Diseño de Cauces Urbanos de Aguas Lluvias

1. Diseño de Cauces Urbanos de Aguas Lluvias Departamento de Ingeniería Hidráulica Universidad Católica de Chile

2. introducción • los sistemas de evacuación de aguas lluvias pueden estar integrados a la ciudad • pueden incluso agregar y no quitarle valor a un barrio • la clave está en mantener condiciones naturales

3. diseño tradicional de colectores de aguas lluvias • grandes ductos subterráneos • canales de hormigón • costosos en obras civiles • la mayor parte del tiempo no se utilizan • pensados para evacuar el agua rápidamente • perjudican a quienes viven aguas abajo • ventaja: requieren poco espacio

4. diseño tradicional de colectores de aguas lluvias • colectores subterráneos

5. diseño tradicional de colectores de aguas lluvias • canales de hormigón

6. diseño de cauces urbanos integrados • objetivo nuevo diseño • evacuar aguas lluvias • minimizar impacto hidrológico de la urbanización • minimizar impacto ambiental • permitir otros usos cuando no llueve • aportar positivamente al paisaje • amigable y seguro

7. diseño de cauces urbanos integrados • características básicas • mayor espacio en planta • canal pequeño revestido para caudales bajos • área verde de inundación para caudales mayores • pendiente pequeña • incorporación de caídas para reducir la pendiente natural cuando sea necesario

8. características nuevo diseño canal revestido pequeño área verde inundable pendiente pequeña y mayor sección evacuar aguas lluvias minimizar impacto hidrológico minimizar impacto ambiental permitir otros usos aportar al paisaje amigable y seguro objetivos

9. características nuevo diseño canal revestido pequeño área verde inundable pendiente pequeña y mayor sección evacuar aguas lluvias minimizar impacto hidrológico minimizar impacto ambiental permitir otros usos aportar al paisaje amigable y seguro objetivos

10. características nuevo diseño canal revestido pequeño área verde inundable pendiente pequeña y mayor sección baja velocidad y altura del flujo infiltración recarga napa subterránea reducción de caudales máximos aguas abajo evacuar aguas lluvias minimizar impacto hidrológico minimizar impacto ambiental permitir otros usos aportar al paisaje amigable y seguro objetivos

11. características nuevo diseño canal revestido pequeño área verde inundable pendiente pequeña y mayor sección baja velocidad y altura del flujo mantención zonas húmedas control de la erosión mantención hábitat naturales retención contaminantes evacuar aguas lluvias minimizar impacto hidrológico minimizar impacto ambiental permitir otros usos aportar al paisaje amigable y seguro objetivos

12. características nuevo diseño canal revestido pequeño área verde inundable pendiente pequeña y mayor sección área disponible para recreación evacuar aguas lluvias minimizar impacto hidrológico minimizar impacto ambiental permitir otros usos aportar al paisaje amigable y seguro objetivos

13. características nuevo diseño canal revestido pequeño área verde inundable pendiente pequeña y mayor sección evacuar aguas lluvias minimizar impacto hidrológico minimizar impacto ambiental permitir otros usos aportar al paisaje amigable y seguro objetivos

14. características nuevo diseño canal revestido pequeño área verde inundable pendiente pequeña y mayor sección baja velocidad y altura del flujo seguridad para las personas evacuar aguas lluvias minimizar impacto hidrológico minimizar impacto ambiental permitir otros usos aportar al paisaje amigable y seguro objetivos

15. diseño • 1 caudal de diseño

16. 1 caudal de diseño • 1.1 tiempo de concentración • 1.2 período de retorno • 1.3 tormenta de diseño • 1.4 determinación caudal

17. 1.1 tiempo de concentración • se define como el tiempo, medido desde el comienzo de la lluvia, en que toda la cuenca aporta al escurrimiento. • depende sólo del tipo de urbanización y de la topografía

18. 1.1 tiempo de concentración • se puede calcular como longitud escurrimiento superficial (m) coeficiente de rugosidad de manning tiempo de concentración (min) intensidad de la lluvia (mm/h) pendiente (m/m)

19. 1.2 período de retorno • se define como el tiempo esperado de recurrencia de un evento, en años. • en chile la red secundaria de aguas lluvias se diseña para una lluvia de período de retorno de 2-5 años • los grandes colectores (como el zanjón de la aguada) se diseñan para una caudal de período de retorno de 100 años

20. 1.3 tormenta de diseño • se obtiene la intensidad a partir del tiempo de concentración y el período de retorno de diseño. • para ello se utiliza las curvas intensidad-duración-frecuencia de cada ciudad mediante la fórmula precipitación de período de retorno T años y duración t horas precipitación diaria de período de retorno 10 años coeficiente de duración para lluvia de t horas coeficiente de frecuencia para lluvia de período de retorno T años

21. 1.3 tormenta de diseño • ejemplo: • lugar: santiago • tiempo de concentración de la cuenca: 1 hora • período de retorno de diseño: 100 años • se utiliza duración = tiempo de concentración • los coeficientes están publicados (manual de carreteras, manual de técnicas alternativas) • intensidad de diseño = precipitación/duración precipitación de período de retorno 100 años y duración 1 hora coeficiente de frecuencia para lluvia de período de retorno 100 años=1,63 precipitación diaria de período de retorno 10 años= 71 mm coeficiente de duración para lluvia de 1hora =0,16

22. 1.4 determinación de caudal • método racional • coeficiente de escorrentía • cada tipo de superficie tiene distinto coeficiente de escorrentía • techos 0,8; calles 0,87; jardines 0,1; patios 0,6 • coeficiente de escorrentía de la cuenca = promedio ponderado de los coeficientes de escorrentía de las distintas superficies área de la cuenca caudal de diseño coeficiente de escorrentía intensidad de diseño

23. diseño • 1 caudal de diseño • 2 pendiente del cauce

24. 2 pendiente del cauce • 2.1 fórmula de manning • 2.2 coeficiente de manning • 2.3 número de froude • 2.4 restricciones • 2.5 pendiente máxima

25. 2.1 fórmula de manning • relaciona caudal, pendiente y sección transversal del flujo coeficiente de rugosidad de manning sección transversal del flujo (m2) caudal de diseño (m3/s) perímetro mojado (m) pendiente del cauce (m/m)

26. 2.2 coeficiente de manning • mide la rugosidad del cauce • se encuentra tabulado • hidráulica de canales abiertos, ven te chow ; manual de técnicas alternativas • ejemplo • hormigón: n = 0,014 • pasto 5-10 cm: n = 0,035 • pasto 10-15 cm: n = 0,040

27. 2.3 número de froude caudal de diseño número de froude • identifica el tipo de escurrimiento • froude > 1 : régimen de torrente • froude < 1 : régimen de río • parques inundables deben funcionar en régimen de río ancho superficial aceleración de gravedad sección transversal

28. 2.4 restricciones

29. 2.5 pendiente máxima • se debe asumir una geometría preliminar • considerando ambas restricciones, de velocidad y número de froude, se obtiene la pendiente máxima de diseño. • se debe considerar el escenario más desfavorable • crecida de 100 años de período de retorno • canal con pasto recién cortado y sin arbustos ni otros obstáculos

30. diseño • 1 caudal de diseño • 2 pendiente del cauce • 3 sección transversal

31. 3 sección transversal • 3.1 canal flujos bajos • 3.2 altura máxima • 3.3 geometría sección transversal

32. 3.1 canal flujos bajos • se diseña para un caudal de 2 años de período de retorno o menos • con el caudal y la pendiente ya definida se obtiene la sección necesaria • debe ser revestido • hormigón, enrocado, etc • puede ser de geometría irregular siempre que su sección sea mayor que la mínima necesaria • puede ser zigzagueante

33. 3.2 altura máxima • a partir de la geometría preeliminar de la sección y mediante la fórmula de manning se obtiene la altura máxima del escurrimiento • para el cálculo de la altura máxima se debe considerar el escenario más desfavorable, esto es • canal con arbustos, árboles, pasto sin cortar, etc. • es decir un coeficiente n grande • se recomienda que la máxima altura del flujo sobre la zona no revestida no sea mayor a 1 metro.

34. 3.3 geometría sección transversal • si la altura máxima del escurrimiento calculado es mayor a 1 metro, se debe cambiar la sección, haciéndola más ancha. • la sección puede ser de cualquier geometría • sin embargo, si hay espacio disponible, lo mejor es baja altura, taludes tendidos, gran ancho superficial.

35. diseño • 1 caudal de diseño • 2 pendiente del cauce • 3 sección transversal • 4 caídas y disipadores de energía

36. 4 caídas y disipadores de energía • 4.1 geometría de la caídas • 4.2 número de caídas • 4.3 cubeta de disipación

37. 4.1 geometría de las caídas • pueden ser caídas verticales o caídas inclinadas • deben tener una cubeta de disipación de energía • no se recomiendan caídas mayores a 1 metro

38. 4.2 número de caídas • la caídas se hacen necesarias cuando la pendiente máxima de diseño es menor que la pendiente natural del terreno. • definida la altura de las caídas se determina el número de caídas necesarias para compensar la menor pendiente del cauce número de caídas largo del cauce pendiente del terreno pendiente de diseño altura promedio de las caídas

39. 4.3 cubeta de disipación • la cubeta de disipación debe estar revestida • también deben tener grandes rocas o estructuras de hormigón para disipar la energía del flujo • el largo necesario de la cubeta se determina según el caudal de diseño • manual de técnicas alternativas

40. ejemplos

41. canal de pasto operando con caudales frecuentes cauce artificial de aguas lluvias. denver, eeuu.

42. canal de pasto operando con una gran crecida

43. canal de pasto operando con una gran crecida

44. Ejemplos canal de flujos bajos y área verde inundable antes y después de las lluvias. denver, eeuu.

45. cauce urbano con restricciones de espacio colector superficial de gran capacidad con restricciones de espacio. denver, eeuu.

46. caída inclinada control de velocidades en cauce urbano. denver, eeuu.

47. caída vertical colector superficial revestido integrado al paisaje

48. cubeta de disipación

49. disipadores de energía disipador de energía para evitar exceso de velocidades y riesgo de erosión durante las lluvias en parque-colector. denver, eeuu.

50. colectores de aguas lluvias abiertos de baja capacidad