Alcantarilla

Una alcantarilla es una estructura que canaliza el agua sorteando un obstáculo o hacia un curso de agua subterráneo. Generalmente se entierra y queda rodeada de tierra, y puede estar hecha de tubería , hormigón armado u otro material. En el Reino Unido , el término también se utiliza para referirse a un curso de agua enterrado artificialmente de mayor longitud . ^{[ 1 ]}

Las alcantarillas se utilizan comúnmente como desagües transversales para aliviar el drenaje de las cunetas junto a la carretera, y para conducir agua por debajo de la carretera en cruces de drenaje natural y arroyos. Cuando se encuentran bajo las carreteras, suelen estar vacías. Una alcantarilla también puede ser una estructura similar a un puente diseñada para permitir el paso de vehículos o peatones sobre el curso de agua, al tiempo que permite un paso adecuado para el agua. Las alcantarillas secas se utilizan para canalizar una manguera de bomberos por debajo de una barrera acústica, facilitando así la extinción de incendios a lo largo de una carretera sin la necesidad ni el peligro de colocar hidrantes en la propia calzada.

Las alcantarillas vienen en muchos tamaños y formas, incluyendo redondas, elípticas, de fondo plano, de fondo abierto, en forma de pera y de caja. La selección del tipo y la forma de la alcantarilla se basa en varios factores, incluyendo 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 recuperación de cauces . En el Reino Unido, esta práctica también se conoce como descontaminación de cauces. ^{[ 3 ]}

Las alcantarillas pueden construirse con diversos materiales, como hormigón prefabricado o vertido in situ (armado o sin armar), acero galvanizado , aluminio o plástico (generalmente 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 produce alteraciones en el suelo, las riberas o el lecho del arroyo , y puede generar problemas indeseados como socavaduras o deslizamientos de las riberas adyacentes a la estructura de la alcantarilla. ^{[ 2 ] [ 4 ]}

Las alcantarillas deben tener el tamaño y la instalación adecuados, y estar protegidas contra la erosión y la socavación. Muchas agencias estadounidenses ^, 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 ],} requieren que las alcantarillas se diseñen y construyan de acuerdo con las normas y directrices federales, estatales o locales específicas para garantizar su correcto funcionamiento y protegerlas contra fallas.

Las alcantarillas se clasifican según normas que determinan su capacidad de carga, su capacidad de flujo de agua, su vida útil y los requisitos de instalación para el lecho y el relleno. ^{[ 2 ]} La mayoría de los organismos se adhieren a estas normas al diseñar, proyectar y especificar alcantarillas.

Las fallas en las alcantarillas pueden ocurrir por una amplia variedad de razones, incluyendo fallas relacionadas con el mantenimiento, el medio ambiente y 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 de materiales que causan fallas en las alcantarillas debido al colapso o corrosión de los materiales con los que están hechas. ^{[ 7 ]}

Si la falla es repentina y catastrófica, puede provocar lesiones o incluso la muerte. Los derrumbes repentinos de carreteras suelen ser consecuencia de un diseño deficiente de los cruces de alcantarillas o de cambios inesperados en el entorno que provocan que se superen 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 lluvias de intensidad moderada. Los accidentes por falla de alcantarillas también pueden ocurrir si una alcantarilla no tiene el tamaño adecuado y una inundación la desborda o daña la carretera o la vía férrea que pasa por encima.

El funcionamiento continuo de las alcantarillas sin fallas depende de un diseño adecuado y de consideraciones de ingeniería que tengan en cuenta 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 inadecuado alrededor de las alcantarillas puede provocar el colapso o la falla del material debido a un soporte de carga insuficiente. ^{[ 7 ] [ 2 ]}

Para alcantarillas existentes que han sufrido degradación, pérdida de integridad estructural o que necesitan cumplir con nuevos códigos o estándares, la rehabilitación mediante un revestimiento de tubería puede ser preferible a la sustitución. El dimensionamiento de un revestimiento de alcantarilla utiliza los mismos criterios de diseño de flujo hidráulico que el de una alcantarilla nueva; sin embargo, dado que el revestimiento se inserta en una alcantarilla existente o tubería principal, la instalación requiere el relleno del espacio anular entre la tubería principal y la superficie del revestimiento (generalmente con una lechada de baja resistencia a la compresión ) para prevenir o reducir las filtraciones y la migración del suelo. El relleno también sirve para establecer una conexión estructural entre el revestimiento, la tubería principal y el suelo. Dependiendo del tamaño y el espacio anular a rellenar, así como de la elevación de la tubería entre la entrada y la salida, puede ser necesario añadir la lechada en varias etapas o capas. Si se requieren múltiples capas, entonces se necesita un plan de inyección que defina la ubicación de los tubos de alimentación de lechada, los tubos de aire, el tipo de lechada a utilizar 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 original, 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 del 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 la reducción de la resistencia superficial al flujo. Ejemplos de materiales de tubería con altos factores C son el polietileno de alta densidad (150) y el cloruro de polivinilo (140). ^{[ 8 ]}

Los cruces de arroyos seguros y estables permiten el desarrollo de la vida silvestre y protegen la salud del arroyo, a la vez 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 por erosión y socavación, además de restringir el movimiento de los organismos acuáticos entre los hábitats aguas arriba y aguas abajo. Los peces son víctimas frecuentes de la pérdida de hábitat debido a las estructuras de cruce mal diseñadas.

Las alcantarillas que permiten el paso adecuado de organismos acuáticos reducen los obstáculos al movimiento de peces, fauna silvestre y otros organismos acuáticos que requieren el paso por el cauce. Las alcantarillas mal diseñadas también son más propensas a obstruirse con sedimentos y escombros durante lluvias de intensidad media a fuerte. Si la alcantarilla no puede evacuar el caudal del arroyo, el agua puede desbordar el terraplén de la carretera. Esto puede provocar una erosión significativa, llegando incluso a destruir la alcantarilla. El material del terraplén arrastrado puede obstruir otras estructuras aguas abajo, provocando también su colapso. Además, puede dañar cultivos y propiedades. Una estructura del tamaño adecuado y un revestimiento sólido de la ribera pueden ayudar a mitigar esta presión.

La sustitución de alcantarillas es una práctica común en la restauración de arroyos. Entre los beneficios a largo plazo de esta práctica se incluyen la reducción del riesgo de fallas catastróficas y la mejora del paso de los peces. Si se siguen las mejores prácticas de gestión, los impactos a corto plazo en la biología acuática son mínimos. ^{[ 9 ]}

Paso de peces

Si bien la capacidad de descarga de la alcantarilla se deriva de consideraciones hidrológicas e hidráulicas, ^{[ 10 ]} esto suele generar altas velocidades en el conducto, 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 conducto, en particular su longitud, forma de la sección transversal y pendiente de la solera. La respuesta conductual de las especies de peces a las dimensiones de la alcantarilla, las condiciones de luz y la turbulencia del flujo puede influir en su capacidad de natación y tasa de paso por la alcantarilla. No existe un método técnico sencillo 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 de 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 en alcantarillas se centra principalmente en especies de peces de natación rápida, pero algunos estudios han defendido mejores directrices para peces de cuerpo pequeño, incluidos los juveniles. ^{[ 16 ]} Finalmente, una sólida comprensión de la tipología de la turbulencia es un requisito básico para cualquier diseño exitoso de estructura hidráulica que propicie el paso de peces aguas arriba. ^{[ 20 ]}

En las llanuras costeras de Queensland , Australia, las lluvias torrenciales durante la temporada de lluvias exigen mucho a las alcantarillas. La pendiente natural de las llanuras aluviales suele ser muy pequeña, y la caída de agua (o pérdida de carga ) en las alcantarillas es mínima. Los investigadores desarrollaron y patentaron un procedimiento de diseño para alcantarillas de mínima pérdida de energía que generan un pequeño caudal. ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]}

Una alcantarilla o canal 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 hacia el interior del conducto, donde el ancho del canal es mínimo, y luego se expande en una salida aerodinámica antes de ser finalmente liberado en el canal natural aguas abajo. Tanto la entrada como la salida deben ser aerodinámicas para evitar pérdidas de forma significativas. La base del conducto suele rebajarse para aumentar la capacidad de descarga.

El concepto de alcantarillas de mínima pérdida de energía fue desarrollado por un ingeniero municipal de Victoria y un profesor de la Universidad de Queensland a finales de la década de 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.

• Puente : Estructura construida para salvar obstáculos físicos. 
• Puente de losas : puente formado por grandes losas planas de piedra. 
• Gato de la alcantarilla : un puma que recibió ese apodo por su habilidad para usar una alcantarilla para cruzar una autopista.
• Drenaje pluvial : infraestructura para drenar el exceso de agua de lluvia y agua subterránea de superficies impermeables. 
• Escalera para peces : Estructura que permite a los peces migrar río arriba sorteando las barreras. 
• Tramo con poca agua : la carretera solo es transitable con niveles de agua bajos. 
• Alcantarillado sanitario : tubería subterránea para el transporte de aguas residuales. 
• Sough – Canal subterráneo para el drenaje del agua 
• Río subterráneo : río que corre total o parcialmente bajo la superficie terrestre. 

• Diccionario Oxford de inglés , ISBN 0-19-861212-5
• Diseño de alcantarillas para el paso de organismos acuáticos . Departamento de Transporte de los Estados Unidos, Administración Federal de Carreteras.

• Impacto de las alcantarillas en el salmón
• Hoja informativa sobre alcantarillas
• Herramienta de análisis de alcantarillas
• Estudio sobre la erosión de alcantarillas sin fondo
• Alcantarillas para el paso de peces. Archivado el 25 de julio de 2010 en Wayback Machine.
• Hidráulica de mínima pérdida de energía (MEL)
• Circular de ingeniería hidráulica
• Uso, instalación y dimensionamiento de alcantarillas. Archivado el 11 de agosto de 2017 en Wayback Machine.
• Directrices de diseño para alcantarillas
• Paso de peces aguas arriba en alcantarillas de cajón