Una alcantarilla es una estructura que canaliza el agua a través de un obstáculo o hacia un canal subterráneo. Por lo general, una alcantarilla está empotrada para estar rodeada de tierra y puede estar hecha de una tubería , hormigón armado u otro material. En el Reino Unido , la palabra también se puede utilizar para un curso de agua más largo enterrado artificialmente . [1]
Las alcantarillas se utilizan comúnmente como drenajes transversales para aliviar el drenaje de zanjas al borde de la carretera y para pasar agua por debajo de una carretera en drenajes naturales y cruces de arroyos. Cuando se encuentran debajo de las carreteras, frecuentemente están vacías. Una alcantarilla también puede ser una estructura similar a un puente diseñada para permitir que el tráfico de vehículos o peatones cruce la vía fluvial y al mismo tiempo permita el paso adecuado del agua. Las alcantarillas secas se utilizan para canalizar una manguera contra incendios debajo de una barrera acústica para facilitar la extinción de incendios a lo largo de una carretera sin la necesidad o el peligro de colocar hidrantes a lo largo de la propia carretera.
Las alcantarillas vienen en muchos tamaños y formas, incluidas construcciones redondas, elípticas, de fondo plano, de fondo abierto, en forma de pera y en forma de caja. La selección del tipo y la forma de la alcantarilla se basa en una serie de factores que incluyen los requisitos de rendimiento hidráulico, las limitaciones en la elevación de la superficie del agua aguas arriba y la altura del terraplén de la carretera. [2]
El proceso de retirar alcantarillas para restaurar un curso de agua al aire libre se conoce como iluminación natural . En el Reino Unido, la práctica también se conoce como deculverting. [3]
Las alcantarillas se pueden construir con una variedad de materiales, incluido hormigón prefabricado o moldeado in situ (reforzado o no reforzado), acero galvanizado , aluminio o plástico (normalmente polietileno de alta densidad ). Se pueden combinar dos o más materiales para formar estructuras compuestas . Por ejemplo, las estructuras de acero corrugado de fondo abierto suelen construirse sobre zapatas de hormigón.
La construcción o instalación en un sitio de alcantarilla generalmente resulta en la alteración del suelo del sitio, las orillas o el lecho del arroyo , y puede resultar en la aparición de problemas no deseados tales como agujeros de socavación o hundimiento de los bancos adyacentes a la estructura de la alcantarilla. [2] [4]
Las alcantarillas deben tener el tamaño e instalación adecuados y protegerse de la erosión y la socavación. Muchas agencias estadounidenses, como la Administración Federal de Carreteras , la Oficina de Gestión de Tierras , [5] y la Agencia de Protección Ambiental , [6] así como las autoridades estatales o locales, [4] exigen que las alcantarillas se diseñen y construyan para cumplir con requisitos federales y estatales específicos. , o regulaciones y pautas locales para garantizar el funcionamiento adecuado y proteger contra fallas de la alcantarilla.
Las alcantarillas se clasifican según estándares según su capacidad de carga, capacidad de flujo de agua, vida útil y requisitos de instalación de lecho y relleno. [2] La mayoría de las agencias se adhieren a estos estándares al diseñar, diseñar y especificar alcantarillas.
Las fallas de las alcantarillas pueden ocurrir por una amplia variedad de razones, incluidas fallas de mantenimiento, ambientales y relacionadas con la instalación, fallas funcionales o de proceso relacionadas con la capacidad y el volumen que causan la erosión del suelo alrededor o debajo de ellas, y fallas estructurales o materiales que causan que las alcantarillas se desplomen. fallan por colapso o corrosión de los materiales con los que están fabricados. [7]
Si la falla es repentina y catastrófica, puede provocar lesiones o la muerte. Los colapsos repentinos de carreteras son a menudo el resultado de sitios de cruce de alcantarillas mal diseñados o cambios inesperados en el entorno circundante que hacen que se excedan los parámetros de diseño. El agua que pasa a través de alcantarillas de tamaño insuficiente limpiará el suelo circundante con el tiempo. Esto puede provocar una falla repentina durante eventos de lluvia de tamaño mediano. Los accidentes por fallas de alcantarillas también pueden ocurrir si una alcantarilla no ha sido del tamaño adecuado y una inundación la abruma o interrumpe la carretera o vía férrea sobre ella.
El funcionamiento continuo de la alcantarilla sin fallas depende del diseño adecuado y de las consideraciones de ingeniería que se dan a la carga, el flujo hidráulico, el análisis del suelo circundante, el relleno y la compactación del lecho y la protección contra la erosión. Un soporte de relleno mal diseñado alrededor de las alcantarillas puede provocar el colapso o falla del material debido a un soporte de carga inadecuado. [7] [2]
Para las alcantarillas existentes que han experimentado degradación, pérdida de integridad estructural o que necesitan cumplir con nuevos códigos o normas, puede ser preferible la rehabilitación utilizando una tubería de revestimiento en lugar del reemplazo. El dimensionamiento de una alcantarilla de nuevo revestimiento utiliza los mismos criterios de diseño de flujo hidráulico que el de una alcantarilla nueva; sin embargo, como la alcantarilla de nuevo revestimiento está destinada a insertarse en una alcantarilla o tubería principal existente, la instalación de nuevo revestimiento requiere el relleno del espacio anular entre la tubería principal y la superficie de la tubería de revestimiento (generalmente usando una lechada de baja resistencia a la compresión ) para prevenir o reducir la filtración y la migración del suelo. La lechada también sirve como medio para establecer una conexión estructural entre el revestimiento, la tubería principal y el suelo. Dependiendo del tamaño y el espacio anular a llenar, así como de la elevación de la tubería entre la entrada y la salida, puede ser necesario agregar lechada en múltiples etapas o "elevaciones". Si se requieren múltiples elevaciones, entonces se requiere un plan de inyección, que debe definir la ubicación de los tubos de alimentación de lechada, los tubos de aire, el tipo de lechada que se utilizará y, si se inyecta o bombea lechada, entonces la presión desarrollada requerida para la inyección. Como el diámetro de la tubería de revestimiento será más pequeño que el de la tubería principal, el área de flujo de la sección transversal será más pequeña. Al seleccionar una tubería de revestimiento con una superficie interna muy lisa con un valor aproximado del factor de fricción C Hazen-Williams de entre 140 y 150, se puede compensar la disminución del área de flujo y aumentar potencialmente los caudales hidráulicos mediante una menor resistencia al flujo superficial. Ejemplos de materiales de tuberías con factores C elevados son el polietileno de alta densidad (150) y el cloruro de polivinilo (140). [8]
Los cruces de arroyos seguros y estables pueden acomodar la vida silvestre y proteger la salud de los arroyos, al tiempo que reducen la costosa erosión y los daños estructurales. Las alcantarillas de tamaño insuficiente y mal ubicadas pueden causar problemas a la calidad del agua y a los organismos acuáticos. Las alcantarillas mal diseñadas pueden degradar la calidad del agua a través de la socavación y la erosión, así como restringir el movimiento de organismos acuáticos entre el hábitat río arriba y río abajo. Los peces son una víctima común de la pérdida de hábitat debido a estructuras de cruce mal diseñadas.
Las alcantarillas que ofrecen un paso adecuado para los organismos acuáticos reducen los impedimentos al movimiento de peces, vida silvestre y otras formas de vida acuática que requieren el paso dentro de la corriente. Las alcantarillas mal diseñadas también son más propensas a obstruirse con sedimentos y escombros durante eventos de lluvia de mediana a gran escala. Si la alcantarilla no puede pasar el volumen de agua del arroyo, entonces el agua puede desbordar el terraplén de la carretera. Esto puede causar una erosión significativa y, en última instancia, lavar la alcantarilla. El material del terraplén que se arrastra puede obstruir otras estructuras aguas abajo, provocando que también fallen. También puede dañar cultivos y propiedades. Una estructura del tamaño adecuado y un blindaje duro pueden ayudar a aliviar esta presión.
El reemplazo estilo alcantarilla es una práctica extendida en la restauración de arroyos. Los beneficios a largo plazo de esta práctica incluyen un riesgo reducido de fallas catastróficas y un mejor paso de los peces. Si se siguen las mejores prácticas de gestión, los impactos a corto plazo sobre la biología acuática son mínimos. [9]
Si bien la capacidad de descarga de la alcantarilla se deriva de consideraciones de ingeniería hidrológica y hidráulica, [10] esto a menudo da como resultado grandes velocidades en el barril, creando una posible barrera para el paso de los peces. Los parámetros críticos de la alcantarilla en términos de paso de peces son las dimensiones del barril, particularmente su longitud, forma de la sección transversal y pendiente invertida. La respuesta conductual de las especies de peces a las dimensiones de las alcantarillas, las condiciones de luz y la turbulencia del flujo puede influir en su capacidad de natación y en la velocidad de paso de las alcantarillas. No existen medios técnicos sencillos para determinar las características de la turbulencia más relevantes para el paso de los peces en las alcantarillas, pero se entiende que la turbulencia del flujo juega un papel clave en el comportamiento de los peces. [11] [12]
Las interacciones entre los peces nadadores y las estructuras vórtices implican una amplia gama de escalas de longitud y tiempo relevantes. [13] Discusiones recientes enfatizaron el papel del movimiento del flujo secundario , las consideraciones de las dimensiones de los peces en relación con el espectro de escalas de turbulencia y el papel beneficioso de las estructuras turbulentas siempre que los peces sean capaces de explotarlas. [11] [14] [15] [16] [17] [18] [19]
La literatura actual sobre el paso de peces en alcantarillas se centra principalmente en especies de peces que nadan rápidamente, pero algunos estudios han abogado por mejores directrices para los peces de cuerpo pequeño, incluidos los juveniles. [16] Finalmente, una comprensión sólida de la tipología de turbulencia es un requisito básico para cualquier diseño exitoso de estructura hidráulica que conduzca al paso de peces río arriba. [20]
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En las llanuras costeras de Queensland , Australia, las lluvias torrenciales durante la estación húmeda imponen una gran demanda de alcantarillas. La pendiente natural de las llanuras aluviales suele ser muy pequeña y se permite poca caída (o pérdida de carga ) en las alcantarillas. Los investigadores desarrollaron y patentaron el procedimiento de diseño de alcantarillas con pérdida mínima de energía que producen un flujo reducido. [21] [22] [23]
Una alcantarilla o vía fluvial de mínima pérdida de energía es una estructura diseñada con el concepto de mínima pérdida de carga. El flujo en el canal de acceso se contrae a través de una entrada aerodinámica dentro del barril donde el ancho del canal es mínimo, y luego se expande en una salida aerodinámica antes de ser finalmente liberado al canal natural aguas abajo. Tanto la entrada como la salida deben ser racionalizadas para evitar pérdidas de forma importantes. La inversión del cañón a menudo se baja para aumentar la capacidad de descarga.
El concepto de alcantarillas con pérdida mínima de energía fue desarrollado por un ingeniero de Victoria y un profesor de la Universidad de Queensland a finales de los años 1960. [24] Si bien se diseñaron y construyeron varias estructuras de pequeño tamaño en Victoria, algunas estructuras importantes se diseñaron, probaron y construyeron en el sureste de Queensland.
En silvicultura , el uso adecuado de alcantarillas de drenaje transversal puede mejorar la calidad del agua y al mismo tiempo permitir que continúen las operaciones forestales. [ cita necesaria ]
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