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Estudio hidrológico – Carreteras

Este tipo de estudios sirven para calcular los caudales de referencia de una manera teórica, pero mas o menos real.

Con ellos, se calculan:
– periodos de retorno
– intensidad media de precipitación
– coeficiente de escorrentía
– caudal de referencia

Datos con los que se pueden dimensionar los elementos de drenaje, plataformas, canalizaciones, cunetas, desagües, …

Primeramente, se necesitan unos datos de partida que son los siguientes:
– Pendiente media del terreno = 2,5%
– Tipo de suelo = natural, areno-arcilloso
– Superficie aproximada cuenca de aporte = 2400 Ha (medido en plano)
– IMD (intensidad media diaria) = 950 veh/h
– Vaguadas (longitud de cálculo) en 500 m

a) Periodos de retorno
Recurriendo a bibliografía especializada, en la Instrucción de Carreteras 5.1 y 5.2, se establece el periodo de retorno mínimo.
En nuestro caso, será de 10 años.
c0_tabla1

b) Intensidad media de precipitación
Primeramente, se calculará el tiempo de concentración (T) que será el necesario para que el agua precipitada en el sistema de drenaje llegue a la carretera. Se necesita conocer la longitud del cauce principal (km) y la pendiente media (m/m). La fórmula a emplear es la siguiente:
c0_f1
Obteniendo: T = 0,357 h (21,44 minutos).

Por último, debemos conocer la precipitación media en la zona para un periodo de retorno de 10 años, el valor Id y la relación (I1/Id) del mapa de isolíneas de la península, para ello, se deben consultar los mapas de la instrucción de carreteras (5.2-IC). En nuestro caso, tenemos 90 mm/día y la relación I1/Id = 9, siendo Id = 3,75.

El cálculo de la intensidad media diaria se establece con la fórmula:
c0_f2

Siendo la intensidad media de precipitación = 58,12 mm/h

c) Coeficiente de escorrentía
Este valor se corresponde a la parte del agua que no se infiltra en el terreno y que discurre según la pendiente del terreno. La fórmula a emplear es la siguiente:
c0_f3
Pd es la la precipitación media diario, calculada anteriormente (90 mm) y para obtener P0, se debe acudir nuevamente a la Instrucción de Carreteras (5.2 IC). Para caracterizar el terreno según el grupo de suelo, se debe realizar una granulometría que aporte los valores porcenturales de arcilla, limo y arena.En nuestro caso, el suelo se clasifica como Franco y es de tipo B. De la tabla obtenemos P0 = 25 mm y aplicando el factor de corrección correspondiente (2.0) , obtenemos P0 = 50 mm.

Con estos valores, obtenemos C, siendo = 0,019.

d) Caudal de referencia
Basándonos en el método hidrometeorológico, es de cálculo directo según la expresión:
c0_f4

Siendo:
I = intensidad media de precipitación
C = coeficiente de escorrentía
A = superficie cuenca
K = coeficiente de corrección

Obteniendo Q = 10,89 m³/s.

Sifonamientos. Tablestacas

En general, se va a producir un levantamiento del fondo de la excavación cuando se anulen las tensiones efectivas y existir unas fuerzas de infiltración “hacia arriba”.

En el siguiente ejemplo, tenemos un terreno limoso (ML según SUCS) sobre un nivel aluvial de gravas y arenas de varias decenas de metros.

En el momento de inicio de la excavación el nivel freático estará en superficie; en varios sondeos realizados en la zona, ha sido surgente. Por lo que se recomienda un bombeo constante durante la excavación y realizarla al abrigo de tablestacas.

Datos:
γsat = 18 kN/m³, cu = 1,3 T/m²
espesor del nivel = 6 m
permeabilidad = 0,000045 m/s
profundidad de la excavación = 4 m
tables1

Para evitar el sifonamiento, no se debe llegar al gradiente hidraúlico crítico (Ic).
Ic = (γsat / γw) – 1 = 0,80

Mediante la expresión (Ic * espesor nivel) / (Ic +1) obtenemos la profunidad a la que se alcanza el gradiente crítico; profundidad por debajo de la cúal se producirá sifonamiento, y que en este caso es de 2,67 m, y dado que nuestra excavación será de 4 m tendremos problemas de sifonamiento.

Como se indicó al principio, la excavación se realizará al abrigo de tablestacas, siendo su alcance limitado por el valor de rechazo del SPT obtenido en el nivel aluvial de gravas a una profundidad de 9,5 m. La longitud de la tablestaca será de 8 m (6m nivel de limos + 2 m en gravas).

El gradiente medio en la pantalla de tablestacas, se puede obtener mediante i = AH/L. Siendo AH la diferencia de potencial entre 2 puntos (diferencia entre n.f. y base de la excavación) y L distancia en la dirección de flujo entre estos dos puntos. Siendo i = 0,4.

El factor de seguridad, una vez conocidos tanto i como ic será; FS=ic / i = 2, superior a 1,5 y por tanto, con esta longitud y empotramiento de las tablestacas, no se producirá sifonamiento.

Al tiempo, se nos exige un cálculo justificativo para las necesidades de bombeo. Éste, se puede calcular mediante la fórmula: Q = k · H · (Hp / Lp), siendo:

Q = caudal que se filtra por debajo de la pantalla
K = permeabilidad (0,000045 m/s)
H = diferencia entre la posición del nivel freático y la base de la tablestaca
Hp = profundidad de la tablestaca bajo la base
Lp = longitud total de la pantalla

Siendo el caudal esperado Q = 0,000021 m/s, que aunque se considera medio-bajo (según tablas) requerirá de un bombeo continuo.