

Materiales de Relleno y Filtrado

El material de relleno debe ser grueso para permitir el paso del agua, pero fino para impedir la entrada de suelos finos al tubo. Conviene sellar la parte superior para evitar la entrada de materiales no deseados al dren. Se compacta al 90% Proctor para prevenir hundimientos. El relleno debe cumplir con la ley de finos para asegurar que el suelo fino no penetre en el suelo del filtro.