5.3 CONDICIONES DE DESAGÜE
5.3.1 Puentes
5.3.1.1 Sobre-elevación del nivel del agua
En la presente
instrucción sólo se proporciona información sobre uno de los casos más sencillos y
habituales:
- Puente único.
- Cauce rectilíneo.
- Corriente en régimen lento (número de Froude inferior a 1).
- Sin poner en carga la estructura.
- Sin tener en cuenta el efecto de las erosiones del lecho.
- Sin diques que guíen la corriente a la entrada del puente.
El no considerar las dos
últimas circunstancias proporciona resultados del lado de la seguridad, pues tanto el
efecto de la erosión como la presencia de diques tienden a reducir la sobre-elevación
del nivel del agua. Donde la presencia de terraplenes de acceso al puente, o sus estribos
y pilas supongan una importante reducción de la sección de desagüe del cauce y el lecho
de éste sea erosionable, la aplicación del método expuesto puede proporcionar unas
sobre-elevaciones tan grandes, que se desvirtúe el verdadero orden de magnitud del
fenómeno: en estos casos deberán emplearse otros sistemas de estimación sancionados por
la experiencia, que tengan en cuenta la erosión del cauce.
La sobre-elevación
sobre el nivel existente aguas abajo del puente puede estimarse para el caso simplificado
arriba expuesto, igual a:
K·V2/(2·g)
siendo:
- V=Q/A la velocidad media del agua.
- Q: el caudal desaguado.
- A: el área libre bajo el puente correspondiente al nivel, sin tener en cuenta la
presencia de eventuales pilas.
- K: un coeficiente que depende de la relación entre el puente y el cauce, dado por la
suma de cuatro coeficientes parciales: K = Kb + Kp + Ke + Ki
- Ke: depende de la proporción del caudal total que pasa libremente bajo el puente, y
está dado por la Figura 5.4.
- Kp: representa el efecto de las pilas (número, forma, tamaño y orientación) y se
obtiene como producto de dos coeficientes: uno dado por la Figura
5.5 en función del tipo de pilas y de la proporción del área A, que corresponde a
la proyección de las pilas perpendicularmente a la corriente; y otro dado por la Figura 5.6 en función del tipo de pila y de la
proporción del caudal total que pasa libremente bajo el puente.
- Ke: representa el efecto de excentricidad o falta de simetría de los terraplenes de
acceso al puente, definida por la razón entre el menor de los caudales interceptados por
uno de ellos y el otro (siempre que sea inferior a 0,20), y está dado por la Figura 5.7 en función de dicha excentricidad y de la
proporción del caudal total que pasa libremente bajo el puente
- Ki: representa el efecto del esviaje del puente respecto del cauce, dado por la Figura 5.8 en función de su ángulo, de la
configuración de los estribos y de la proporción del caudal total que pasa libremente
bajo el puente.
5.3.1.2 Erosiones en los apoyos
A no ser que el puente
se cimente sobre roca firme, la socavación producida bajo sus pilas y estribos por el
caudal de referencia puede poner en peligro su estabilidad: por lo que se deberá
comprobar si la máxima erosión previsible afecta a los cimientos, y en caso afirmativo
proyectar los dispositivos oportunos para controlarla.
Deberá tenerse en
cuenta que la máxima erosión previsible será igual a la suma de la general que tenga
lugar en el cauce -independientemente de la presencia del puente-, más la producida por
ésta.
Entre los dispositivos
de control se consideran muy eficaces las protecciones de escollera, para las que deberán
justificarse su peso y dimensiones, cota de colocación respecto del lecho del cauce,
espesor del manto y necesidad de filtro entre éste y el terreno.
5.3.2 Pequeñas obras de drenaje transversal
5.3.2.1 Sobre-elevación del nivel del agua
Cada conducto tiene una
curva característica, que relaciona el caudal que desagua a través de él con la cota
que alcanza la lámina de agua inmediatamente aguas arriba (normalmente medida a partir de
la cota de la solera a su entrada). Si dicha cota rebasase la de la calzada o la de alguna
de las divisorias con las cuencas vecinas, el caudal de referencia se repartirá entre el
conducto y esas derivaciones.
Para definir esa curva
característica hay que diferenciar los dos tipos de control -o secciones determinantes-
que pueden producirse en el régimen hidráulico del desagüe:
- Control de entrada, si la definición puede hacerse simplemente en función de las
características de la entrada del conducto. En las Figuras 5.9 y 5.10 se
contienen, de forma adimensional, las curvas características correspondientes a conductos
circulares y rectangulares con diversos tipos de embocadura (Apartado
5.2.2.4). El empleo de ciertos tipos especiales de embocadura, sobre los que la
presente Instrucción no facilita información, permite mejorar el desagüe siempre que el
control no pase a ser de salida. Las pequeñas obras de drenaje transversal contenidas en
la Colección de pequeñas obras de paso 4.2-IC, aprobada por Orden Ministerial de, 3 de
junio de 1986, se podrán asimilar -a estos efectos- a conductos rectangulares de igual
anchura y sección.
- Control de salida, si los niveles del agua en el cauce a la salida del conducto; o las
características de éste (longitud, pendiente, rugosidad), influyen en los niveles aguas
arriba, necesitándose valores superiores a los deducibles por el control de entrada.
La curva característica
correspondiente al control de entrada podrá considerarse definitiva, sin necesidad de
comprobarla con el control de salida, si se reunieran las condiciones siguientes, que se
presentan con frecuencia en la práctica:
- El conducto es recto, y su sección y pendiente son
constantes.
- La diferencia del nivel del agua en el cauce a la salida del
conducto con la cota de la solera en ésta es inferior, tanto a la altura del conducto
como al calado crítico en él. Para determinar este último podrá utilizarse la Figura 5.11.
- La relación entre la longitud L y la pendiente J del
conducto es inferior a la indicada en las Figuras 5.12,
5.13 y 5.14. Si
la pendiente fuera interior al 0,2 por 100 se podrán realizar los cálculos con este
último valor, si bien el nivel del agua obtenido a la entrada deberá incrementarse en
(0,002-J)·L.
- El nivel del agua a la entrada del conducto, resultante de
los cálculos, no rebasa el señalado en la Figura 5-15.
Si no se cumplieran
todas las condiciones anteriores, será preciso calcular el valor mínimo del nivel del
agua a la entrada del conducto exigido por el posible control de salida, adoptándolo como
definitivo si fuera mayor que el correspondiente al control de entrada. Para ello será
preciso en algunos casos recurrir al análisis de las curvas de remanso; pero para la
mayoría de los comprendidos en el ámbito de la presente Instrucción, se podrá aceptar
el valor aproximado dado por la fórmula.
Hs= [[1+Ke+[(2·g·L)/(R4/3·K2)]]·(V2/2·g)]-L·J+
m
| (nota de CARRETER@S.ORG: la anterior es la
fórmula que se publicó en el BOE. En la publicación del Ministerio que reproduce la
Instrucción 5.2-IC, al menos en la versión que nosotros disponemos, aparece la fórmula
con el termino final negativo (-m) que es lo que nosotros hemos mantenido hasta que el
día 12-7-02 recibimos un amable correo que nos comunicaba el error. |
siendo:
- L: la longitud del conducto.
- J: la pendiente del conducto.
- V: la velocidad media (a sección llena).
- R: el radio hidráulico (sección/perímetro) a sección llena.
- g: la aceleración de la gravedad.
- K: el coeficiente de rugosidad de Manning (Tabla 4.1).
- Ke: el coeficiente de pérdida de carga en la embocadura, dado por la Tabla 5.2.
TABLA 5-2
VALORES DE Ke
| Tubo de hormigón: |
| Exento |
0,6 |
| Con muro de acompañamiento |
0,4 |
| Con aletas |
0,3 |
| Otros conductos de hormigón: |
| Exento |
0,6 |
| Con muro de acompañamiento |
0,4 |
| Con aletas |
0,2 |
| Tubo corrugado: |
| Exento |
0,8 |
| Ataluzado |
0,7 |
| Con muro de acompañamiento |
0,6 |
| Con aletas |
0,3 |
- m: el mayor de
los dos valores siguientes:
- La diferencia del nivel del agua en el cauce a la salida del conducto, con la cota de la
solera en ésta.
- La semisuma del calada crítico yc del conducto (Figura
5.11) y su altura H de éste. Si del cálculo resultase yc > H, se tomará igual a
H.
5.3.2.2 Aterramientos
Al analizar los riesgos
de aterramiento de las pequeñas obras de drenaje transversal deben distinguirse los que
-con independencia de ellas- puedan producirse en un cauce en busca de un perfil de
equilibrio aún no alcanzado (deltas, conos de deyección, etc.) de los localizados en el
entorno de la carretera y asociados a su presencia.
Si la historia del cauce
y su evolución mostrara graves problemas de aterramiento en busca de un perfil de
equilibrio, deberán analizarse las soluciones siguientes, de las que las dos últimas
requieren periódicas labores de conservación:
- Modificación del trazado evitando las zonas inestables.
- Construcción de areneros o balsas de retención de sedimentos, aguas arriba de la
pequeña obra de drenaje transversal.
- Sobredimensionamiento de la pequeña obra de drenaje transversal.
La influencia del
trazado en planta y del perfil sobre los aterramientos localizados ha sido ya analizado en
los Apartados 5.2.2.1 y 5.2.2.2. Especial atención deberá
prestarse donde el conducto tenga su solera deprimida (ya que el cauce tenderá a
restituir la rasante original de su lecho) o se altere sustancialmente la altura o la
pendiente del cauce. Consecuentemente, un buen sistema para evitar dichos aterramientos es
respetar la cota y pendiente del cauce, así como el orden de magnitud de su anchura, de
manera que -para avenidas cuyo período de retorno no exceda de diez años, que son las
responsables de la configuración del cauce- el régimen hidráulico no sufra cambios
sustanciales. Durante crecidas de período de retorno mayor es habitual una cierta
retención de aportaciones sólidas, pero éstas suelen localizarse aguas arriba del
conducto y no en él; los depósitos así originados son barridos en la fase de decrecida.
Sobre todo con conductos
largos situados en cauces en los que se detecte un sustancial transporte de sólidos, se
deberá dotar a las pequeñas obras de drenaje transversal de unas dimensiones mínimas
que permitan su fácil limpieza (Apartado 5.2.4). Los conductos de
sección circular, por la escasa anchura de su fondo, no son los más indicados para el
paso de importantes caudales de sólidos, sobre todo cuando tienen lugar por acarreo y no
por suspensión (Apartado 5.2.2.3 y Figura
5.2).
Durante la fase de
construcción de la carretera y la inmediatamente siguiente a ella, los aterramientos
suelen agravarse por aportaciones adicionales procedentes del drenaje de la carretera
(taludes, escombros, etc.).
5.3.2.3 Erosiones
5.3.2.3.1 Erosión evolutiva
Al analizar los riesgos
de erosión de las pequeñas obras de drenaje transversal deben distinguirse las que -con
independencia de éstas- puedan producirse en un cauce en busca de un perfil de equilibrio
aún no alcanzado, de aquellas otras localizadas en el entorno de la carretera y asociadas
a su presencia.
Si el cauce natural no
hubiera alcanzado su perfil de equilibrio, sino por el contrario estuviera evolucionando
en busca de una menor pendiente, podrán producirse importantes erosiones con peligro para
la estabilidad de la pequeña obra de drenaje transversal (Figura 5.16). Este tipo de erosión evolutiva puede
controlarse con pequeño coste, mediante franjas de escollera (Figura 5.17) de mínimo tamaño medio d (m), espesor
mínimo igual a 2,5·d y longitud L, colocadas en el lecho del cauce con una separación
S; estas franjas, merced a su flexibilidad, siguen al proceso erosivo basculando, para
finalmente actuar como unas estructuras de caída. Se deberá cumplir:
L/S > 2·Jo
d > V3 /175·R1/2
siendo.
- Jo (m/m): la pendiente del cauce.
- V (m/s): la velocidad media de la corriente.
- R (m): el radio hidráulico del cauce (sección/perímetro).
La granulometría de la
escollera deberá estar comprendida entre los límites de la Figura 5.18. Entre la escollera y el lecho del cauce
deberá interponerse un geotextil o una capa de material filtro.
5.3.2.3.2 Erosión localizada
Además de la erosión
evolutiva del cauce, deberá contemplarse la local debida a la presencia de la pequeña
obra de drenaje transversal, por la mayor concentración y energía cinética de la
corriente. Dicha erosión afecta a las proximidades de la obra de drenaje, y puede llegar
a provocar su descalce (Figura 5.16).
A efectos de la erosión
local, el nivel del agua en el cauce en las proximidades de la salida de la pequeña obra
de drenaje transversal se considerará:
- Alto, si excediera del límite
d dado por la Figura 5.19
Medio, si estuviera comprendido entre d y d/2.
Bajo, si fuera inferior a d/2.
Conviene aclarar que las
máximas erosiones locales no tienen lugar en la misma sección de salida y que los
descalces de la pequeña obra de drenaje transversal serán nulos con niveles altos (si el
régimen a la salida no presenta disimetrías acusadas), y del orden del 70 por 100 de la
máxima erosión con niveles medios.
En conductos de fuerte
pendiente y suficientemente largos, con control de entrada (Apartado 5.3.2.1) y que
desagüen a sección parcialmente llena, el calado a la salida del conducto puede diferir
sensiblemente del que habría con una pendiente más suave, hipótesis implícitamente
admitida en las fórmulas del presente apartado. En estos casos y siempre que los
resultados sean más desfavorables, deberá sustituirse en dichas fórmulas la altura del
conducto por el valor del calado a la salida. el cual podrá deducirse de la
correspondiente curva de remanso, o estimarse por defecto a partir de la fórmula de
Manning-Strickler (Apartado 4.2.1).
Salvo justificación en
contrario basada en las características del material del lecho del cauce, configuración
de éste, duración de la avenida, nivel alcanzado por el agua, aportación sólida, o
bien en la experiencia con obras similares en el mismo entorno, se podrán estimar las
máximas erosiones previsibles por las fórmulas adimensionales siguientes, que son -en
general- conservadoras:
Tubos:
e/D = 2·[ Q/(g1/2·D5/2)]3/8
Conductos rectangulares:
e/H = 3·exp (-H/3·B)·[ Q/(g1/2·B·H3/2)]3/8
Siendo:
- e: la erosión máxima previsible.
- Q: el caudal.
- g: la aceleración de la gravedad (9,8 m/s2).
- D: el diámetro del tubo.
- H: la altura del conducto rectangular.
- B: la anchura del conducto rectangular. En conductos múltiples se tomará la suma de
las anchuras de cada uno.
Las pequeñas obras de
drenaje transversal contenidas en la Colección de pequeñas obras de paso 4.2-IC aprobada
por Orden Ministerial, de 3 de junio de 1986, se podrán asimilar - a estos efectos- a
conductos rectangulares de igual anchura y sección.
En los casos ordinarios
en los que los daños provocados por la presencia de erosiones en el cauce se puedan
considerar admisibles (Apartado 1.5.3.1) y únicamente deba evitarse
el descalce de la pequeña obra de drenaje transversal, se recomienda la adopción de las
medidas siguientes:
- Con niveles altos a la salida y una configuración del cauce y de la pequeña obra de
drenaje transversal sensiblemente simétricas, que no haga temer la formación de
remolinos de eje vertical, será suficiente disponer un rastrillo vertical con una
profundidad mínima de 0,25·e.
- Con niveles medios podrá disponerse un rastrillo vertical, con una profundidad mínima
de 0,7·e, o preferentemente una solera de hormigón que reciba el impacto directo de la
corriente, con una longitud mínima de 1,2·e1 y
rematada por un rastrillo vertical con una profundidad mínima de 0,25·e. Esta solución
podrá sustituirse por un manto de escollera, con una longitud mínima de 1,6·e y un
espesor mínimo de 2,5 veces el tamaño mínimo definido a continuación.
- Los niveles bajos en el cauce pueden ser debidos a una gran anchura de éste, o bien a
una fuerte pendiente. En el primer caso, las medidas protectoras podrán ser análogas a
las descritas para niveles medios. En el segundo caso se recomienda proyectar la pequeña
obra de drenaje transversal para que funcione como un puente (Apartado
5.1), sin modificar el régimen del cauce ni provocar acusadas sobre-elevaciones aguas
arriba que favorezcan una retención del transporte de sólidos con el caudal de
referencia (Capítulo 2): en caso contrario, las erosiones podrían
alcanzar valores muy superiores a los estimados por las fórmulas contenidas en la
presente Instrucción.
Si se recurriera a
protecciones de escollera sobre el lecho del cauce a la salida de la pequeña obra de
drenaje transversal, el mínimo tamaño medio de sus elementos para que no sean
arrastrados por la corriente se podrá determinar, salvo justificación en contrario, por
las fórmulas siguientes:
Tubos:
(m·Q)/(g1/2·D5/2)=0,4+3·(d/D)
(válida para Q/(g1/2·D5/2)>0,55)
Conductos regulares:
(m·Q)/(g1/2·B·H3/2)=0,82
exp(H/5·B)·[0,6+(10·d/3·H)] (válida para Q/(g1/2·B·H3/2>0,8))
siendo:
Ht: el nivel del agua en el cauce de salida.
Q: el caudal.
g: la aceleración de la gravedad (9,8 m/s2).
D: el diámetro del tubo.
d: el mínimo tamaño medio de la escollera.
H: la altura del conducto rectangular.
B: la anchura del conducto rectangular. En conductos múltiples se tomará la suma de
las anchuras de cada uno.
Las pequeñas obras de
drenaje transversal contenidas en la Colección de pequeñas obras de paso 4.2-IC aprobada
por Orden Ministerial, de 3 de junio de 1986, se podrán asimilar -a estos efectos- a
conductos rectangulares de igual anchura y sección.
La granulometría de la
escollera deberá estar comprendida entre los límites de la Figura 5.18. Entre la escollera y el lecho del cauce
deberá interponerse un geotextil o una capa de material filtro.
1 Sólo a efectos de la longitud de la solera o manto de escollera, aunque
la erosión se calcule por otros métodos, el valor de e será el dado por las fórmulas
del presente Apartado
