drenaje en carreteras

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO – PUNO FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

FILTRACIÓN Y DRENAJE – GEOTECNIA APLICADA 2015

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO PUNO

FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL Y ARQUITECTURA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

TRABAJO ENCARGADO

GEOTECNIA APLICADA

TEMA:

DRENAJE EN CARRETERASPRESENTADO POR:

MAMANI CALDERÓN, GILBER CHATA PACOMPIA, DAVID PACHARI CHAMBI, WILLIANS VICENTE MAMANI COPARI, JUAN JOSÉ MENDOZA CALIZAYA, JAMES CRISTIAN

SEMESTRE: VII

PUNO -- PERU

2015

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I. INTRODUCCIÓN

Se observa que con el paso del tiempo factores tales como el viento, la temperatura, los sismos y el agua, son causantes de desgaste, el cual termina por afectar la eficiencia del camino. El problema se inicia a consecuencia de las lluvias que trae como resultado el mal funcionamiento del drenaje y sub-drenaje, generando problemas como azolves en la obras de captación, canales deteriorados, vegetación en las laderas y cortes, etc., que a lo largo ocasionan daños muy costosos e importantes de tomarse en cuenta en cuestión económica ya que un camino mal proyectado genera mayores costos de mantenimiento y conservación.

Es por esta razón que el diseño y construcción de un sistema de drenaje superficial tiene gran importancia en la construcción de una vía de comunicación. Los objetivos principales del drenaje son la preservación de la carretera, ya que ésta juega un papel social y económico. La prevención del impacto negativo al ambiente es de igual manera una de las metas del sistema de drenaje.

El diseño y construcción de drenajes subterráneos requiere estudios geológicos especializados. El concepto básico para el diseño del drenaje subterráneo consiste en remover el agua del terreno para interceptarla con un material más poroso que el suelo original.

Es muy importante estudiar el impacto que este tipo de obras tienen en el entorno cercano a dichos caminos. Ya que la contaminación es uno de los problemas más serios que la humanidad enfrenta hoy en día.

Este trabajo ha sido estructurado para abarcar los detalles de las obras de drenaje y como desde su construcción y funcionamiento éstas tienen interacción con el entorno.


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II. OBJETIVOS:

- Demostrar la importancia del drenaje en carreteras, partes y tipos - Desarrollar la importancia de realizar drenaje superficial para obras en carretera- Desarrollar el concepto de Sub-drenaje dentro de las obras viales- Hacer una comparación de drenaje la carretera tramo Av. La torre – Huáscar PUNO.

III. LOCALIZACIÓN DE LA CARRETERA:

La localización de nuestra área de trabajo se encuentra ubicado en la ciudad de PUNO, Huáscar: jr

MAPA DE GOOGLE

Coordenadas:

E 30389329.75 N 8249735.56

III.1. EL TERRENO PARA EL DISEÑO

Para llevar a cabo el diseño y localización de la vía, es necesario considerar varios factores influyentes en el planteamiento, construcción y desarrollo de la misma. Un factor importante son las características del terreno:

Topología accidentada y boscosa en la parte sur-oeste, en el resto del término municipal es llana y ondulada.

Usos del terreno, predomina el cultivo en viñas sobre todo en la parte norte. Una vez analizado el terreno se debe determinar un emplazamiento aproximado de la vía,

estableciéndose en qué forma va ir ubicada ésta con relación al terreno de una manera orientativa para poder realizar el levantamiento.

III.2. TOPOGRAFÍA Y CARTOGRAFÍA FILTRACIÓN Y DRENAJE – GEOTECNIA APLICADA 2015

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El proyecto se basa en la cartografía a escala 1:1000 obtenida a partir del levantamiento realizado sobre la zona de actuación. Debido a la imposibilidad de acceso de un pequeño tramo se extrajo información de la cartografía proporcionada por el Instituto Cartográfico de Catalunya, topografía 1/5000 basada en curvas de nivel equidistantes un metro obtenidas a partir de un vuelo y su posterior restitución fotogramétrica. Al mismo tiempo se ha realizado levantamientos topográficos más detallados en las zonas urbanas coincidentes con las zonas de enlace del proyecto. Se ha tomado todos los objetos tipo mobiliario urbano, bordillos aceras, fachadas, líneas de bombeo en calzada, etc. resultando un levantamiento a escala 1/500.

III.3. MÉTODO Y CÁLCULOS TOPOGRÁFICOS

Los trabajos han consistido en la implantación de una red de bases de puntos fijos con un buen horizonte de observación, para la consecución de los trabajos de realización del nuevo vial.

III.4. PROCESADO

IV. MARCO TEÓRICO:


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IV.1. DEFINICIÓN DE DRENAJE

Las obras de drenaje son los elementos estructurales que eliminan la inaccesibilidad de un camino, provocada por el agua o la humedad. Los objetivos primordiales de las obras de drenaje son:

Dar salida al agua que se llegue a acumular en el camino Reducir y eliminar la cantidad de agua que se dirija hacia el camino Evitar que el agua provoque daños estructurales.

IV.1.1. CLASIFICACIÓN Y TIPOS DE DRENAJE

Para llevar a cabo lo anteriormente mencionado, se utilizan diferentes tipos de obras de drenaje como lo son las obras de drenaje superficial y subterráneo. Se conocen como obras de drenaje y subdrenaje las siguientes:

Cunetas Contra-cunetas Bombeo Vado Tubos y tubos perforados Puentes y alcantarillas Lavaderos Bajadas Bermas Bordillos Vegetación

Las obras de drenaje superficial se construyen sobre la superficie del camino o terreno, con funciones de captación, salida, protección, y cruce. Algunas de las obras mencionadas cumplen con varias funciones al mismo tiempo. Dentro de las obras de drenaje superficial podemos encontrar algunas de las más espectaculares como son los puentes.

Dado que desde el punto de vista del análisis de Impacto Ambiental, se requiere el conocimiento de las obras, a continuación se describen los tipos de drenaje superficial y subterráneo, así como los criterios para su ubicación y construcción.

IV.1.2. CUNETAS

Las cunetas son zanjas que se hacen en uno o ambos lados del camino, con el propósito de conducir las aguas provenientes de la corona y lugares adyacentes hacia un lugar determinado, donde no provoque daños, su diseño se basa en los principios de los canales abiertos. Estas obras de drenaje se pueden presentar en dos tipos: en cortes en balcón donde hay cuneta en un solo lado y en cortes en cajón, donde hay cuneta en ambos lados.

La cuneta se dispone en el extremo del acotamiento, en contacto inmediato con el corte.

La pendiente longitudinal mínima que debe existir en una cuneta es de 0.5%. La velocidad con la que el agua circule sobre ella, debe quedar comprendida entre los límites de depósito y erosión, ambos indeseables.

Las cunetas se construyen generalmente de sección trapecial o triangular.

La sección triangular es la más conveniente y fácil de construir; se conforma al terminar la capa sub-rasante y el trabajo puede hacerse con moto-conformadora. Su conservación es también la más sencilla. FILTRACIÓN Y DRENAJE – GEOTECNIA APLICADA 2015

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IV.1.3. ZANJA DE CORONACIÓN

Se denominan contracunetas, a los canales excavados en el terreno natural o formados con pequeños bordos, que se localizan aguas arriba de los taludes de los cortes, con la finalidad de interceptar el agua superficial que escurre ladera abajo desde mayores alturas, para evitar la erosión del talud y el congestionamiento de las cunetas y la corona de la vía terrestre por el agua y su material de arrastre.

La contracuneta se construye a una distancia variable del coronamiento del corte y depende de la altura de éste; su función es que entre la contracuneta y el propio corte no quede un área susceptible de generar escurrimientos de importancia no controlados, asimismo no debe ser colocada demasiado cerca del corte, a fin de facilitar su trazo y permitir que se desarrolle sobre terreno que no se vea afectado por derrumbes leves, pequeños abatimientos o trabajos de amachine que eventualmente se realicen.

En cortes de altura normal es frecuente que las contracunetas se encuentren a una distancia del coronamiento del corte comprendida entre la altura del mismo y la mitad de ese valor; en cortes altos, el punto más próximo de la contracuneta puede estar a unos 8 ó 10 m del coronamiento del corte.

El desarrollo de la contracuneta debe ser sensiblemente paralelo al propio corte; de esta manera el canal se va desarrollando con pendiente longitudinal.

La contracuneta debe conducir el agua captada a cañadas o cauces naturales en que existan obras que crucen la vía terrestre y es normal que para evitar excesivo desarrollo del canal los extremos lleguen a tener pendientes muy considerables, funcionando como auténticos lavaderos.

IV.1.4. BOMBEO

Se denomina Bombeo a la pendiente transversal que se da en las carreteras para permitir que el agua que directamente cae sobre ellas escurra hacia sus dos hombros.

En los caminos normales de dos franjas de circulación (A2, B, C) y en secciones en tangente es común que el bombeo se disponga con un 2.0% de pendiente desde el eje del camino hasta el hombro correspondiente; en las secciones en curva, el bombeo se superpone con la sobreelevación necesaria, de manera que al ingresar a la curva, esta última domina rápidamente y la pendiente transversal ocurre sin discontinuidades. En las carreteras con pavimento rígido el bombeo puede ser un poco menor, del orden de 1.5%.

En las carreteras de más de dos franjas de circulación pueden presentarse dos casos: uno con un camellón central relativamente estrecho y otro donde se tiene un camellón muy amplio sembrado de vegetación. En el primer caso, el bombeo se da del camellón hacia los hombros externos (Figura 9) y en el segundo, es común un bombeo mixto, en dos sentidos, con pendientes desde el eje de cada franja hacia los hombros, en este caso por el lado interior deberá existir un elemento de canalización.

IV.1.5. VADO

Este tipo de solución como obra de drenaje es poco común, es una obra de paso para el agua, dejando que ésta continúe su curso de manera natural sin afectar su nivel de escurrimiento, es decir, la carretera pasará a nivel del agua respetando su condición actual.


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El vado se proyecta para cruces que normalmente requieren obras mayores de 6.00 m; pero cuyos cauces son muy extendidos, porque los espesores del terraplén deban ser bajos y no es conveniente elevar la rasante por economía de las terracerías, como en el caso de un puente, además de que el escurrimiento en estos cauces es muy esporádico.

IV.1.6. TUBOS Y TUBOS PERFORADOS

Esta obra complementaria es muy parecida a una alcantarilla, son elementos de solución para el drenaje que van implementados bajo las terracerías de la carretera que se va construir. Existen varios tipos de tubo como el de lámina corrugada, tubos de sección circular con doble capa de cemento asfáltico, tubos de concreto y tubos desarmables intercambiables. El tubo va colocado transversalmente al camino y permite la continuidad del caudal existente, si está correctamente calculado. El diámetro del tubo depende del gasto que se genere por el escurrimiento natural, el que puede variar entre 0.45 cm y 1.50 cm de diámetro regularmente.

Una práctica común son los sistemas de subdrenaje de tubería perforada, inmersa en un material filtrante - las perforaciones son con el fin de captar el agua hacia el interior del tubo, estos sistemas se aplican con el objeto de inducir el agua rápida y fácilmente.

IV.1.7. PUENTES O ALCANTARILLAS

Las estructuras de drenaje más espectaculares en una vía terrestre son los puentes y las alcantarillas, responsables principales del drenaje transversal; es decir, del paso de grandes volúmenes de agua, arroyos, ríos, entre otros, a través de la obra, en una dirección perpendicular a ella. Suele llamarse a los puentes obras de drenaje mayor y a las alcantarillas de drenaje menor.

Mayor a 6.0 m y se construye de concreto en la mayoría de los casos, aunque también los construyen de estructura de acero.

Las alcantarillas existen normalmente en la construcción de un camino entre 3 ó 4 por Km significando en la inversión total de un 15 a 20% del costo total de obra, sus dimensiones son menores a 6.0 m y la construcción varía en forma y materiales.

IV.1.8. LAVADEROS

Son canales que se conectan con los bordillos y bajan transversalmente por los taludes, con la misión de conducir el agua de lluvia que escurre por los acotamientos hasta lugares alejados de los terraplenes, en donde no cause problemas a la carretera. En general son estructuras de muy fuerte pendiente, característica principal de éstos. Cuando se disponen en los caminos están sobre los terraplenes, sobre los lados en terraplén, de cortes en balcón o en los lados interiores de curvas, cuando corresponden a secciones también en terraplén.

En tramos en tangentes suelen disponerse cada 60 ó 100 m, pero esta separación es variable, dependiendo de la pendiente longitudinal de la vía terrestre y del régimen de precipitación pluvial en la zona.

IV.1.9. BAJADAS

Este tipo de estructura tiene una función análoga a los lavaderos, pero constituidas por un tubo apoyado en la superficie inclinada del terreno o enterrado en él. En rigor la distinción respecto a los lavaderos es simple nomenclatura y muchos ingenieros consideran a las bajadas como lavaderos entubados.


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El diámetro mínimo en los tubos de la bajada debe ser de 45 cm, pero no es difícil ver diámetros mayores, 60 cm o más, en lugares en donde se prevé la necesidad de eli minar grandes gastos.

IV.1.10. BERMAS

Las bermas o escalonamientos pueden cumplir también funciones de drenaje superficial, de control de aguas broncas y de conducción y eliminación; es en este sentido como se tratan en este tema.

El efecto de la berma es disminuir la fuerza erosiva del agua que escurre por los taludes de un terraplén o un corte o por el terreno natural superficialmente. Estos elementos encauzan convenientemente al agua colectada si se les da una pendiente apropiada hacia lavaderos, bajadas o estructuras análogas; de no ser así, el agua provoca erosión o infiltración en los taludes por arrastres, generando problemas en las cunetas y efectos adversos sobre la estabilidad general.

IV.1.11. BORDILLOS

Son estructuras que se colocan en el lado exterior del acotamiento en las secciones en tangente, en el borde opuesto al corte en las secciones en balcón o en la parte interior de las secciones de terraplén en curva. Son pequeños bordos que forman una barrera para conducir el agua hacia los lavaderos y bajadas, evitando erosiones en los taludes y saturación de éstos por el agua que cae sobre la corona del camino. General mente los bordillos son de sección trapecial, de concreto asfáltico o hidráulico.

IV.1.12. VEGETACIÓN

Una de las más efectivas protecciones de los taludes de un corte o un terraplén o del terreno natural contra la acción erosiva del agua superficial es la plantación de especies vegetales; éstas retardan el escurrimiento, disminuyendo la velocidad del agua y contribuyen a fomentar una condición de equilibrio en los suelos en cuanto contenido de agua.

Siempre que la vegetación exista, el ingeniero deberá respetarla. La deforestación sistemática, el deshierbe o el desenraice excesivos en la zona de derecho de vía o en la zona de influencia de una vía terrestre deben verse como mala práctica de ingeniería.

Los esfuerzos deberán tender a fomentar la protección de la vegetación. Cuando ésta no existe, su plantación puede contribuir a proteger muy eficazmente la vía. Como ya se ha indicado, la plantación de especies vegetales debe realizarse por especialistas, que utilicen variedades apropiadas de la región, cuyo crecimiento pueda ocurrir con los mínimos cuidados iniciales.

En los taludes son especialmente útiles especies trepadoras o pastos tupidos, en tanto que para las barreras protectoras en el terreno natural suelen dar mejor resultado los arbustos. Éstas obras interaccionan con el medio.

ESTRUCTURA DE DRENAJE SUPERFICIAL


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IV.2. DRENAJE DE AGUAS SUBTERRÁNEAS

Cuando las carreteras se localizan en terrenos con napa freática alta respecto de la sub-rasante proyectada del camino, sea por existir depósito natural de aguas cercanas o por corrientes subterráneas de agua; en tales casos será necesario diseñar un sistema de drenaje para deprimir el nivel de la napa freática existente con la finalidad de evitar que el agua afecte la estabilidad de las explanaciones y de la plataforma del camino.


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El sistema de drenaje subterráneo puede diseñarse utilizando drenes “tipo francés” a colocarse fuera de la plataforma del camino o sub-drenes a localizarse en el interior de los terraplenes del camino. La figura que se ilustra sobre las características y localización de este sistema de drenaje subterráneo.

El Manual de Hidrología, Hidráulica y Drenaje del MTC, contiene el desarrollo detallado de conceptos y parámetros para el diseño del sistema de drenaje para las situaciones que pueden presentarse en un proyecto vial, el mismo que deberá ser utilizado para diseñar el sistema de drenaje.

ESTRUCTURAS DE DRENAJE SUBTERRÁNEO

Desarrollaremos los conceptos de los componentes que conforman la estructura de sub-drenaje.

IV.2.1. SUB-DRENAJE: el estudio de sub-drenaje demanda mucha experiencia dado que las condiciones freáticas son dinámicas y esto varía según la estación.

IV.2.2. CAJAS DE REGISTRO Y BUZONES: en los drenes longitudinales se recomienda usar cada cierta distancia, cajas de registro o buzones de registro que permitan el buen funcionamiento del sub-drenaje.

IV.2.3. PROTECCIÓN DEL SUELO DE LA EXPLANACIÓN CONTRA EL AGUA LIBRE EN TERRENO DE ELEVADO NIVEL FREÁTICO, LLANO Y SIN DESAGÜE: cuando la carretera esta con un alto nivel freático las soluciones serian utilizar zanjas laterales, drenes enterrados, o se elevara en nivel de la rasante.

IV.2.4. DRENES DE PENETRACIÓN

Un dren horizontal o subdren de penetración consiste en una tubería perforada colocada a través de una masa de suelo, mediante una perforación profunda subhorizontal (ligeramente inclinada), con la cual se busca abatir el nivel freático hasta un nivel que incremente la estabilidad del talud.

La principal ventaja de los drenes horizontales es que son rápidos y simples de instalar logrando incrementar el factor de seguridad del talud en muy poco tiempo.


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IV.2.5. DRENAJE DEL PAVIMENTO

Salvo en el caso de carreteras en terrenos permeables, el drenaje de la capa permeable constituida por la sub-base y/o base, puede proyectarse tanto mediante drenes enterrados como prolongando la capa permeable hasta los taludes de los terraplenes con descarga hacia cunetas o zanjas. Además, deben darse pendientes transversales mínimas a la subrasante.

Las soluciones más recomendadas para evitar la acumulación del agua son:

a) Colocación en el sector, bajo el pavimento, una capa drenante que siga la pendiente lateral de la carretera, que se prolonga hasta un lugar con drenaje natural.

b) Colocación de un subdrén, bajo la berma adyacente a la cuneta, con una tubería perforada de plástico pesada a una profundidad adecuada y que esté de acuerdo al diseño, que recoja el agua que filtra y la lleve al lugar de drenaje natural


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IV.2.6. PROTECCIÓN DEL SUELO DE EXPLANACIÓN SITUADO BAJO LA CALZADA CONTRA LOS MOVIMIENTOS CAPILARES DEL AGUA

Las diferencias de humedad en el suelo bajo la calzada y bajo las bermas facilitan los movimientos capilares y, al aumentar el contenido de humedad del suelo de la subrasante bajo la calzada, disminuyen su capacidad resistente.

Para evitar esta disminución, las figuraciones del suelo y los asientos diferenciales que con dicho aumento de humedad pueden producirse, deben utilizarse alguna de las siguientes técnicas:

Colocación de capas drenantes sobre la subrasante para romper el ascenso capilar. Impermeabilizar las calzadas y las bermas. Establecer una membrana impermeable que impida el movimiento del agua capilar,

situándola en un plano más o menos vertical bajo los bordes de la calzada. Construir zanjas anticapilares bajo los bordes de la calzada.

V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Las obras de drenaje en proyectos carreteros, han sido necesarias para la preservación en primera instancia de las carreteras, sirviendo para controlar la erosión, estabilización de taludes y como protección de la estructura del pavimento.

Las estructuras de subdrenaje son de suma importancia pues los caminos se construyen en el terreno interceptando el sistema de drenaje. Un correcto diseño de éstas, buscará permitir el libre escurrimiento aún en caso de tormentas de gran intensidad.


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El mantenimiento de dichas obras no es solo responsabilidad de los gobiernos locales, nosotros somos los usuarios de ellas, somos los que nos beneficiamos gracias a ella, es por esta razón que debemos mantenerlas limpias y en condiciones optimas de uso.

VI. ANEXOS.

VI.1. ENSAYO DE LABORATORIO

El ensayo que hemos de considerar para realizar una red de drenaje dentro de la estructura de un pavimento es, el ensayo de permeabilidad.

VI.2. ENSAYO DE PERMEABILIDAD


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VI.2.1. CONCEPTO DE PERMEABILIDAD.

Definimos permeabilidad como la capacidad de un suelo para permitir el paso del agua sin que dicho tránsito altere la estructura interna del cuerpo. Dicha propiedad se determina objetivamente mediante la imposición de un gradiente hidráulico en una sección del cuerpo.

La permeabilidad se cuantifica en base al coeficiente de permeabilidad, definido como la velocidad de traslación del agua en el seno del terreno y para un gradiente unitario. El coeficiente de permeabilidad puede ser expresado según la siguiente función:

k = Q / I A

Dónde:

k: Coeficiente de permeabilidad o conductividad hidráulica [m/s] Q: Caudal [m3/s] I: Gradiente [m/m] A: Sección [m2)]

GRAFICO DEL CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DE PERMEABILIDAD

En proyectos de ingeniería, las unidades con las que se expresa generalmente el coeficiente de permeabilidad son cm/s.

Son diversos los factores que determinan la permeabilidad del suelo, entre los cuales, los más significativos son los siguientes:

Granulometría, tamaño de grano y distribución granulométrica. Composición química del material naturaleza mineralógica

Como regla general podemos considerar que a menor tamaño de grano, menor permeabilidad, y para una granulometría semejante como arenas, mayor permeabilidad. En cuanto al quimismo, y para el caso de arcillas y limos, disminuye la permeabilidad.

VALORES ORIENTATIVOS DEL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD FILTRACIÓN Y DRENAJE – GEOTECNIA APLICADA 2015

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k: Coeficiente de permeabilidad

VI.3. CAUDAL POR ABATIMIENTO DEL NIVEL FREÁTICO

El caudal generado por el abatimiento del nivel de agua subterránea, en lugares donde el nivel freático alcance una altura tal, que supere el nivel de subrasante afectando la estructura del pavimento.

Se tiene las siguientes relaciones:

Dónde:

K: Coeficiente de permeabilidad del suelo adyacente.

i: Gradiente hidráulico.

Nd: Cota inferior del subdrén.

Nf: Cota superior del nivel freático.

Ae: Área efectiva para el caso del abatimiento del nivel freático.

B: Para subdrenes longitudinales es el semiancho de la vía y para subdrenes transversales se refiere a la distancia entre subdrenes.

L: Longitud del tramo de drenaje.

qNF: Caudal por abatimiento del nivel freático.

DIMENSIONAMIENTO LA SECCIÓN TRANSVERSAL

Qf = V * i * A

Donde:

Qf: Caudal final

V: Velocidad de flujo, la cual depende de la pendiente longitudinal y del tamaño del agregado usado en el subdren.

i: Gradiente hidráulico que para el caso de subdrenes es = 1


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A: Área de la sección transversal del subdren, normalmente se fija el ancho y se despeja su longitud.

VII. BIBLIOGRAFIA

- [Manual de Hidrologia, Hidraulica y Drenaje MTC]

- [Diseño Geometrico de Carreteras DG 2013]

- [Especificacione Tecnicas Generales EG 2013]

- [José Francisco Peralta Servín tesis: Obras de drenaje en caminos y el impacto que éstas causan en el entorno – 2010]


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