Una alcantarilla es una estructura que canaliza el agua pasando por un obstáculo o hacia un canal subterráneo. Normalmente, está empotrada de modo que esté 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 designar un curso de agua más largo enterrado artificialmente . [1]
Las alcantarillas se utilizan comúnmente como drenajes transversales para aliviar el drenaje de las zanjas al costado de la carretera y para pasar el agua por debajo de una carretera en el drenaje natural y los cruces de arroyos. Cuando se encuentran debajo de las carreteras, con frecuencia 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 un paso adecuado para el agua. Las alcantarillas secas se utilizan para canalizar una manguera contra incendios debajo de una barrera acústica para facilitar la lucha contra 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 las redondas, elípticas, de fondo plano, de fondo abierto, en forma de pera y con forma de caja. La selección del tipo y la forma de la alcantarilla se basa en una serie de factores, incluidos los requisitos de rendimiento hidráulico, las limitaciones en la elevación de la superficie del agua aguas arriba y la altura del terraplén de la calzada. [2]
El proceso de retirar alcantarillas para restaurar un curso de agua al aire libre se conoce como "luz natural" . En el Reino Unido, la práctica también se conoce como "desalcantarillado". [3]
Las alcantarillas se pueden construir con una variedad de materiales, entre ellos hormigón prefabricado o colado en el lugar (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 cimientos de hormigón.
La construcción o instalación en un sitio de alcantarilla generalmente da como resultado la perturbación del suelo del sitio, las orillas del arroyo o el lecho del arroyo , y puede dar lugar a la aparición de problemas no deseados, como pozos de erosión o hundimiento de las orillas adyacentes a la estructura de la alcantarilla. [2] [4]
Las alcantarillas deben tener el tamaño y la instalación adecuados, y deben protegerse de la erosión y la erosión. Muchas agencias de los EE. UU., como la Administración Federal de Carreteras , la Oficina de Administración de Tierras [5] y la Agencia de Protección Ambiental [6] , así como las autoridades estatales o locales [4] , exigen que las alcantarillas estén diseñadas y fabricadas para cumplir con las regulaciones y pautas federales, estatales o locales específicas para garantizar un funcionamiento adecuado y brindar protección contra fallas en las alcantarillas.
Las alcantarillas se clasifican según estándares en función de sus capacidades de carga, capacidades de flujo de agua, vida útil y requisitos de instalación para 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 de 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 de materiales que hacen que las alcantarillas fallen debido al colapso o la corrosión de los materiales de los que están hechas. [7]
Si la falla es repentina y catastrófica, puede provocar lesiones o la muerte. Los derrumbes repentinos de carreteras suelen ser el resultado de lugares de cruce de alcantarillas mal diseñados o mal diseñados o de cambios inesperados en el entorno circundante que hacen que se excedan los parámetros de diseño. El agua que pasa por alcantarillas de tamaño insuficiente erosiona el suelo circundante con el tiempo. Esto puede provocar una falla repentina durante eventos de lluvia de tamaño medio. Los accidentes por falla de alcantarillas también pueden ocurrir si una alcantarilla no ha sido dimensionada adecuadamente y una inundación la desborda o altera la carretera o el ferrocarril que se encuentra sobre ella.
El funcionamiento continuo de las alcantarillas sin fallas depende de que se tengan en cuenta las consideraciones de ingeniería y diseño adecuadas en cuanto a la carga, el flujo hidráulico, el análisis del suelo circundante, la compactación del relleno y la capa de apoyo, y la protección contra la erosión. Un soporte de relleno mal diseñado alrededor de las alcantarillas puede provocar el colapso o la falla del material debido a un soporte de carga inadecuado. [7] [2]
En el caso de las alcantarillas existentes que han sufrido degradación, pérdida de integridad estructural o que necesitan cumplir con nuevos códigos o normas, puede ser preferible la rehabilitación mediante una tubería de revestimiento en lugar del reemplazo. El dimensionamiento de una alcantarilla de revestimiento utiliza los mismos criterios de diseño de flujo hidráulico que el de una alcantarilla nueva; sin embargo, como la alcantarilla de revestimiento está destinada a insertarse en una alcantarilla existente o en una tubería anfitriona, la instalación del revestimiento requiere el relleno del espacio anular entre la tubería anfitriona y la superficie de la tubería de revestimiento (normalmente se utiliza una lechada de baja resistencia a la compresión ) para evitar o reducir la filtración y la migración del suelo. El relleno también sirve como medio para establecer una conexión estructural entre el revestimiento, la tubería anfitriona y el suelo. Según el tamaño y el espacio anular que se va a rellenar, así como la elevación de la tubería entre la entrada y la salida, puede ser necesario agregar lechada en varias etapas o "elevaciones". Si se requieren múltiples elevaciones, se requiere un plan de inyección, que debe definir la ubicación de los tubos de alimentación de la lechada, los tubos de aire, el tipo de lechada que se utilizará y, si se inyecta o bombea lechada, la presión desarrollada requerida para la inyección. Como el diámetro de la tubería de revestimiento será menor que el de la tubería principal, el área de flujo de la sección transversal será menor. Al seleccionar una tubería de revestimiento con una superficie interna muy lisa con un valor aproximado de factor de fricción Hazen-Williams C de entre 140 y 150, se puede compensar la disminución del área de flujo y aumentar potencialmente los caudales hidráulicos mediante una resistencia al flujo superficial reducida. Algunos ejemplos de materiales para tuberías con factores C altos son el polietileno de alta densidad (150) y el cloruro de polivinilo (140). [8]
Los cruces de arroyos seguros y estables pueden dar cabida a la vida silvestre y proteger la salud del arroyo, al tiempo que reducen la costosa erosión y los daños estructurales. Las alcantarillas de tamaño insuficiente y mal ubicadas pueden causar problemas para la calidad del agua y los organismos acuáticos. Las alcantarillas mal diseñadas pueden degradar la calidad del agua a través de la erosión y la erosión, así como restringir el movimiento de los organismos acuáticos entre el hábitat aguas arriba y aguas 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 los peces, la vida silvestre y otras formas de vida acuática que requieren un paso dentro del curso del río. Las alcantarillas mal diseñadas también son más propensas a atascarse con sedimentos y escombros durante eventos de lluvia de mediana a gran escala. Si la alcantarilla no puede pasar el volumen de agua del curso del río, entonces el agua puede desbordar el terraplén de la carretera. Esto puede causar una erosión significativa, que en última instancia arrastrará la alcantarilla. El material del terraplén que se arrastra puede obstruir otras estructuras río abajo, lo que también hace que fallen. También puede dañar los cultivos y la propiedad. Una estructura del tamaño adecuado y un blindaje duro del banco pueden ayudar a aliviar esta presión.
La sustitución de alcantarillas es una práctica muy extendida en la restauración de cursos de agua. Los beneficios a largo plazo de esta práctica incluyen un menor riesgo de fallos catastróficos y un mejor paso de los peces. Si se siguen las mejores prácticas de gestión, los impactos a corto plazo en la biología acuática son mínimos. [9]
Si bien la capacidad de descarga de la alcantarilla se deriva de consideraciones de ingeniería hidrológica e hidráulica, [10] esto a menudo da como resultado grandes velocidades en el barril, lo que crea una posible barrera para el paso de peces. Los parámetros críticos de la alcantarilla en términos de paso de peces son las dimensiones del barril, en particular su longitud, forma de la sección transversal y pendiente de la pendiente. La respuesta conductual de las especies de peces a las dimensiones de la alcantarilla, las condiciones de luz y la turbulencia del flujo pueden desempeñar un papel en su capacidad de natación y la velocidad de paso de la alcantarilla. No existe un medio técnico simple para determinar las características de turbulencia más relevantes para el paso de 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 vorticiales involucran una amplia gama de escalas de longitud y tiempo relevantes. [13] Discusiones recientes enfatizaron el papel del movimiento del flujo secundario , 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 puedan explotarlas. [11] [14] [15] [16] [17] [18] [19]
La literatura actual sobre el paso de peces por alcantarillas se centra principalmente en especies de peces que nadan rápido, pero algunos estudios han abogado por mejores pautas para peces de cuerpo pequeño, incluidos los juveniles. [16] Finalmente, una comprensión sólida de la tipología de la turbulencia es un requisito básico para cualquier diseño exitoso de estructura hidráulica que favorezca el paso de peces río arriba. [20]
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En las llanuras costeras de Queensland , Australia, las lluvias torrenciales durante la estación húmeda suponen una gran demanda de alcantarillas. La pendiente natural de las llanuras de inundación 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 mínima pérdida de energía que producen un pequeño flujo de agua. [21] [22] [23]
Una alcantarilla o canal de agua con pérdida mínima de energía es una estructura diseñada con el concepto de pérdida mínima de carga. El flujo en el canal de acceso se contrae a través de una entrada aerodinámica en el barril donde el ancho del canal es mínimo, y luego se expande en una salida aerodinámica antes de ser liberado finalmente en el canal natural aguas abajo. Tanto la entrada como la salida deben ser aerodinámicas para evitar pérdidas de forma significativas. El fondo del barril a menudo se baja para aumentar la capacidad de descarga.
El concepto de alcantarillas con mínima pérdida de energía fue desarrollado por un ingeniero del condado de Victoria y un profesor de la Universidad de Queensland a fines de la década de 1960. [24] Si bien se diseñaron y construyeron varias estructuras de tamaño pequeño en Victoria, algunas estructuras importantes se diseñaron, probaron y construyeron en el sureste de Queensland.
En el sector forestal , el uso adecuado de alcantarillas de drenaje transversal puede mejorar la calidad del agua y permitir que continúen las operaciones forestales. [ cita requerida ]
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