INTRODUCCIÓN

Si bien el agua es un material importante para la construcción de carreteras, su presencia puede tener un impacto negativo en la vida útil del pavimento. Por lo tanto, es necesario mantenerla alejada o controlar su presencia en la estructura vial, ya que provoca daños en los agregados granulares al infiltrarse en la carpeta de rodadura o por la succión en el caso del agua freática. 

 Imagen 1: Efecto del agua en la adhesión de agregados (Obando, 2017)

• Las precipitaciones son la causa principal del deterioro del pavimento en las carreteras debido a la erosión, a la presión interna y a la oxidación. Esta última provoca especialmente un debilitamiento de la estructura y se produce cuando la humedad del aire se mezcla con el dióxido de azufre y óxido de nitrógeno, los cuales son emitidos por vehículos e industrias que da origen al ácido sulfúrico y ácido nítrico alcanzando un pH de hasta 3. Por eso, es importante conocer los efectos que generan los agentes químicos que la componen. (Obando, 2017)

Para el caso del pavimento rígido, el agua deteriora a la infraestructura construida con caliza y arenisca debido a la reacción que se produce entre el ácido sulfúrico con el carbonato de calcio, al cual da como resultado al sulfato de calcio (Material que es desplazado por la lluvia)

CaCO3 (piedra caliza) + H2SO4 (lluvia ácida) ———-> CaSO4 (yeso) + CO2 + H2O

 

La caliza se convierte en Yeso, el cual es disuelto por el agua con mucha más facilidad. Asimismo, aumenta su volumen, lo que provoca desmoronamiento y disolución de los agregados.

A continuación, se mencionan los efectos negativos más relevantes que provoca la presencia del agua en el pavimento de las carreteras. 

• El concreto asfáltico saturado con agua ácida (lluvia), además de la oxidación que produce, causa un desgaste externo adicional; por lo tanto, los materiales que contengan carbonato en su composición se deteriorarán con el tiempo (Obando, 2017).
• Se produce la disminución del perímetro de los agregados que se encuentran en la superficie debido a la erosión, lo cual puede causar desprendimientos y facilitar la filtración de agua a la matriz asfáltica. Además, el asfalto alrededor pierde su capacidad aglutinante y genera problemas de adherencia (Obando, 2017).
• Las cargas originadas por el paso continuo de vehículos aceleran la intrusión de la lluvia en el pavimento, debido a que generan un efecto corrosivo que desgasta la estructura interna del asfalto y provoca que los poros sean cada vez más grandes.
• Cuando el agua se infiltra en la estructura del pavimento, se acelera el proceso de oxidación que rigidiza al concreto. De esta manera se facilita la desintegración de los agregados, lo cual genera la aparicion de grietas.
• El agua presente en las capas internas del pavimento puede congelarse y aumentar su volumen de tal manera que daña las capas externas del mismo especialmente en zonas donde se produce un descenso considerable de temperatura. 

Adicionalmente, la acumulación de agua sobre la superficie del pavimento ocasiona la pérdida de adherencia entre los neumáticos y la superficie de la vía. Es decir, la rueda patina sobre el agua y pierde contacto con el pavimento. Esta situación es conocida como hidroplaneo o aquaplaning, la cual se acentúa cuando existen velocidades de circulación altas y/o en tramos curvos donde es necesario cambiar de dirección (Structuralia, 2018).

 Imagen 2: Representación del hidroplaneo (Auto Crash, 2018) 

Por lo mencionado anteriormente, con el fin de prevenir accidentes y proteger la estructura del pavimento, se diseñan y construyen mecanismos para la evacuación del agua como las cunetas, drenes, alcantarillas, mecanismos de bombeo de la capa de rodadura, etc. Asimismo, se emplean materiales geotextiles para lograr la evacuación y el control de la humedad. 

Estos elementos estructurales generan accesibilidad hacia caminos por donde el agua fluye; es decir, la conduce y la aleja del trayecto mediante obras de drenaje. Estas tienen como fin encaminar el recorrido del agua dependiendo de su cauce y la disposición geométrica de la vía.

 

TIPOS DE DRENAJES

DRENAJE SUPERFICIAL

Es un sistema que se construye sobre la superficie del terreno. Se emplea para el recojo de aguas pluviales o de deshielo, las cuales son evacuadas o canalizadas a los cauces naturales, al sistema de alcantarillado o a la napa freática del terreno. Asimismo, existen diferentes tipos de elementos que dependen su uso de acuerdo a los siguientes criterios generales.

• Soluciones técnicas posibles 
• Facilidad de obtención de materiales, costo de construcción y mantenimiento
• Daños producidos por los caudales durante el periodo de retorno

Además de los criterios mencionados, se debe de cumplir con las siguientes condiciones:

• En los elementos: la velocidad del agua no debe producir sedimentación ni daños por erosión. 
• Borde libre: el máximo de lámina de agua será tal que se debe de tener un borde libre no menor a 0.1 m.

Este tipo de drenaje está dividido en longitudinal y transversal dependiendo de la posición que guarde con respecto al eje del camino.

 

DRENAJE LONGITUDINAL

Capta los escurrimientos de agua sobre la plataforma y taludes de la explanada en paralelo a la calzada. El objetivo es prever que lleguen al camino o permanezcan sobre él y ocasionen desperfectos. A continuación, se mencionan algunos elementos que lo conforman.

 

• CUNETAS: Son zanjas ubicadas en ambos lados de la carretera o en uno solo, ya sean revestidas o no. El objetivo es captar, conducir y evacuar las aguas superficiales. Se proyectan para todos los tramos ubicados al pie de los taludes de corte y/o en los lugares donde se esperan flujos considerables de agua que pueden interferir con la trazabilidad de la carretera. La sección transversal puede ser triangular, trapezoidal o rectangular; sin embargo, la más usada en campo es triangular. 

 

Imagen 3: Perfil de una cuenca (Victor Ponce, 2018)

 

• CONTRA CUNETAS: Son zanjas o bordos que se localizan aguas arriba de los taludes de corte. La finalidad es interceptar el agua superficial que escurre sobre el terreno natural conduciéndola a la parte baja del terreno para evitar el saturamiento hidráulico, deslave o erosión del corte. Asimismo, pueden ser de tierra, concreto o suelo – cemento.

Imagen 4: Ubicación de una contracuneta en carretera (UANCV, 2015)

 

• BORDILLOS: son elementos que, por efecto de bombeo, permiten discurrir el agua sobre la plataforma de la carretera. Además, la descargan mediante aliviaderos ubicados en sitios adecuados con el objetivo de evitar erosión de taludes. Estos se construyen en terraplenes mayores a 1.5 m de altura y sobresalen de la rodadura 0.15 m. Están diseñadas a base de concreto con varillas de diámetro de ⅜”  espaciadas cada 0,2 m en forma de malla simple.

 

Imagen 5: Bordillo de concreto armado (Victor Ponce, 2018)

  

 

• CUNETAS DE CORONACIÓN: Son zanjas que se construyen en la parte superior de un talud de corte. El objetivo es que el agua que baja por la pendiente natural sea recolectada y conducida por el área de descarga más próxima del sistema de drenaje con el fin de evitar erosión en las zonas de pendientes pronunciadas.

I

magen 6: Zanja de coronación (Victor Ponce, 2018)

• CUNETA DE BANQUETA:  Consisten en la construcción de una o más terrazas sucesivas con el fin de estabilizar un talud y se ubica en el pie de cada banqueta. Su sección puede ser  triangular, rectangular o trapezoidal de acuerdo al caudal que se transportará. Además, su descarga se efectúa hacia un curso natural o mediante caídas escalonadas hacia las cunetas. 

Imagen 7: Detalle típico de una serie de cunetas de banqueta (Victor Ponce, 2018)

 

DRENAJE TRANSVERSAL

Es una estructura que permite que el agua cruce el camino o bien se retire lo más pronto posible de la corona. A continuación, se mencionan algunos elementos que lo conforman.

 

• TUBOS: Son alcantarillas de sección circular y que necesita un espesor de terraplén o un colchón mínimo de 0.6 m para un mejor funcionamiento. Asimismo, se construyen de concreto reforzado o lamina ondulada.
• CAJONES: Son estructuras rectangulares que incluyen paredes, techos y piso de concreto reforzado con sección delgada y de poco peso. Además, trabajan con un marco rígido que absorbe el peso y empuje del terreno, la carga viva y la reacción del terreno. 
• BÓVEDAS: Su estructura está conformada por el piso, dos paredes verticales, caras interiores de los estribos, y un arco circular. Por otro lado, su construcción es de mampostería de tercera y mortero de cemento 1:5.
• LAVADEROS: Sirven como conductor de descarga con el fin de no causar daño a la estructura. Estos pueden ser de mampostería, concreto hidráulico o metálicos. Se construyen sobre el talud y a ambos lados de los terraplenes en tangente cada 50 m. 
• VADOS: Son estructuras que se construyen en zonas donde el cauce cruza transversalmente la carretera. Permiten el acceso del agua de forma natural sobre la superficie de rodamiento de tal manera que no afecte la circulación de los vehículos. Según su caudal se dividen en dos.
  • MONOLITOS: Son los que se encuentran al nivel del cauce cuando el arroyo tiene escurrimientos en temporada de lluvias,  lo que produce tirantes de hasta 40 cm.
  • PUENTE VADOS: Son estructuras similares a tubos o cajones de concreto hidráulico. Funcionan como alcantarillas que conservan seca la superficie de rodamiento.

• PUENTES: Permite a los vehículos y a las personas cruzar ríos o arroyos con claros mayores a 10 m. Asimismo, consisten en apoyos en los extremos o estribo; y apoyos intermedios o pilas.

 

Imagen 8: Puente que cruza un río (Mechanics IIUNAM, S. 2020)

 

DRENAJE SUBTERRÁNEO

El drenaje subsuperficial o subdrenaje tiene por objetivo limitar el agua subterránea y controlar el nivel freático en la zona con el objetivo de evitar que se originen daños en las carreteras como baches, grietas, deslizamientos e inestabilidad en el material, entre otros. 

Imagen 9. Disposición General de drenes subterráneos (MTC, 2008)

El sistema de drenaje se conforma por diversos elementos que desvían las corrientes de agua y la evacuan en caso se infiltre bajo la superficie. Entre ellos, existen algunos esenciales y otros específicos para ciertos trabajos.

 

DRENES LONGITUDINALES

El drenaje subterráneo está principalmente constituido por zanjas drenantes ubicadas normalmente bajo cunetas revestidas en los bordes de la carretera. Asimismo, estas se proyectan longitudinalmente para proteger el afirmado de la infiltración horizontal, para evacuar el agua que se infiltra verticalmente y para rebajar los niveles freáticos de la zona.

Sin embargo, existen otros sistemas que sirven de complemento en determinadas obras tales como los drenes californianos, los drenes interceptores transversales, el drenaje en espina de pez, entre otros. Estos se utilizan para complementar e incrementar la eficiencia de elementos de drenaje profundo como las galerías; y para poder interceptar el agua que los drenes longitudinales no consiguen captar en las carreteras en pendiente. 

Imagen 10. Sección básica de un subdren(MTC, 2008)

Como se observa en la imagen 10, las zanjas se encuentran rellenas de material drenante compactado y aisladas de las aguas superficiales por capas impermeables que cierran la parte superior. Además, disponen de una tubería drenante en el fondo.

Funcionan de tal manera que el agua ingresa por las paredes laterales, las cuales deben encontrarse de manera vertical o ligeramente inclinadas; luego, se infiltra por el material permeable hasta llegar a la base de la zanja; y finalmente, se escurre por el fondo o por la tubería. A continuación, se presentan los componentes que se requieren en su diseño.

• TUBERÍA DRENANTE: Se trata de un tubo diseñado por materiales de alta calidad, el cual deberá disponer de juntas o perforaciones que permitan el paso del agua a través de este. En caso de utilizarse concreto poroso, lo anterior mencionado no será necesario, ya que el agua ingresará directamente al interior a través de sus paredes. 
• MATERIAL FILTRO: Para evitar la colmatación de los materiales drenantes existen ocasiones en las cuales es necesario el empleo de geotextiles u otros filtros intermedios.
• RELLENO DE ZANJAS: Si el terreno natural donde se ubicará la zanja es impermeable, será necesario añadir algunas modificaciones para evitar la acumulación de agua bajo la tubería. Una solución sencilla es colocar una capa de material compactado alrededor del tubo sin que esta alcance el nivel de las perforaciones.
• CAJAS DE REGISTRO: Se ubican en intervalos a lo largo del dren y en cada cambio de dirección de la tubería. Sirven para poder controlar y evacuar el agua recogida a un colector principal o a una cuneta. 
• COLECTORES: Son tuberías que se encargan de evacuar el agua recolectada por los elementos de drenaje desde las cajas de registro. Sin embargo, aunque se encuentran enterradas y conectadas a ellas, no pertenecen únicamente al sistema de drenaje subterráneo ya que también suelen recibir agua del drenaje superficial. 

 

• DRENAJE DEL PAVIMENTO

Si el terreno natural donde se asentará la carretera es impermeable, se formarán acumulaciones y estancamientos de agua bajo el pavimento. Por ello, en estos casos es necesario implementar otros elementos que contribuyan con el drenaje.

Imagen 11. Drenaje del pavimento (MTC, 2008)

• CAPAS DRENANTES: Es una capa de materiales drenantes que reemplaza en la subrasante al terreno natural. Esta sigue la pendiente lateral de la carretera y se prolonga hasta un drenaje natural o hasta un subdren colocado bajo la berma. 
• MANTES DRENANTES: Son capas formadas de materiales drenantes como bloques, materiales granulares o geocompuestos, los cuales se colocan en ciertas zonas donde se requiere recoger las surgencias de agua procedentes del terreno natural y del pavimento. Además, pueden ser utilizados para interrumpir en los procesos de ascensión capilar, debido a que se encuentran constituidos con poros de mayor tamaño que los que permiten dicha elevación. 

DRENAJE PROFUNDO

En zonas de alta presión de agua o con un nivel freático elevado, es necesario emplear elementos más complicados que contrarresten estos factores. Estos elementos no suelen encontrarse en la mayoría de obras ya que para su implementación requieren un alto conocimiento de la estructura geológica y del comportamiento hidrogeológico de la zona.

 

Imagen 12. Galería drenante (MTC, 2008)

• GALERÍAS DE DRENAJE:  Son excavaciones horizontales ubicadas por debajo de la napa freática de la zona. Están destinadas a captar el agua subterránea y desplazarla hasta un determinado punto. Además, el material permeable de sus paredes depende del tipo de terreno y están diseñadas como tuberías drenantes, pero con un área transversal que permita el desplazamiento de equipos de mantenimiento y de los trabajadores.
• POZOS: Son perforaciones verticales que se utilizan para rebajar el nivel freático mediante bombeo o desagüe por gravedad. Se colocan de manera provisional o permanente en zonas donde se interponen entre el flujo del agua y el elemento a proteger.

IMPORTANCIA

A modo de cierre, se consolida que la principal función del drenaje en carreteras es la evacuación del agua procedente de precipitaciones que caen sobre el pavimento de la vía y en las zonas adyacentes a esta. Asimismo, con un adecuado sistema de drenaje, se mantiene la superficie de rodadura libre de encharcamientos y se evita el aquaplaning. Logrando con ello, obtener condiciones óptimas de seguridad y confortabilidad para la circulación de los vehículos. (Auto Crash, 2018)

Por consiguiente, se pueden resaltar las siguientes afirmaciones con relación a la importancia del drenaje en carreteras.

• Un adecuado drenaje disminuye la infiltración del agua en los poros del asfalto, lo cual previene la oxidación y evita que el líquido pueda congelarse en la estructura interna del pavimento.
• Se impide la sedimentación de elementos, los cuales pueden proceder de desmontes transportados por la lluvia o por la acción de la gravedad. 
• Se garantiza una mayor durabilidad de la construcción al prevenir el deterioro de la superficie del pavimento por la acción erosiva que genera el agua.
• Se evita la formación prematura de huecos y/o grietas en la superficie por la fatiga debido a los ciclos de circulación de los vehículos.
• La importancia del drenaje subterráneo radica en asegurar la estabilidad del terreno sobre el cual se extiende el pavimento, lo cual evita las deformaciones del mismo.

 

BIBLIOGRAFÍA 

CESVI. (2018). Conducir bajo la lluvia aumenta el riesgo en las vías. Revista Auto Crash. https://www.revistaautocrash.com/conducir-la-lluvia-aumenta-riesgo-las-vias/

UPTC. (2012). Obras de drenaje para carreteras. https://es.slideshare.net/manuelgerman35/obras-de-drenaje-para-carreteras-15330964

Structuralia S.A. (2018).  La importancia del drenaje longitudinal en carreteras. Structuralia Blog. https://blog.structuralia.com/la-importancia-del-drenaje-longitudinal-carreteras

Soil Mechanics II UNAM. (2020). Sistemas de drenaje en obras carreteras. https://sites.google.com/site/soilmechanicsiiunam/mejoramiento-de-suelos

MTC. (2008). Manual de diseño de carreteras de bajo volumen de tránsito. http://www.sutran.gob.pe/wp-content/uploads/2015/08/manualdedisenodecarreterasnopavimentadasdebajovolumendetransito.pdf 

Obando, C. (2017). Influencia del agua en el desempeño de los pavimentos : lluvia ácida. Investigación e Innovación en Ingenierías, vol. 5, n°. 2, pp. 190–207. http://revistas.unisimon.edu.co/index.php/innovacioning/article/view/2761/3112

Sánchez Sabogal, F. (2016). Consideraciones sobre drenaje en los pavimentos. https://es.slideshare.net/castilloaroni/mdulo-5-consideraciones-sobre-drenaje-en-los-pavimentos-fernando-snchez-sabogal

Suárez Días, J. (2011). Subdrenaje de pavimentos. UISV. https://studylib.es/doc/7945438/drenaje-y-subdrenajes-de-pavimentos 

UANCV. (2015). Drenaje en Carreteras. https://es.slideshare.net/ALBERTOMAMANI6/drenaje-en-carreteras

Ponce, Victor M. (2015). Drenaje de carreteras. http://ponce.sdsu.edu/drenaje_de_carreteras_c.html