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DRENAJE DE CARRETERAS - C   [A]   [B]

Victor Miguel Ponce

Febrero 2018


7.  DRENAJE SUPERFICIAL

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7.1  Drenaje longitudinal

El agua que fluye sobre la plataforma de una carretera es aportada ya sea por los taludes superiores adyacentes, o por el escurrimiento local. Este flujo debe ser encauzado de tal manera que no se produzcan daños a la carretera ni se afecte su transitabilidad. En esta sección se detallan los distintos tipos de obras necesarios para captar y eliminar las aguas, asegurando así la estabilidad, durabilidad, y transitabilidad de la carretera.


7.2  Criterios de diseño

Las obras viales se diseñan para durar la vida útil, es decir el tiempo (en años) que debe permanecer la plataforma de la carretera y sus obras accesorias (obras de arte) en servicio y sin falla. Para un determinado caudal de diseño Q, el período de retorno es el tiempo transcurrido entre dos eventos para los cuales este caudal Q es excedido.

La probabilidad de falla de una estructura depende del período de retorno y la vida útil. El riesgo admisible, es decir, la probabilidad de que el caudal de diseño sea excedido por lo menos una vez durante la vida útil, está dado por la siguiente formula (Ponce, 2014):


                          1      n
R = 1 - ( 1  -  _____ )
                         T

(220)

en la cual R = riesgo admisible (en fracción de 1), T = período de retorno (años), y n = vida útil de las obras (años).

Una vez seleccionado el valor del riesgo admisible (probabilidad, usualmente un valor entre 0.01 y 0.99), el período de retorno correspondiente a la vida útil es:


                        1      
T =   ___________________
            [ 1 - (1 - R )1/n ]

(221)

El período de retorno apropiado para el diseño de diversas obras ha sido examinado por Ponce (2010). El siguiente ejemplo muestra el cálculo del período de retorno.

 Ejemplo No. 23.

Calcular el período de retorno T para el diseño de una carretera, dados el riesgo admisible R = 0.2, y la vida útil de la obra n = 25 años.


Solución. Usando la Ec. 221:  T = 112.5 años.

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CÁLCULO EN LÍNEA. Usando el calculador enlinea_periodo_de_retorno, el periodo de retorno es: T = 112.5 ańos.

La velocidad del agua sobre la plataforma de la carretera debe estar comprendida entre límites apropiados; ni muy baja que produzca obstrucciones por la sedimentación de materiales acarreados, y ni muy alta que produzca cualquier tipo de erosión. Con el fin de propiciar la autolimpieza y evitar la erosión, la pendiente transversal debe fijarse en el rango de 0.5% a 2%. La sedimentación excesiva (de grava, arena y limo) debe evitarse mediante un programa adecuado de conservación y mantenimiento.

La Tabla 29 muestra valores de velocidades máximas admisibles de agua para varios tipos de superficie.

Tabla 29  Velocidades máximas admisibles de agua.
Tipo de superficieVelocidad máxima
(m/s)
Arena fina o limo (poca o ninguna arcilla) 0.2 - 0.6
Arena arcillosa dura, margas duras 0.6 - 0.9
Terreno parcialmente cubierto de vegetación 0.6 - 1.2
Arcilla, grava, pizarras blandas con cubierta vegetal 1.2 - 1.5
Hierba 1.2 - 1.8
Conglomerado, pizarras duras, rocas blandas 1.4 - 2.4
Mampostería, rocas duras    3.0 - 4.5 *
Concreto    4.5 - 6.0 *
* Indicado para flujos de muy corta duración.


7.3  Cunetas

Las cunetas son zanjas longitudinales ubicadas a ambos lados de la carretera o, en su defecto, a un solo lado, revestidas o no revestidas, con el objeto de captar, conducir, y evacuar en forma adecuada los flujos de agua superficial.

Las cunetas se proyectan para todos los tramos ubicados al pie de los taludes de corte, y/o en los lugares donde se esperen flujos considerables de agua que puedan interferir con la transitabilidad de la carretera. La sección transversal puede ser triangular, trapezoidal, or rectangular; en la práctica, la cuneta triangular es la más usada. El ancho a se mide desde el borde de la cuneta adyacente a la plataforma, hasta la vertical que pasa por el vértice inferior. La profundidad d se mide verticalmente desde el nivel del borde de la rasante hasta el fondo o vértice de la cuneta triangular (Fig. 115).

El talud interior z1 de una cuneta (z1 H : 1 V) es función de la velocidad y volumen de tráfico de la carretera, como se indica en la Tabla 30 (Ministerio de Transportes y Comunicaciones, Perú). El talud exterior z2 usualmente sigue la inclinación del talud del corte adyacente.

geometria de cuneta

Fig. 115  Seccion típica de una cuneta triangular.

Tabla 30  Valores de diseño del talud interior z1.
Velocidad
vehicular
de diseño
(km/h)
Índice Medio Diario Anual (IMDA)
(Número de vehículos por día)
≤ 750 > 750
≤ 70 2 : 1 * 3 : 1
3 : 1 3 : 1
> 70 3 : 1 4 : 1
* Indicado sólo para casos muy especiales, en los que se requiera una sección de corte reducida, (terrenos escarpados), la que contará con elementos de protección (guardavías).


7.4  Sección transversal de una cuneta

La Sección 3.4.4: Cálculo del flujo uniforme de este manual describe el cálculo en un canal trapezoidal, con pendientes de lado iguales. En el caso de una cuneta típica, con pendientes de lado diferentes, el procedimiento de cálculo se explica a continuación.

Dadas las pendientes de lado z1 y z2 a ambos lados de la cuneta (Fig. 115), se calcula el valor promedio z, es decir:  z = 0.5 (z1 + z2). El cálculo es el mismo que para la Ec. 131, renumerada aquí como Ec. 222.

                                      Q n                                                       Q n    
[ (b  + zy ) y ] 5/2  -  ( ________ ) 3/2 [ 2 y ( 1  +  z 2 )1/2 ]  -  ( ________ ) 3/2 b  =  0
                                    k S 1/2                                                   k S 1/2
(222)

La profundidad y (representada como d en la Fig. 115) se calcula utilizando la Ec. 222 con los siguientes datos: (1) caudal o descarga Q; (2) ancho de fondo b; (3) taludes z1 y z2 (Fig. 115); (4) pendiente de fondo S; y (5) n de Manning. Nótese que para el caso típico de una cuneta triangular, el ancho de fondo aplicable es: b = 0.

La Ecuación 222 se puede resolver utilizando el método de aproximación de Newton descrito en la Sección 3.4.4 de este manual. El método calcula el valor de la profundidad de la cuneta y = d (Fig. 115). El ancho a = z1 d, y el ancho c = z2 d.

La calculadora CUNETA EN LÍNEA calcula las dimensiones de una cuneta triangular, dados: (1) caudal o descarga Q; (2) pendiente del lado z1; (3) pendiente del lado z2; (4) pendiente de fondo S; y (5) coeficiente de Manning n.

En el caso típico de cuencas pequeñas, con áreas tributarias menores a 2.5 km2, el caudal de diseño Q se determina utilizando el método racional (Sección 2.4). Para cuencas mayores, es recomendable el uso del método del hidrograma unitario (Sección 2.6).

La profundidad óptima de una cuneta es aquélla que pueda pasar el caudal de diseño Q estando la cuneta llena de agua. La velocidad media correspondiente al caudal de diseño debe ser menor o igual a la velocidad máxima admisible de agua correspondiente al tipo de superficie (Tabla 29); de lo contrario, será necesario revestir la cuneta con mampostería o concreto. El revestimiento de concreto deberá tener una resistencia a la compresión f´c = 175 kg/cm2 y un espesor de 7.5 cm.

La Tabla 31 muestra las dimensiones mínimas de cunetas de sección triangular. Debe construirse una berma exterior de recepción, con un ancho mínimo de 0.60 m (entre la cuneta y el pie del talud de corte), con el fin de recepcionar la posible caída de materiales del talud superior, evitando así que éstos se depositen en la cuneta. Las cunetas deben mantenerse (mediante limpieza y remoción de materiales) por lo menos dos veces al año, usualmente antes y después de la estación lluviosa. En los casos en que el ancho de la plataforma esté limitado, pueden proyectarse cunetas que sirvan no sólo para drenaje pluvial, sino también como área de emergencia (berma). En estos casos, la solución puede consistir de cunetas cubiertas o berma-cunetas.

La descarga de agua de las cunetas se efectúa mediante alcantarillas de alivio. En regiones áridas, la longitud de las cunetas será de 250 m como máximo. En regiones húmedas, la longitud máxima de una cuneta debe ser 200 m. Deberá hacerse una evaluación exhaustiva del lugar de descarga de las cunetas, con el fin de evitar que el flujo local afecte negativamente las propiedades vecinas.

Tabla 31  Dimensiones mínimas de cunetas de sección triangular.
Clima Precipitación
media anual P
(mm)
Profundidad d
(m)
Ancho a
(m)
Árido P ≤ 400 0.20 0.50
Semiárido a subhúmedo 400 < P ≤ 1600 0.30 0.75
Húmedo 1600 < P ≤ 3200 0.40 1.20
Hiperhúmedo P > 3200    0.30 * 1.20
* Seccion trapezoidal, con ancho de fondo b = 0.30 m como mínimo.

 Ejemplo No. 24A.

Utilizando CUNETA EN LÍNEA, calcular la profundidad (tirante) normal de una cuneta triangular revestida de concreto, dadas las siguientes condiciones: Q = 0.3 m3/s, z1 = 2, z2 = 0.5, S = 0.01, n = 0.015.


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CÁLCULO EN LÍNEA. Utilizando CUNETA EN LÍNEA, la profundidad normal: d = 0.364 m. El ancho a la derecha del vértice: a = 0.727 m. El ancho a la izquierda del vértice: c = 0.182 m. La velocidad media: Vn = 1.815 m/s es adecuada para el revestimiento de concreto proyectado.

 Ejemplo No. 24B.

Utilizando CUNETA EN LÍNEA, calcular la profundidad (tirante) normal de una cuneta triangular no revestida (conglomerado), dadas las siguientes condiciones: Q = 0.38 m3/s, z1 = 2, z2 = 0.5, S = 0.019, n = 0.015.


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CÁLCULO EN LÍNEA. Utilizando CUNETA EN LÍNEA, la profundidad normal: d = 0.356 m; el ancho a = 0.711 m; y el ancho c = 0.178 m. La velocidad media: Vn = 2.449 m/s excede el valor máximo establecido para una superficie de conglomerado (2.4 m/s) (Tabla 29). Incrementando el valor de la pendiente del lado a z1 = 3, la velocidad media se reduce a: Vn = 2.374 m/s, lo cual está dentro del límite aceptado. Finalmente, los valores adoptados son: d = 0.302 m; a = 0.907 m; y c = 0.151 m.


7.5  Zanjas de coronación

Una zanja de coronación (o cuneta de coronación) se construye en la parte superior de un talud de corte, con el objeto de colectar las aguas que bajan por las pendientes naturales y conducirlas hacia el área de descarga más próxima del sistema general de drenaje, evitando de este modo la erosión del terreno, particularmente en zonas con pendiente pronunciada (Fig. 116).

zanja  de coronacion

Fig. 116  Detalle típico de una zanja de coronación.

Las zanjas de coronación son normalmente de forma rectangular, pero también pueden ser trapezoidales, si se requiere un mayor tamaño.

Es recomendable sembrar especies naturales a ambos lados de la zanja (pastos, ichu, maleza, raíces, o árboles). También pueden incluirse ramas cortadas amarradas entre sí en forma de estructuras alargadas. Éstas se entierran o se colocan como estacas siguiendo el contorno de un talud, para evitar que el agua erosione bajo la cuneta y ésta se obstruya con sedimentos.

En el caso en que la pendiente longitudinal sea mayor de 2%, es necesario que la zanja o canal tenga un recubrimiento de concreto simple o enrocado. Para pendientes mayores, las zanjas deben ser escalonadas con emboquillado de piedra bajo la caída (Fig. 117). De preferencia, estas zanjas deben drenar a la quebrada más próxima.

zanja de coronacion escalonada

Fig. 117  Detalle de una zanja de coronación escalonada.

Las zanjas de coronación suelen no ser necesarias en taludes de suelos resistentes a la erosión, con declives de 2 H : 1 V o menores, o donde se hayan adoptado medidas efectivas de control de erosión.

Las bajantes o rápidas son una serie de pequeñas canaletas prefabricadas alineadas formando un canal de fuerte pendiente, con el propósito de evacuar en forma controlada el flujo de las zanjas de coronación (Fig. 118). La bajante debe conectar directamente a una alcantarilla, o en su defecto, a una alcantarilla cercana.

zanja de coronacion escalonada
 
zanja de coronacion escalonada
Wikimedia Commons

Fig. 118  Ejemplos de bajante.


7.6  Zanjas de drenaje

Las zanjas de drenaje se construyen en la parte inferior de los taludes de relleno en forma longitudinal, lateral, o transversal al alineamiento de la carretera. Esta zanjas colectan las aguas que bajan por el talud y terrenos adyacentes, y las conducen hacia la quebrada o descarga más próxima del sistema general de drenaje, evitando de este modo la erosión del terreno (Fig. 119).

Normalmente las zanjas de drenaje son de forma rectangular, pero también pueden ser trapezoidales, si se requiere una mayor dimensión.

zanja de drenaje

Fig. 119  Detalle típico de una zanja de drenaje.


7.7  Cunetas de banqueta

Las cunetas de banqueta se ubican al pie del talud inclinado de cada banqueta, las cuales consisten en la construcción de una o más terrazas sucesivas con el objetivo de estabilizar un talud (Fig. 120).

Estas cunetas pueden tener sección triangular, rectangular o trapezoidal, de acuerdo al caudal que transportará. Su descarga se efectuará hacia un curso natural o mediante caidas escalonadas hacia las cunetas.

zanja de drenaje

Fig. 120  Detalle típico de una serie de cunetas de banqueta.


7.8  Bordillos

Los bordillos son elementos que interceptan y conducen el agua que por efecto del bombeo discurre sobre la plataforma de la carretera. Los bordillos descargan el agua mediante aliviaderos ubicados en sitios adecuados, con el objetivo de evitar la erosión de los taludes de terraplenes que estén conformados por material erosionable.

Los bordillos se construyen en los terraplenes mayores de 1.5 m de altura. Se emplazan en el lado exterior de la plataforma y generalmente tienen una sección trapezoidal con base inferior de 0.2 m, base superior de 0.15 m y altura de 0.40 m, sobresaliendo de la superficie de rodadura 0.15 m (Fig. 120). Son usualmente de concreto, reforzados con varillas de construcción de 3/8" de diámetro, espaciados cada 0.20 m en forma de malla simple (Fig. 121).

En los tramos en tangente, debe dejarse un espacio libre para la descarga del escurrimiento hacia aliviaderos ubicados a una distancia de 50 a 100 m.

bordillo

Fig. 121  Detalle típico de un bordillo de concreto armado.


7.9  Canales de drenaje

El sistema de drenaje superficial de una vía debe interceptar con efectividad todo el escurrimiento directo superficial y de la cuenca, y conducirlo a través de canales que tengan la capacidad adecuada para su descarga final en los cursos de agua naturales.

Las redes de drenaje se proyectan para captar y evacuar las aguas acumuladas. Éstas pueden presentarse en zonas bajas o en depresiones naturales del terreno. Pueden deberse a una o más de las siguientes causas: (a) precipitaciones copiosas, (b) escurrimiento superficial, y (c) elevación de la napa freática, causada por riego o crecida de un río cercano.

Una red de drenaje consiste de los siguientes elementos:

  • Canales principales, ya sea drenes artificiales o cauces naturales. Estos últimos pueden ser ampliados para evacuar el caudal aplicable de diseño;

  • Canales secundarios, conectados con los canales principales, los que se proyectan para ampliar espacialmente la red;

  • Canales terciarios, o colectores, los que recogen el agua del área a evacuar y la trasladan hacia los canales secundarios.

Los canales de drenaje pueden ser de concreto fraguado en el terreno o de concreto prefabricado.


8.  DRENAJE SUBTERRÁNEO

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8.1  Subdrenaje

El subdrenaje consiste en la evacuación de aguas subsuperficiales por medio de conductos entubados colocados debajo de la superficie. El diseño de obras de subdrenaje depende de la posición del nivel freático y su variación estacional, la pendiente del terreno, el tipo de suelo, y las condiciones climáticas locales.

La necesidad de obras de subdrenaje se determina a partir de observaciones directas en el campo y muestreos del terreno. Estas obras deben considerarse cuando la carretera se encuentre cerca o esté influenciada por una o más de las siguientes condiciones:

  • Lagunas, afloramientos de agua (puquios), y/o canales no revestidos localizados en la parte superior a la vía;

  • Deformaciones, hundimientos, y/o asentamientos del terreno, atribuibles a la presencia del agua en el subsuelo;

  • Cultivos con alta demanda de agua, como el arroz;

  • Cultivos permanentes con riego por gravedad;

  • Filtraciones en taludes, así como la presencia de vegetación propia de suelos saturados como el junco, la totora, etc.;

  • Presencia de niveles freáticos en excavaciones a cielo abierto; y

  • Presencia de taludes saturados en las vecindades de la plataforma vial.

El subdrenaje convencional está constituido por zanjas excavadas a mano o con retroexcavadora, rellenas de material filtrante, y provistas de tubos perforados con el fin de captar y transportar el agua que llegue a los tubos. Los subdrenes se colocan de la siguiente manera:

  • Longitudinalmente al pie de los taludes de corte, para interceptar filtraciones y flujos subsuperficiales que lleguen al nivel de la carretera (Fig. 122);

  • Longitudinalmente en un terraplén, ubicado en la zona donde discurre el agua subterránea; y

  • Formando parte de un sistema de drenes transversales y longitudinales, o dispuestos en forma de una "espina de pescado", a fin de evacuar el flujo subsuperficial presente en la zona de emplazamiento de la carretera.

bordillo

Fig. 122  Sección típica de un subdren.


8.2  Cajas de registro

En los drenes longitudinales, se recomienda usar, a intervalos regulares, cajas de registro o buzones de registro que permitan controlar el buen funcionamiento del subdrenaje y sirvan para evacuar el agua recogida por la tubería del subdren, ya sea a un colector principal, a una cuneta situada, por ejemplo, al pie de un terraplén, a un curso natural, o a otros dispositivos de desagüe.

Asimismo, deberán colocarse cajas de registro o buzones en todos los cambios de alineación de la tubería de drenaje. La distancia entre dos cajas o buzones consecutivos oscilará en general entre 80 m y 100 m, dependiendo de la pendiente longitudinal del tubo y de su capacidad de desagüe, de la disposición general del subdrenaje y de los elementos naturales existentes.

En el caso de salida libre de la tubería de desagüe de la caja de registro o el buzón a una cuneta, se tendrá en cuenta que el nivel de la salida quede lo suficientemente alto y con las protecciones necesarias para impedir su obstrucción o inundación.


8.3  Drenes de penetración

Un dren de penetración consiste de una tubería perforada colocada a través de una masa de suelo (o talud), mediante una perforación profunda subhorizontal (ligeramente inclinada), con el objeto de abatir el nivel freático hasta un nivel que aumente la estabilidad del talud (Fig. 123). La principal ventaja de los drenes horizontales es que son rápidos y simples de instalar, lográndose incrementar el factor de seguridad del talud en forma eficaz.

bordillo

Fig. 123  Esquema típico de un dren de penetración.

El diámetro de las perforaciones es de 3 a 4 pulgadas, dentro de las cuales se colocan tuberías perforadas. Los tubos utilizados son metálicos, de polietileno o policloruro de vinilo (PVC), usualmente de 2 ó 3 pulgadas de diámetro. La tubería se perfora con orificios circulares, los cuales tienen diámetros de 1.5 a 5.0 mm, con una densidad de 15 a 30 agujeros por metro de tubería. A menudo los subdrenes se diseñan para recolectar agua solamente en el sector cercano a la punta interior. La longitud restante de tubo es inyectada con un impermeabilizante para impedir que el agua captada cerca a la punta se reinfiltre nuevamente en la trayectoria de salida.

Debe hacerse un estudio previo de las características del régimen de aguas subterráneas con el fin de determinar la ubicación correcta de los drenes. La colocación de piezómetros de control permitirá medir el abatimiento del nivel freático y proporcionará información sobre la necesidad de aumentar la cantidad de subdrenes.

Debe estudiarse el efecto de construir algunos drenes bastante profundos, a la alternativa generalmente menos costosa y en ocasiones más efectiva, de colocar una mayor cantidad de drenes poco profundos.


8.4  Drenaje del pavimento

En terrenos permeables, el drenaje del pavimento puede efectuarse mediante drenes enterrados prolongando la capa permeable hasta los taludes de los terraplenes, con descarga hacia las cunetas o zanjas. Con este fin, la subrasante debe tener una pendiente transversal adecuada para drenar el flujo esperado.

En terreno impermeables, debe evitarse que el agua de lluvia que se filtra a través de la base y subbase se acumule bajo la superficie de rodadura y forme una bolsa de agua que pueda amenazar eventualmente la integridad del pavimento. En caso de un flujo de subdrenaje excesivo, puede ser necesario revestir la cuneta con el fin de controlar la posible erosión.

Para evitar la acumulación del agua, deben considerarse las siguiente acciones:

  • Colocar, bajo el pavimento, una capa drenante que siga la pendiente transversal de la carretera y que se prolongue hasta un lugar con drenaje natural.

  • Colocar, bajo la berma adyacente a la cuneta, un subdrén consistente de una tubería de plástico perforada, a una profundidad adecuada para recojer el agua de filtración y llevarla al lugar de drenaje natural (Fig. 124).

bordillo

Fig. 124  Drenaje lateral y longitudinal del pavimento.

En los casos de construcción sobre terreno llano y con nivel freático elevado, debe procederse al abatimiento de la napa freática, pudiéndo utilizarse métodos tales como zanjas laterales, drenes enterrados, etc. Si no es posible evacuar el agua al sistema de drenaje, debe considerarse elevar el nivel de la rasante.

El material del terraplén debe ser tal que su humedad de equilibrio disminuya rápidamente con la distancia al nivel freático. Debe tenerse en cuenta que el terraplén se construirá sobre un terreno saturado de agua, sin capacidad para resistir esfuerzos de compactación elevados.

La protección del terraplén puede efectuarse mediante la colocación de membranas bituminosas, el tratamiento de la superficie con sustancias hidrófobas, o mediante el uso de geotextiles (Fig. 125). Los métodos para la protección del terraplén dependerán de la naturaleza y estado del terreno y del material disponible para la construcción.

bordillo

Fig. 125  Protección del terraplén.

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, la cual puede llevar a asentamientos diferenciales, deben utilizarse alguna de las siguientes técnicas:

  • Colocación de capas drenantes sobre la subrasante para romper el ascenso capilar.

  • Impermeabilización de las calzadas y las bermas.

  • Colocación de una membrana impermeable que impida el movimiento del agua capilar.

  • Construcción de zanjas anticapilares bajo los bordes de la calzada.

Tanto la membrana impermeable como las zanjas anticapilares deberán construirse hasta una profundidad de 1.20 m bajo la superficie de las bermas. Pueden utilizarse como zanjas anticapilares las que sirvan para el drenaje del pavimento, cuidando de que el material filtro rompa la continuidad entre el agua situada a un lado y otro de la misma.

Debe colocarse una capa de material drenante cuando se eleve el terraplén de la carretera sobre un terreno saturado con agua. Esto es con el fin de evitar que por capilaridad el agua pueda subir a través del terraplén hasta la superficie de rodadura. Esta capa deberá estar constituida por gravas y/o arenas, con un espesor mínimo de 0.30 m. Debe estar sobre el nivel de referencia más alto de la napa freática del terreno con el fin de romper la capilaridad y drenar lateralmente la plataforma.


BIBLIOGRAFÍA

•  [ Arriba ]  [ Drenaje superficial ]  [ Drenaje subterráneo ] 

Ministerio de Transportes y Comunicaciones, Perú. Manual de Drenaje: Hidrología, hidráulica, y drenaje.


https://ponce.sdsu.edu/drenaje_de_carreteras_c.html 180313 23:00

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