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Manual de drenaje para carreteras

Manual de drenaje para carreteras1

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538 páginas
 
TABLA DE CONTENIDO
 
CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES 1 - 1
 
1.1. Introducción 1 - 1
1.2. Objeto del manual 1 - 1
1.3. Organización del manual 1 - 2
1.4. Fases de los estudios viales 1 - 3
1.5. Alcance de los estudios de hidrología, hidráulica y socavación  en 
función de la fase de estudio 1 - 4
1.6. Uso de programas de cómputo 1 - 11
1.7. Responsabilidad 1 - 12
1.8. Referencias bibliográficas 1 - 12
 
CAPÍTULO 2. HIDROLOGÍA DE DRENAJE 
 
SUPERFICIAL VIAL 2 - 1
2.1. Hoya hidrográfica y características físicas 2 - 1
2.2. Fundamentos de escorrentía superficial en problemas de drenaje 
vial  2 - 12
2.3. Probabilidad y estadística de valores máximos de precipitación y 
caudal 2 - 13
2.4. Periodo de retorno de eventos hidrológicos máximos en obras de 
drenaje vial 2 – 28
2.5. Metodologías para el cálculo de caudales y crecientes máximos 
instantáneos anuales de crecientes 2 – 32
2.6. Precipitaciones totales de diseño en modelos lluvia - escorrentía 2 - 64
2.7. Precipitaciones efectivas de diseño en modelos lluvia - escorrentía 2 - 80
2.8. Modelo de computador para el cálculo de hidrogramas de creciente 2 - 90
2.9. Referencias bibliográficas 2 - 93
 
CAPÍTULO 3. DRENAJE DE LA CORONA 3 - 1
 
3.1. Definición de corona 3 - 1
3.2. Consideraciones generales y criterios básicos 3 - 5
3.3. Criterios para el proyecto del drenaje de la corona 3 - 6
3.4. Consideraciones finales 3 – 33
3.5. Referencias bibliográficas 3 – 35Instituto Nacional de Vías Manual de Drenaje para Carreteras
II
 
CAPÍTULO 4. DRENAJE SUPERFICIAL 4 - 1
 
4.1. Tipos de flujo 4 - 1
4.2. Cunetas 4 - 17
4.3. Zanjas de coronación o contracunetas y zanjas en pie o base de 
terraplenes 4 - 29
4.4. Alcantarillas 4 - 33
4.5. Puentes 4 - 58
4.6. Obras complementarias 4 - 75
4.7. Información en planos 4 - 97
4.8. Referencias bibliográficas 4 - 99
 
CAPÍTULO 5. DRENAJE SUBSUPERFICIAL 5 - 1
 
5.1. Consideraciones generales y principios básicos 5 - 1
5.2. Información requerida para el diseño del drenaje subsuperficial 5 - 20
5.3. Drenaje de la estructura del pavimento 5 - 34
5.4. Control del agua subterránea 5 - 109
5.5. Trabajos geotécnicos específicos 5 - 158
5.6. Referencias bibliográficas 5 - 158
 
CAPÍTULO 6. SOCAVACIÓN 6 - 1
 
6.1. Consideraciones generales 6 - 1
6.2. Métodos empleados para estimar la socavación 6 - 3
6.3. Aplicación de software para el cálculo de socavación en puentes 6 - 45
6.4. Socavación en obras menores 6 - 55
6.5. Medidas preventivas y de protección con los procesos de 
socavación 6 - 56
6.6. Referencias bibliográficas 6 - 69
GLOSARIO DE TÉRMINOS G - 1Tabla de Contenido
III
 
LISTA DE FIGURAS
 
2.1. Forma de las distribuciones probabilísticas asimétricas 2 – 15
2.2. Papel probabilístico de Gumbel 2 – 23
2.3. Teoría clásica de linealidad. Ancho de base constante 2 – 44
2.4. Teoría clásica de linealidad. Principio de linealidad 2 – 45
2.5. Histograma de lluvia efectiva e hidrograma de 
escorrentía superficial 2 – 46
2.6. Teoría clásica de la linealidad. Principio de 
superposición 2 – 47
2.7. Hidrograma unitario triangular 2 – 51
2.8. Hidrograma unitario de Snyder 2 – 55
2.9. Hidrograma unitario adimensional del SCS 2 – 59
2.10. Curva de masas de precipitación 2 – 66
2.11. Hietograma de precipitación 2 – 67
2.12. Curvas típicas intensidad  duración  frecuencia, IDF 2 - 69
2.13. Regiones en Colombia para definición de parámetros 
a, b, c y d 2 - 72
2.14. Variables en el método de abstracciones de precipitación del SCS; Ia= 
abstracción inicial, Pe = exceso de precipitación; Fa = abstracción continuada, 
P = Precipitación total 2 - 81
3.1. Sección transversal típica de una carretera con calzadas separadas 3 - 2
3.2. Sección transversal típica de una carretera pavimentada de calzada única 3 - 3
3.3. Sección transversal típica de una carretera no pavimentada 3 - 4
3.4. Alternativa de pendiente transversal en una carretera de dos calzadas 3 - 7
3.5. Transición de curva horizontal 3 - 10
3.6. Separador estrecho con dren perforado (caz) en tramos en peralte 3 - 11
3.7. Parámetros geométricos de la corona 3 - 11
3.8. Trayectorias del flujo de agua durante una lluvia (Referencia 3.5) 3 - 13
3.9. Microtextura y macrotextura 3 - 14
3.10. Escalas de textura de la superficie de un pavimento 3 - 14
3.11. Definición del espesor de la película de agua, de la profundidad media de 
textura y del flujo total 3 - 16
3.12. Definición de la trayectoria del flujo y del plano de diseño 3 - 17
3.13. Relación entre la velocidad y la distancia de visibilidad con la variación en la 
intensidad de la lluvia (Referencia 3.9) 3 - 22
3.14. Relaciones entre el espesor de la lámina de agua y la velocidad a la cual se 
inicia el hidroplaneo 3 - 25
3.15. Diferencia de visibilidad en un instante de lluvia cuando se circula sobre una 
superficie densa y sobre una superficie drenante 3 - 33Instituto Nacional de Vías Manual de Drenaje para Carreteras
IV
4.1. Esquema de definición de variables 4 - 5
4.2. Tramo de canal para deducción de los métodos de paso (Referencia 4.33) 4 - 7
4.3. Características del resalto hidráulico en un canal rectangular horizontal 
(Referencia 4.33) 4 - 11
4.4. Verificación geotécnica de una gradería (Referencia 4.26) 4 - 16
4.5. Área aferente a las cunetas 4 - 18
4.6. Bordillos de seguridad en cunetas 4 - 19
4.7. Secciones cunetas típicas y propiedades geométricas (Referencia 4.10) 4 - 20
4.8. Caja colectora típica 4 - 24
4.9. Empedrado entregando cunetas a terreno natural 4 - 25
4.10. Bajantes o alivios sobre taludes 4 - 25
4.11. Esquema de paso de cunetas bajo la carretera en vías de tercer orden 4 - 26
4.12. Detalle de zanja de coronación (Referencia 4.28) 4 - 30
4.13. Detalle de zanja en el pie del talud (Referencia 4.20) 4 - 31
4.14. Alternativas para localización en planta de alcantarillas  (Referencia 4.19) 4 - 34
4.15. Elementos típicos de estructura terminal en alcantarillas: cabezote, aletas, 
solera y dentellón 4 - 36
4.16. Condiciones de flujo en alcantarillas  (Referencia 4.9) 4 - 38
4.17. Clasificación de alcantarillas según condiciones de entrada para cálculo de 
Hw  con control a la entrada  (Referencia 4.19) 4 - 43
4.18. Alcantarillas circulares de concreto con control a la entrada  (Referencia 4.19) 4 - 44
4.19. Alcantarilla de cajón de concreto con control a la entrada  (Referencia 4.19) 4 - 45
4.20. Remanso generado por un puente que estrecha la sección de la corriente 
(Referencia 4.14) 4 - 68
4.21. Ángulos de reposo para material no cohesivo (Referencia 4.5) 4 - 78
4.22. Fuerza tractiva permisible para materiales no cohesivos (Referencia 4.33) 4 - 78
4.23. Esquema de definiciones: (a) escalones para q=19, 23, 30 y 55°, (b) 
escalones tomados para q=5.7, 8.5 y 11.3° (Referencia 4.22) 4 - 81
4.24. Refuerzo estructural sugerido para el CPD original (Referencia 4.17) 4 - 86
4.25. Refuerzo estructural sugerido para el CPD alterno (Referencia 4.17) 4 - 89
4.26. Canal de Rápidas con Tapa y Columpio. Diseño geométrico y refuerzo 
estructural sugerido (Referencia 4.17) 4 - 90
4.27. Bateas típicas. (Fuente: Past—Danida, 2004 – Referencia 4-23) 4 - 92
5.1. Puntos de entrada de agua de infiltración en un pavimento 5 - 4
5.2. Esquema de dren colector longitudinal 5 - 9
5.3. Esquema de dren interceptor longitudinal usado para cortar la filtración y 
abatir el nivel freático 5 - 9
5.4. Ejemplo de empleo simultáneo de drenes longitudinales 5 - 10
5.5. Instalación múltiple para abatimiento del nivel freático
5 - 10Tabla de Contenido
V
5.6. Drenes interceptores transversales en carretera en corte con alineamiento 
perpendicular al contorno existente (vista de perfil) 5 - 11
5.7. Drenes horizontales en un corte a media ladera 5 - 12
5.8. Drenes horizontales 5 - 13
5.9. Capa permeable de base para drenaje del agua de infiltración 5 - 14
5.10. Capa permeable para drenaje de agua artesiana 5 - 15
5.11. Capa permeable en un talud, drenada por un colector longitudinal 5 - 15
5.12. Capa permeable bajo un terraplén 5 - 16
5.13. Pozos de alivio combinados con drenes horizontales 5 - 17
5.14. Sistemas típicos de drenaje en el respaldo de un muro de contención 5 - 18
5.15. Geodrén usado como dren adyacente a la pared del muro 5 - 19
5.16. Secciones transversales típicas de algunas carreteras de doble calzada 5 - 22
5.17. Parámetros geométricos de una base permeable 5 - 23
5.18. Trayectoria del agua subsuperficial en una base permeable 5 - 23
5.19. Correlación entre el coeficiente de permeabilidad y la porosidad efectiva 
(Referencia 5.17) 5 - 32
5.20. Esquema típico de pavimento con base impermeable 5 - 36
5.21. Calificación del drenaje interno de un pavimento (Referencia 5.16) 5 - 37
5.22. Alternativas de sección de pavimento en terraplén con base permeable 5 - 39
5.23. Aspecto de una base permeable estabilizada con cemento asfáltico 5 - 41
5.24. Granulometrías típicas y coeficientes de permeabilidad de materiales 
granulares para bases permeables y filtros 5 - 43
5.25. Efecto de las características y cantidad de las partículas finas sobre la 
permeabilidad de un material granular 5 - 45
5.26. Dren colector longitudinal (dren lateral de base) 5 - 51
5.27. Dren lateral de base con geodrén 5 - 52
5.28. Drenes transversales colectores en curva peraltada 5 - 55
5.29. Disposición de drenes transversales en forma de espina de pez (Vista en 
planta) 5 - 56
5.30. Tubería de descarga lateral 5 - 56
5.31. Tuberías de descarga situadas en ambos extremos del dren lateral 5 - 57
5.32. Cabezal 5 - 58
5.33. Tubería de descarga conectada a drenaje de aguas lluvias 5 - 59
5.34. Análisis y diseño del sistema de drenaje interno del pavimento 5 - 60
5.35. Ilustración de parámetros de la ecuación 5.21  Esquema en planta 5 - 65
5.36. Ilustración de parámetros de la ecuación 5.21  Esquema en sección 
transversal 5 - 65
5.37. Factores tiempo para el drenaje de una capa saturada 5 - 68
5.38. Gráfica para determinar la infiltración de agua subterránea (Referencia 5.8) 5 - 71
5.39. Ejemplo de flujo artesiano hacia una capa permeable 5 - 74
5.40. Flujo vertical hacia una capa subyacente de muy alta permeabilidad 5 - 76Instituto Nacional de Vías Manual de Drenaje para Carreteras
VI
5.41. Gráfica para estimar el flujo vertical desde un pavimento hacia una capa de 
alta permeabilidad, a través de la subrasante 5 - 78
5.42. Flujo vertical y lateral hacia un terraplén y su cimiento 5 - 79
5.43. Gráfica para estimar el flujo vertical y lateral de un pavimento a través del 
terraplén y el cimiento 5 - 80
5.44. Descarga de la base permeable 5 - 85
5.45. Gráfica para estimar la máxima profundidad del flujo 5 - 88
5.46. Ubicación posible de la base permeable 5 – 92
5.47. Descarga en el dren lateral basada en la tasa de descarga de la infiltración en 
el pavimento 5 – 96
5.48. Drenes longitudinales simétricos para abatir el nivel freático 5 - 110
5.49. Ejemplo de una red de flujo 5 - 111
5.50. Flujo hacia el talud y la cama del corte 5 - 112
5.51. Esquema típico de un dren interceptor longitudinal en  un talud 5 - 113
5.52. Esquema típico de un geodrén en una zanja 5 - 115
5.53. Flujo hacia un dren interceptor longitudinal 5 - 116
5.54. Radio de influencia 5 - 117
5.55. Gráfica para determinar la tasa de flujo en drenes interceptores 5 - 118
5.56. Gráfica para determinar el abatimiento del nivel freático por un dren 
interceptor 5 - 119
5.57. Dimensiones y detalles de la red de flujo 5 - 121
5.58. Instalación múltiple de drenes interceptores 5 - 123
5.59. Dimensiones para el ejemplo 5 - 125
5.60. Dimensiones y detalles de la red de flujo 5 - 126
5.61. División de un problema de abatimiento con drenes simétricos en dos 
fragmentos 5 - 127
5.62. Superficies de agua libre basadas en la modificación de Gilboy a la teoría de 
Dupuit 5 - 128
5.63. Gráfica para determinar la rata de flujo en drenes simétricos 5 - 129
5.64. Gráfica para determinar la máxima altura de agua libre entre drenes 
simétricos 5 - 130
5.65. Dimensiones, detalles y red de flujo del ejemplo 5 - 133
5.66. Relación entre el CBR y la succión de los suelos finos para diferentes 
plasticidades 5 - 137
5.67. Algunos tipos de drenes horizontales de tubería 5 - 141
5.68. Disposición de drenes horizontales en abanico y en paralelo 5 - 144
5.69. Aumento en el factor de seguridad vs elevación de los drenes 5 - 147
5.70. Aumento en el factor de seguridad vs longitud de los drenes 5 - 148
5.71. Aumento en el factor de seguridad vs separación entre drenes 5 - 148
5.72. Capa impermeable sobre el relleno de un muro de contención 5 - 149
5.73. Efecto de la localización del dren sobre el exceso de la presión hidrostática 
en el plano potencial de falla 5 - 150Tabla de Contenido
VII
5.74. Método de la línea de filtración para presiones de agua 5 - 151
5.75. Trayectoria de filtración para un muro con llave 5 - 152
5.76. Diagrama de subpresión con la cortina 5 - 153
5.77. Factor de forma de la red de flujo en torno a un tubo perforado o ranurado 5 - 157
5.78. Gasto en un pozo de alivio 5 - 157
6.1. Socavación General – Definición de variables. (Referencia 6.5) 6 - 6
6.2. Cálculo del ancho efectivo “Be” en puentes  (Referencia 6.6) 6 - 10
6.3. Definición de variables. Método de Maza Álvarez – Echavarría Alfaro. 
(Referencia 6.7) 6 - 13
6.4. Pontón sobre la quebrada Vanegas, localizado en la abscisa k1+230 de la vía 
que conduce del Municipio de Ginebra al Corregimiento de la Floresta en el 
Departamento del Valle. 6 - 19
6.5. Tipos de contracción. (Referencia 6.2) 6 - 20
6.6. Velocidad de caída (ω) para partículas de arena. (Referencia 6.2) 6 - 22
6.7. Pontón colapsado sobre la quebrada La Lucha por socavación local de uno 
de los estribos, en la vía que comunica el Municipio de Leiva con la Vereda  
Martín Pérez en el Departamento de Nariño. 6 - 24
6.8. Formas típicas de pilas. (Referencia 6.2) 6 - 27
6.9. Relación entre la erosión relativa y la profundidad relativa. (Referencia 6.5) 6 - 30
6.10. Coeficiente de corrección cuando existe un ángulo de incidencia entre el eje 
de la pila y la corriente. (Referencia 6.5) 6 - 32
6.11. Socavación al pie de pilas rectangulares. (Referencia 6.6) 6 - 35
6.12. Socavación al pie de pilas circulares. (Referencia 6.6) 6 - 36
6.13. Socavación al pie de pilas con extremos redondeados. (Referencia 6.6) 6 - 37
6.14. Patrones de flujo en un estribo. 6 - 38
6.15. Forma de los estribos. (Referencia 6.2) 6 - 40
6.16. Factor de corrección K2  por orientación del estribo. 6 - 42
6.17. Método de Artamanov. Interceptación de flujo por los estribos dentro del canal 6 - 44
6.18. Colocación de espigones cortos direccionales antes del primer espolón de 
diseño 6 - 63
6.19. Localización de espigones en planta 6 - 64
6.20. Método para determinar el espaciamiento entre espigones en orillas curvas 6 - 67
6.21. Orientación de espigones con respecto al flujo 6 - 68Instituto Nacional de Vías Manual de Drenaje para Carreteras
VIII
 
LISTA DE TABLAS
 
1.1. Programas de cómputo relacionados 1 - 11
2.1. Valores del factor de rugosidad “n” para la ecuación de Hathaway 2 - 5
2.2. Velocidad promedio del agua en función de la pendiente del cauce 2 - 9
2.3. Valores percentiles para la distribución Chi – Cuadrado con v grados de 
libertad 2 - 19
2.4. Valores de cuantiles superiores de la distribución estadística de Kolmogorov 
Smirnov (Referencia 2.8) 2 – 20
2.5. Distribución Gumbel. Valores de Yn y Sn (Referencia 2.9) 2 - 22
2.6. Valores de KT para coeficientes de asimetría positivos.Distribución log 
Pearson tipo III (Referencia 2.9) 2 - 29
2.7. Valores de KT para coeficientes de asimetría negativos. Distribución log 
Pearson tipo III (Referencia 2.9) 2 - 30
2.8. Periodos de retorno de diseño en obras de drenaje vial 2 - 31
2.9. Valores del coeficiente de escorrentía en áreas urbanas (Referencia 2.9) 2 - 39
2.10. Valores del coeficiente de escorrentía en áreas rurales 2 - 40
2.11. Ordenadas del hidrograma unitario adimensional del SCS 2 - 60
2.12. Valores de los coeficientes a, b, c y d para el cálculo de las curvas intensidadduración-frecuencia, IDF, para Colombia 2 - 71
2.13. Precipitación acumulada para tres niveles de condición de humedad 
antecedente 2 - 85
2.14. Número de curva de escorrentía para áreas urbanas para una condición de 
humedad antecedente promedio AMCII e Ia=0.2S 2 - 86
2.15. Número de curva de escorrentía para tierras agrícolas cultivadas para una 
condición de humedad antecedente promedio AMCII e Ia=0.2S 2 - 87
2.16. Número de curva de escorrentía de 0tras tierras agrícolas para una condición 
de humedad antecedente promedio AMCII e Ia=0.2S 2 - 88
2.17. Números de curva CN para condiciones de humedad antecedente tipos I y III 2 - 89
3.1. Pendiente transversal recomendada 3 - 9
3.2. Efecto de la pendiente longitudinal sobre la trayectoria de flujo y el espesor de 
la película de agua 3 - 20
3.3. Intensidad máxima de lluvia que garantiza una buena visibilidad de parada 
para diferentes velocidades de operación vehicular 3 - 22
3.4. Viscosidad cinemática del agua en función de la temperatura 3 - 31
4.1. Coeficientes de contracción y de expansión (Referencia 4.30) 4 - 9
4.2. Velocidades máximas permisibles en canales artificiales (Referencia 4.6) 4 - 14Tabla de Contenido
IX
4.3. Coeficientes de regresión de la ecuación 4.24 (Referencia 4.9) 4 - 42
4.4. Expresiones para el cálculo de las pérdidas por fricción 4 - 47
4.5. Coeficiente de pérdidas a la entrada (Referencia 4.19) 4 - 48
4.6. Valores para el cálculo de la rugosidad mediante el método de Cowan 
(Referencia 4.33) 4 - 63
4.7. Valores del coeficiente de rugosidad n 4 - 65
4.8. Taludes recomendados para canales (Referencia 4.7) 4 - 75
4.9. Velocidades y fuerza tractiva máximas permisibles (Referencia 4.19) 4 - 76
4.10. Factor de corrección por sinuosidad según Lacey (Referencia 4.33) 4 - 79
5.1. Valores k obtenidos con las ecuaciones de Moulton y del TRL 5 - 29
5.2. Relación aproximada entre la clasificación unificada y la permeabilidad 
(Referencia 5.15) 5 - 29
5.3. Porcentajes estimados de agua que puede ser drenada por gravedad en 
materiales granulares saturados 5 - 30
5.4. Coeficiente de permeabilidad aproximado para materiales gravo arenosos 
(Referencia 5.20) 5 - 36
5.5. Granulometrías típicas para bases permeables no estabilizadas 5 - 41
5.6. Granulometrías AASHTO No. 57 y No. 67 para bases permeables 
estabilizadas 5 - 42
5.7. Diámetro efectivo y coeficiente de uniformidad de y estabilizadas 5 - 42
5.8. Criterios para la capa granular separadora 5 - 46
5.9. Calificación del drenaje de una base permeable a partir del tiempo que tarda 
en drenar el 50% del agua drenable 5 - 67
5.10. Guía para el uso de las ecuaciones [5.30] a [5.33] 5 - 84
5.11. Clasificación del drenaje según el factor de drenaje 5 - 137
5.12. Configuraciones de ranuras 5 - 145
6.1. Factor de corrección por contracción del cauce μ (Referencia 6.5) 6 - 9
6.2. Factor de corrección por forma de la pila (K1) 6 - 27
6.3. Factor de corrección por ángulo de ataque de la corriente (K2) 6 - 28
6.4. Factor de corrección por la forma del lecho (K3) 6 - 28
6.5. Coeficientes de corrección que depende de la forma de la pila. 6 - 31
6.6. Factor de corrección fc 6 - 33
6.7. Factor de corrección por forma de los estribos 6 - 40
6.8. Coeficiente  de corrección para el cálculo de socavación en estribos y 
espigones según Artamanov. 6 - 44
6.9. Medidas para prevenir la socavación en puentes de acuerdo al tipo de 
socavación (Adaptado de la Referencia 6.7) 6 - 60
6.10. Separación de espigones en tramos rectos 6 - 66Instituto Nacional de Vías Manual de Drenaje para Carreteras
 
X
INTRODUCCIÓN
 
Dando continuidad al programa de revisión, actualización y complementación 
de sus normas y manuales técnicos, el Instituto Nacional de Vías ha 
elaborado, a través del Contrato No. 2059 de 2009, el presente “MANUAL 
PARA HIDROLOGÍA, HIDRÁULICA CON APLICACIÓN EN EL DISEÑO Y 
CONSTRUCCIÓN DE OBRAS TÍPICAS PARA EL DRENAJE Y 
SUBDRENAJE DE CARRETERAS” que, para facilidad en su identificación
cotidiana, se ha titulado simplemente como “MANUAL DE DRENAJE PARA 
CARRETERAS”.
El propósito del manual es proveer guías para el planeamiento y el diseño de
los dispositivos hidráulicos relacionados con la infraestructura de transporte 
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