Diseño hidráulico de cunetas

En muchos de nuestros proyectos (vías, terraplenes, escenarios deportivos, entre otras obras a cielo abierto) requerimos diseñar y construir estructuras o elementos para recolección de la escorrentía superficial o como diríamos coloquialmente de las aguas lluvias. VER VIDEO COMO SE CONSTRUYEN LAS CUNETAS

Una de esas estructuras de drenaje son las cunetas, que además de captar y conducir las aguas hasta un lugar de disposición, ayudan también a proteger de la erosión que estas pueden ocasionar en el caso de los terraplenes.

A continuación explicaremos como diseñar un tramo de cunetas para una plataforma en terraplén.

Ejemplo: Se necesita realizar el diseño hidráulico de las cunetas perimetrales para una plataforma en terraplén en suelo arcilloso con dimensiones de 80 m x 100 m. considerar que la intensidad de las lluvias (220 mm/h) se obtuvo a partir de las curvas de Intensidad - Duración - Frecuencia de la zona, para un período de retorno de 5 años y una duración de 15 minutos.

Solución:

1). Empezamos determinando el área (A) aferente del tramo de cuneta a diseñar (en este caso ambos tramos son iguales), como la plataforma está con pendiente a 2 aguas, dividimos el área total entre 2.

A1 = ( L * a) / 2
A = (100 m * 80 m) / 2
A = 4.000 m2

2). Luego seleccionamos el coeficiente de escorrentía (C) que depende de los materiales y pendientes del área aferente, para este caso por tratarse de un suelo arcilloso sin vegetación que bien compactado se puede considerar impermeable y con pendiente <  1%, seleccionamos de la siguiente tabla el valor de C = 0,60.

Coeficientes de escorrentía; Fuente: Ramirez Maritza, 2003. Hidrología  aplicada Universidad de los Andes

3). Calculamos el caudal de diseño (Qd), utilizando el método racional 

Qd = C * I *A

tenemos la Intensidad (I) = 220 mm/h, convertimos a m/s

I = 220 mm /h * (1 h / 3600 s) * (1 m / 1000 mm)

I =  0,0000611 m/s

Qd = 0,6 * 0,0000611 m/s * 4000 m2

Qd = 0,1466 m3/s 
Qd = 146,6 L/s

4). Diseño de la cuneta, se escoge una sección típica, para vías por lo general escogemos cunetas triangulares siempre que la capacidad lo permita, para este caso podemos seleccionar una cuneta de sección trapezoidal revestida en concreto, en la siguiente imagen podemos ver las propiedades geométricas. VER VIDEO DE DISEÑO

Para la sección trapezoidal tenemos las siguientes expresiones: 

Propiedades geométricas de cuneta trapezoidal.

5). Calculamos el área de la sección, escogemos una Base (B) = 0,3 m, Profundidad (d) = 0,25 m y Z = 1, válido para un suelo arcilloso, el cual lo obtenemos de la siguiente tabla.

Talud Z, dependiendo el material a excavar; Fuente: Invías 2009, manual de drenaje para carreteras.

A => de la primera expresión,  A = 0,1375 m2.

6). Calculamos el perímetro de la sección,

P => de la segunada expresión, P = 1,0071 m.

7). Calculamos el ancho superficial de la sección,

T => de la tercera expresión, T = 0,8 m.

8). Calculamos el Radio hidráulico (R) de la sección,

R = A / P;   R = 0,1375 m2 / 1,0071 m;  R = 0,1365 m.

9). Calculamos la capacidad de la cuneta con la ecuación de manning,

dónde, 

Q es caudal máximo de la sección seleccionada,

n es el coeficiente de rugosidad de Manning, para concreto sin pulir es 0,014

Q = 0,184 m3/s 

Q = 184 L/s

Lo comparamos con el caudal de diseño del punto 3 y observamos que Q > Qd, 184 > 146,6 L/s, por lo tanto la sección del punto 5 cumple, en caso contrario se aumentaría la sección y revisaríamos nuevamente. 

Finalmente se revisa la profundidad del flujo (y) para ese caudal de 146,6 L/s y se calcula la Velocidad (V) que debe ser mínimo de 0,5 m/s para evitar sedimentación en la cuneta.

Si gustan pueden dejar en los comentarios el valor de Velocidad (V) y profundidad del flujo (y) para el caudal hallado y los comparamos.

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