Se define como alcantarilla una estructura que permite que el agua fluya por debajo de una carretera, ferrocarril, sendero u obstrucción similar de un lado a otro, típicamente empotrada, rodeada de tierra [1]. Una alcantarilla puede estar construida con una variedad de materiales, incluido hormigón prefabricado o fundido en el lugar, acero galvanizado, aluminio o plástico. Las alcantarillas se diseñan con distintas formas o tamaños que obedecen a requerimientos de rendimiento hidráulico, limitaciones relativas a la elevación de la superficie del agua aguas arriba de la vía, el perfil de la carretera, la evaluación de daños por inundaciones, los costos de construcción y mantenimiento, su vida útil, etc.

El diseño de alcantarillas ha evolucionado a la par de la capacidad para analizar la hidráulica compleja asociada con el flujo de alcantarillas [2]. Así, se ha pasado del diseño manual al empleo de software especializado, como el HY-8 [3], HEC-RAS [2], Flow 3D [4], entre otros.

Las alcantarillas se evalúan estimando el caudal de máxima crecida que soportaría la estructura según datos de precipitación para un periodo de retorno determinado, para luego comparar dicho caudal con la descarga que la alcantarilla es capaz de soportar, asumiendo una entrada sumergida con control a la entrada [5].

Pero a través de las alcantarillas no solo circula agua, sino también el sedimento que es arrastrado por la corriente, sea como arrastre de fondo o en suspensión, por lo que el diseño sostenible de alcantarillas debe permitir el transporte natural de sedimentos asociados con sistemas fluviales a través de alcantarillas. Cada criterio de diseño busca cumplir el mismo propósito: proveer los requerimientos hidráulicos, el movimiento natural de sedimentos y el paso de organismos acuáticos [2].

El transporte de sedimentos es un proceso geológico involucrado en la evolución morfológica de la superficie de la tierra y puede ser provocado por un fluido en movimiento sobre sedimentos cohesivos o no cohesivos producidos por la meteorización de masas de tierra [6]. Así, en el transporte de sedimentos influyen interacciones complejas entre las características físicas de las partículas y las propiedades del flujo.

Cuando existen depósitos del material arrastrado en el cuerpo de la alcantarilla, la sedimentación puede variar la velocidad del flujo y, a su vez, puede verse influenciada por las condiciones de ancho y profundidad del lecho del canal. La falla de alcantarillas envejecidas, de tamaño insuficiente y mal mantenidas es un problema en diferentes países, por lo que su evaluación y mantenimiento es vital para asegurar la vida útil de las estructuras viales [7].

El bloqueo de las estructuras de drenaje transversal es uno de los mayores peligros que amenazan la estabilidad de las carreteras [4], ya que la acumulación de sedimentos acarrea disminuciones significativas de la capacidad hidráulica de las alcantarillas, que repercuten en el comportamiento hidráulico de esta, al punto que, por ejemplo, un bloqueo del 70 % de la altura de la alcantarilla hace que la profundidad del agua aguas arriba aumente 2,3 veces la altura de la alcantarilla y la velocidad media aumente 3 veces más que cuando la alcantarilla no está obstruida [4].

A pesar de la importancia del transporte de sedimentos a través de alcantarillas transversales en carreteras de montaña, los estudios relativos a este fenómeno no son abundantes en la literatura y menos todavía en la zona andina donde las condiciones de relieve y degradación de las cuencas hidrográficas agudizan aún más esta problemática.

El presente artículo se centra en la evaluación de 6 alcantarillas pertenecientes al drenaje transversal de una carretera de montaña ubicada en los Andes del sur del Ecuador. Se evaluó la capacidad hidráulica de cada alcantarilla para evacuar un caudal de crecida con 25 años de periodo de retorno empleando un software especializado; también se aplicó el criterio del inicio del movimiento de los sedimentos para analizar la capacidad de autolimpieza de la alcantarilla.

El artículo está estructurado de la siguiente manera: inicialmente, se presentó la revisión de literatura que contextualiza el presente trabajo, para luego describir el área de estudio y las características de cada una de las alcantarillas analizadas. Las metodologías lluvia-escorrentía empleadas para determinar el caudal de evaluación, así como las ecuaciones para calcular la producción y transporte de sedimentos se presentan a continuación y se desarrolla el criterio del inicio de movimiento, empleado para evaluar la capacidad de autolimpieza de las alcantarillas. Después se discuten los resultados obtenidos y su análisis permite obtener las conclusiones del presente trabajo.

Las principales características de las cuencas de drenaje se presentan en la tabla 2.

Tabla 2

En la tabla 2 se puede apreciar que las cuencas son pequeñas con superficies que fluctúan entre 0,106 y 3,44 km2, con cauces con longitudes que varían entre 232,03 y 3235,5 m. Las pendientes de los cauces son pronunciadas con valores entre el 22 % y el 52 %, que corresponden a cauces de ríos de montaña. Este hecho lleva a que los tiempos de concentración sean muy cortos, variando entre 0,03 y 0,29 h. Normalmente, en estas condiciones se pueden esperar cuencas con crecidas repentinas. El coeficiente de escorrentía corresponde a zonas boscosas con pendientes superiores al 7 % y para un periodo de retorno de 25 años [15]. Los números de la curva corresponden a zonas en las que se produce poca infiltración, con predominio de la escorrentía superficial. Los valores son altos y van de 79 a 91, que muestran la degradación de la cobertura vegetal, con suelos de poca profundidad que presentan alta impermeabilidad.

El tiempo de concentración determinado con cada una de las metodologías consideradas se presentan en la tabla 3.

Tabla 3

Como puede apreciarse en la tabla 3, las diferentes metodologías presentan valores muy similares, siendo las calculadas mediante el método de Témez algo mayores. Ante la notable similitud, se adoptó el promedio de los valores calculados como el tiempo de concentración de cada cuenca. La tabla 4 presenta los caudales calculados mediante las metodologías empleadas

Tabla 4

En la tabla 4 se puede observar que existe una similitud notable entre los caudales calculados mediante el método racional y el HU del NRCS. Las diferencias se atribuyen a las consideraciones propias de cada método, pero que al final llevan a resultados comparables. Dado que la vía se diseñó empleando las normas del Ministerio de Transporte y Obras Públicas, que recomienda el método racional para el diseño de alcantarillas, se adoptaron los valores calculados con esa metodología para la evaluación.

Tabla 5

La tabla 5 presenta los valores del transporte de sedimentos de fondo y el transporte de sedimentos en suspensión.

Los valores obtenidos mediante la aplicación del método de Schoklitsch son mayores a los obtenidos mediante la ecuación de Mizuyama y Shimohigashi. En la mayoría de las cuencas los resultados son similares, aunque en las cuencas 3 y 6 la diferencia es considerable. El cálculo del transporte de sedimentos tiene limitaciones propias del empirismo presente en todas las ecuaciones desarrolladas para su estudio [20], por lo que es muy frecuente la dispersión de resultados. En este caso, se aplicaron dos metodologías y siguiendo una práctica generalizada, se considera que los resultados obtenidos establecen un posible rango de variación del trasporte de sedimentos en las alcantarillas estudiadas. Las alcantarillas 3 y 6 presentan mayores posibilidades de obstrucción, por acumulación de sedimentos.

Por otra parte, el transporte es suspensión determinado con la MUSLE varía en un rango de entre 0,18 y 6,87 m3/s, valores que muestran las condiciones de la cuenca en las que se presenta una notable producción de sedimentos. En la tabla 4 se observa mayor producción de sedimentos en las cuencas 3 y 6, con una mayor superficie y peores condiciones de cobertura y orografía.

La figura 2 presenta la evaluación de la alcantarilla 1, realizada con el HY8. Es una alcantarilla metálica circular con un diámetro de 1,2 m y una pendiente del 4 %. Ante el caudal de evaluación de 1,97 m3/s, se producirá un flujo con control de entrada, con un tirante en la entrada de 1,17 m y de 0,59 m a la salida con una velocidad de salida de 3,43 m/s, al no estar revestido el cauce en esta zona, provocará erosión.

Figura 2

El conducto de la alcantarilla 1 está en capacidad de evacuar el caudal de evaluación; esto obedece en parte a su ubicación, pues al encontrarse en la parte alta de la zona montañosa por la que atraviesa la carretera Loja-Zamora, el área de aporte es pequeña, resultando adecuado el diámetro de 1,20 m. Por otro lado, la mayor parte del área de aporte posee una cobertura vegetal de arbustos y pastizales, lo cual limita la generación de sedimentos [21].

El comportamiento de la alcantarilla 2 se presenta en la figura 3. Esta es una alcantarilla metálica de 1,20 m de diámetro y una pendiente del 5 %. Como se puede apreciar en la figura 3, ante un caudal de evaluación de 1,98 m3/s se producirá un tirante a la entrada de 1,30 m y a la salida de 0,55 m y una velocidad de salida de 3,75 m/s. Esta velocidad no causará erosión, pues el cauce está revestido. La alcantarilla 2 tiene la capacidad para evacuar la demanda generada en el área de aporte, entre otras razones, porque en su mayoría se encuentra cubierta por bosque, lo que influye en la producción de sedimentos, pues aunque posee un área de aporte similar a la alcantarilla 1, la generación de sedimentos es menor.

Figura 3

La figura 4 presenta el comportamiento de la alcantarilla 3. Esta es de hormigón armado, con sección rectangular de 3,00 × 1,80 m y posee una pendiente del 14 %. Sus paredes son de hormigón y su fondo no se encuentra revestido; se aprecian roca y materiales granulares.

Figura 4

Ante el caudal de evaluación de 27,67 m3/s se produce un tirante a la entrada de 4,77 m que sobrepasa el nivel de la vía. En estas condiciones, la alcantarilla solo puede transportar un caudal de 27,67 m3/s y el resto escurriría sobre la vía. La velocidad a la salida de la alcantarilla sería de 7,89 m/s, que es erosiva a pesar de que el cauce es rocoso. La alcantarilla 3 no está en capacidad de evacuar la demanda hidrológica generada. El área de aporte posee una pendiente elevada de 0,67 % lo cual, sumado a que la zona adyacente a la carretera se encuentra cubierta únicamente por pastizales, se produce un caudal considerable que no puede ser evacuado por la alcantarilla.

La alcantarilla 4 es metálica, circular con un diámetro de 1,20 m y una pendiente del 5 %. El comportamiento de la alcantarilla lo muestra la figura 5

Figura 5

Al considerar el caudal de evaluación de 4,92 m3/s, se aprecia un desbordamiento sobre la carretera, ya que el tirante a la entrada es de 2,37 m. Por la alcantarilla escurren tan solo 4,01 m3/s que alcanzan una velocidad a la salida de la alcantarilla de 4,44 m/s, cuyo poder erosivo es mitigado ya que el canal de salida es revestido. El resto del caudal escurrirá sobre la vía. El diámetro de 1,20 m de la alcantarilla 4, a diferencia de las alcantarillas 1 y 2, resulta insuficiente para evacuar el caudal de evaluación conformado por caudal líquido y sedimentos. Esto debido en parte a que el área de aporte y la pendiente del terreno son mayores que en el caso de las alcantarillas 1 y 2; además, la zona boscosa se encuentra bastante reducida.

La alcantarilla 5 posee una sección rectangular de 2 × 2,15 m y una pendiente del 5,40 %. El comportamiento de la alcantarilla 5 ante el caudal de evaluación se presenta en la figura 6.

Figura 6

Ante el caudal de evaluación de 19,35 m3/s se produce un tirante en la entrada de 1,97 m, y a la salida, de 0,82 m, con una velocidad a la salida de 5,73 m/s que puede ser erosiva. La alcantarilla 5 está en capacidad de evacuar el caudal de evaluación. Al ser el área de aporte de 0,63 km2, es pequeña y en su mayoría se encuentra cubierta por bosque; se limita la producción de crecidas y sedimentos.

La alcantarilla 6 es hormigón armado, posee una sección rectangular de 2,80 × 2,40 m y una pendiente del 8 %. El comportamiento de la alcantarilla frente al caudal de evaluación se presenta en la figura 7

Figura 7

Como puede apreciarse en la figura 7, ante el caudal de evaluación de 35,57 m3/s, se produce un tirante a la entrada de 3,64 m, lo que produce que tan solo 27,58 m3/s sean evacuados por la alcantarilla y el resto escurra por la superficie de la vía. La velocidad del agua a la salida de la alcantarilla es de 7,16 m/s; esta velocidad es erosiva, ya que el cauce no se encuentra revestido. La alcantarilla 6 no tiene la capacidad suficiente para evacuar el caudal de evaluación. Si bien las condiciones de la cobertura vegetal son mejores que las de las otras cuencas, su tamaño y la pendiente producen crecidas considerables.

En términos generales, las 6 alcantarillas analizadas funcionan con control a la entrada, que ocurre cuando la alcantarilla es capaz de conducir más flujo que el permitido por el orificio de entrada. Todas ellas trabajan sumergidas a la entrada y no sumergidas a la salida; en estas condiciones, funcionan de manera similar a un orificio. De las 6 alcantarillas evaluadas solo tres están en capacidad de evacuar el caudal de evaluación; en las tres restantes se deberían plantear nuevos elementos de drenaje.

En la tabla 6 se presenta el análisis del inicio del movimiento de sedimentos. En todos los casos, el cortante de la corriente es muy superior al cortante crítico del material antes de iniciar el movimiento. Esto significaría que las alcantarillas presentan las condiciones necesarias para evacuar el sedimento. Adicionalmente, según Invías [11], en materiales granulares el cortante de la corriente debería ser superior a 0,3 kgf/m2 para garantizar el autolavado de las alcantarillas. Estos criterios fueron corroborados mediante observaciones de campo, ya que en las alcantarillas se pudo registrar una ligera acumulación de material de arrastre

Tabla 6

Se evaluaron 6 alcantarillas en una zona montañosa en los Andes del sur del Ecuador, considerando sus características y un caudal de crecida calculado con base en relaciones lluvia-escorrentía para una tormenta de 25 años de periodo de retorno. La capacidad de autolimpieza de las alcantarillas se evaluó aplicando el criterio de inicio del transporte de sedimentos.

Las alcantarillas evaluadas presentaron dos tipologías: 3 alcantarillas metálicas circulares con un diámetro de 1,20 m y 3 alcantarillas tipo cajón con diversas secciones transversales.

Las cuencas de drenaje presentaron alteración en su cobertura vegetal, porque predominantemente existen pastizales y porciones de bosque nativo. Al encontrarse cerca de la cumbre del sistema montañoso, los suelos eran poco profundos, lo que les da condición de impermeabilidad. La poca cobertura vegetal favorece la producción de sedimentos y las altas pendientes de los cauces favorecen el transporte de sedimentos.

De las 6 alcantarillas evaluadas, solo 3 tuvieron la capacidad hidráulica para evacuar el caudal de evaluación; de estas, 2 fueron circulares y una de cajón (2,0 × 2,15 m). Las restantes no tuvieron capacidad para evacuar el caudal de evaluación y producirían el desbordamiento de una parte significativa del caudal sobre la calzada. Para mitigar los impactos que eventuales crecidas podrían producir, es conveniente rediseñar las alcantarillas que no presentaron la capacidad suficiente para evacuar el caudal de evaluación.

En todos los casos, las alcantarillas analizadas funcionaron con control a la entrada, que ocurre cuando la alcantarilla es capaz de conducir más flujo que el permitido por el orificio de entrada. Todas ellas trabajaron sumergidas a la entrada y no sumergidas a la salida; en estas condiciones, funcionaron de manera similar a un orificio.

En todos los casos, el esfuerzo cortante que ejerce el flujo sobre los sedimentos es muy superior al cortante crítico con el que estos resisten el movimiento. Esta condición permite determinar que las alcantarillas analizadas poseen las condiciones necesarias para evitar la acumulación de material de arrastre.