Revista Científica ‘‘INGENIAR”: Ingeniería, Tecnología e Investigación. Vol. 8 Núm. (15) 2025. ISSN: 2737-6249  
Diseño de los Dimensionamientos de Alcantarillas para la Protección de la Red Vial Estatal E20 en el Tramo  
Quinindé Esmeraldas, Ecuador.  
DISEÑO DE LOS DIMENSIONAMIENTOS DE ALCANTARILLAS PARA LA  
PROTECCIÓN DE LA RED VIAL ESTATAL E20 EN EL TRAMO QUININDÉ –  
ESMERALDAS, ECUADOR  
DESIGN OF CULVERT SIZING FOR THE PROTECTION OF THE STATE  
ROAD NETWORK E20, QUININDÉ ESMERALDAS SECTION, ECUADOR  
1
2
Chancay-Mora Pedro Eloy ; Zambrano-Acosta Jimmy Manuel  
1
Ingeniero Civil, Posgradista del programa de la Maestría en Hidráulica, mención Gestión de  
2
Ingeniero en Zootecnia, Magister en Investigación y Gestión de Proyectos, Magíster en  
Evaluación de la Calidad y Procesos de Certificación en Educación Superior, Doctor en  
Resumen  
El presente trabajo analiza el diseño de alcantarillas para la red vial estatal E20 en el tramo  
Quinindé Esmeraldas de la provincia de Esmeraldas, Ecuador. La investigación se justifica por  
la necesidad de proteger la infraestructura vial frente a daños ocasionados por escorrentía  
derivada de precipitaciones intensas en la región. Los objetivos incluyen el dimensionamiento de  
alcantarillas para mitigar el impacto de flujos hídricos. Se empleó un análisis hidrológico y una  
metodología racional generalizada, considerando datos de topografía y climatología. Los  
principales resultados indican la viabilidad de un diseño eficiente en el drenaje y la mitigación de  
daños estructurales en la vía. En conclusión, el diseño propuesto permitirá una optimización de  
los recursos de mantenimiento vial y favorecerá la durabilidad de la infraestructura.  
Palabras clave: Diseño hidráulico, alcantarillas, red vial estatal, dimensionamiento, escorrentía,  
mitigación de daños.  
Abstract  
This study analyzes the design of culverts for the state road network E20, Quinindé Esmeraldas  
section, in Esmeraldas Province, Ecuador. The research is justified by the need to protect road  
infrastructure from runoff damage caused by heavy rainfall in the region. Objectives include the  
sizing of culverts to mitigate the impact of water flows. A hydrological analysis and generalized  
rational methodology were used, considering topographic and climatological data. Key findings  
demonstrate the feasibility of an efficient design for drainage and structural damage mitigation on  
the road. In conclusion, the proposed design will optimize maintenance resources and enhance  
infrastructure durability.  
Keywords: Hydraulic design, culverts, state road network, sizing, runoff, damage mitigation.  
Información del manuscrito:  
Fecha de recepción: 03 de octubre de 2024.  
Fecha de aceptación: 19 de diciembre de 2024.  
Fecha de publicación: 10 de enero de 2025.  
6
7
Chancay-Mora et al. (2025)  
1
. Introducción  
intensas y frecuentes, las cuales  
suelen desencadenar eventos  
La E20,  
especialmente en el tramo Quinindé  
Esmeraldas, es fundamental para  
red  
vial  
estatal  
extremos como inundaciones y  
deslizamientos de tierra. Estos  
-
fenómenos  
durante eventos climáticos de El  
Niño, los cuales generan  
precipitaciones anómalas un  
son  
exacerbados  
la conectividad y el desarrollo  
socioeconómico de la provincia de  
Esmeraldas, Ecuador. Este tramo  
facilita no solo el tránsito de bienes y  
personas entre Esmeraldas y otras  
provincias, sino que también impacta  
directamente en sectores clave  
como la agricultura, la pesca y el  
y
aumento en el volumen de  
escorrentía. Esto pone a prueba la  
capacidad de la infraestructura de  
drenaje para manejar grandes  
cantidades de agua. La alta  
frecuencia de lluvias incrementa la  
vulnerabilidad de la red vial, donde el  
diseño y mantenimiento de obras de  
drenaje resulta crucial para evitar  
interrupciones del tránsito y reducir  
riesgos de desbordes y erosión de  
los bordes de la carretera (Laraque  
et al., 2007).  
comercio.  
Estas  
actividades  
dependen del transporte eficiente  
para la distribución de productos, y  
cualquier interrupción en la vía  
afecta la economía tanto local como  
nacional.  
Debido a que esta región se  
caracteriza por una alta pluviosidad y  
un terreno accidentado con suelos  
Un desafío adicional es la falta de  
propensos  
a
la erosión, la  
mantenimiento  
adecuado  
y
infraestructura enfrenta desafíos  
constantes de integridad estructural  
debido a la intensa escorrentía y los  
fenómenos hidrológicos recurrentes  
que incrementan el riesgo de daños  
estructurales y colapsos en el  
sistema vial (Laraque et al., 2007).  
constante de la infraestructura de  
drenaje, lo cual agrava la situación y  
lleva a la aceleración de la erosión  
en las zonas críticas. Este problema  
no solo causa un deterioro  
progresivo de la carretera, sino que  
también genera costos de reparación  
más altos. Esto afecta directamente  
la seguridad de los usuarios y la  
continuidad del tránsito en esta  
La región costera de Esmeraldas,  
caracterizada por un clima tropical  
húmedo,  
experimenta  
lluvias  
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Diseño de los Dimensionamientos de Alcantarillas para la Protección de la Red Vial Estatal E20 en el Tramo  
Quinindé Esmeraldas, Ecuador.  
importante vía de acceso para la  
región. Los efectos acumulados de  
una gestión inadecuada en la  
infraestructura vial se traducen en un  
ciclo de deterioro y reparaciones  
costosas, reduciendo su vida útil y  
requiriendo intervenciones cada vez  
más urgentes y caras (Mora et al.,  
la infraestructura vial en áreas  
vulnerables (Perrin & Bouvier, 2004).  
Dado el impacto potencial de estos  
factores,  
el  
diseño  
y
la  
implementación de obras de drenaje  
bien planificadas son una necesidad  
crítica  
para  
proteger  
la  
infraestructura, especialmente en  
intersecciones donde la carretera  
cruza cursos de agua. Las  
alcantarillas y canales de drenaje,  
2
013).  
Estudios en áreas similares han  
demostrado que las infraestructuras  
viales en zonas de alta pluviosidad  
requieren sistemas de drenaje  
adecuadamente  
dimensionados,  
pueden mitigar significativamente la  
erosión y el socavamiento en puntos  
críticos, garantizando una mayor  
durabilidad de la infraestructura.  
Investigaciones indican que el  
diseño de estas estructuras debe  
planificados  
y
dimensionados  
adecuadamente para prevenir daños  
graves durante eventos de lluvias  
extremas. En ciudades como Quito,  
el uso de modelos de escorrentía-  
precipitación ha permitido optimizar  
el diseño de alcantarillas y sistemas  
de drenaje, mitigando el riesgo de  
inundación urbana y mejorando la  
eficiencia en el manejo de  
escorrentías. Este enfoque podría  
replicarse en regiones costeras  
considerar  
la  
variabilidad  
de  
precipitación estacional  
y
las  
características geográficas locales  
para optimizar su resistencia ante  
escenarios de lluvias intensas  
(Sucozhañay & Célleri, 2018).  
Además,  
estudios  
como  
el  
tramo  
Quinindé  
-
hidrometeorológicos en ecosistemas  
costeros del Ecuador destacan la  
importancia de un monitoreo  
detallado del comportamiento de las  
aguas pluviales en estas regiones.  
La combinación de precipitaciones  
Esmeraldas, donde los patrones de  
lluvia presentan desafíos similares.  
La implementación de soluciones  
adaptadas a la variabilidad climática  
y los patrones de precipitación  
ayudaría a mejorar la durabilidad de  
intensas  
y
terrenos de baja  
6
9
Chancay-Mora et al. (2025)  
capacidad de infiltración incrementa  
la susceptibilidad a inundaciones  
repentinas, lo que convierte la  
planificación y monitoreo del drenaje  
en una prioridad para reducir riesgos  
de daño en la infraestructura vial  
probabilidad de fallos en la  
infraestructura (Yuan et al., 2017).  
Para enfrentar estos desafíos, la  
infraestructura de drenaje en el  
tramo Quinindé - Esmeraldas se  
beneficiaría  
tecnológicas, como el uso de  
sensores estaciones  
de  
innovaciones  
(Molina et al., 2007).  
La situación se vuelve aún más  
compleja con el cambio climático y el  
aumento en la frecuencia de eventos  
meteorológicos extremos. Estudios  
recientes muestran que estos  
cambios pueden intensificar los  
patrones de lluvia en la región,  
aumentando el riesgo de sobrecarga  
en los sistemas de drenaje y  
y
meteorológicas para la recopilación  
de datos climáticos precisos en  
tiempo real. Esto facilita la  
planificación y adaptación de los  
sistemas de drenaje en respuesta a  
los eventos climáticos extremos,  
permitiendo intervención  
una  
oportuna y optimizada.  
resaltando  
la  
necesidad  
de  
La implementación de alcantarillas  
de alta capacidad y sistemas de  
drenaje optimizados puede reducir  
significativamente el riesgo de  
desbordes y proteger la integridad de  
la infraestructura vial durante  
eventos de escorrentía elevada.  
Asimismo, el uso de modelos  
hidrológicos avanzados, apoyados  
por datos satelitales, permite  
anticipar y mitigar los efectos de  
lluvias intensas, mejorando la  
planificación y mantenimiento de la  
infraestructura para garantizar su  
funcionamiento en el largo plazo  
(Zubieta et al., 2015).  
adaptaciones estructurales en la  
infraestructura para enfrentar un  
clima cada vez más impredecible.  
Esto implica la integración de  
alcantarillas y canales con capacidad  
suficiente para soportar altos  
volúmenes de agua y adaptarse a  
condiciones climáticas extremas  
(Mora et al., 2013).  
En particular, el uso de sistemas  
mejorados de drenaje subterráneo y  
alcantarillas sobredimensionadas ha  
mostrado resultados prometedores  
en áreas con condiciones climáticas  
adversas,  
proporcionando  
una  
mayor resistencia y reduciendo la  
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Diseño de los Dimensionamientos de Alcantarillas para la Protección de la Red Vial Estatal E20 en el Tramo  
Quinindé Esmeraldas, Ecuador.  
La tecnología de radar y la  
integración de datos de precipitación  
con observaciones en campo han  
demostrado su eficacia para mejorar  
la precisión en la estimación de  
escorrentías, permitiendo diseñar  
sistemas de drenaje específicos para  
las condiciones de la región costera  
la infraestructura en condiciones de  
alta exigencia climática.  
2
. Materiales y métodos  
La metodología empleada en este  
estudio consistió en un análisis  
hidrológico y estructural, enfocado  
en el diseño y dimensionamiento de  
alcantarillas adecuadas para el  
tramo Quinindé - Esmeraldas de la  
red vial estatal E20. Este análisis se  
centró en calcular los caudales de  
diseño necesarios para garantizar la  
eficiencia del sistema de drenaje y  
reducir el riesgo de daños por  
escorrentía.  
de Esmeraldas (Rollenbeck  
Bendix, 2011).  
&
El presente estudio, por tanto,  
propone el diseño de alcantarillas y  
sistemas de drenaje optimizados  
como medidas de mitigación  
esenciales  
para  
asegurar  
la  
funcionalidad continua de la red vial  
en el tramo Quinindé - Esmeraldas.  
La  
implementación  
de  
estos  
Para el cálculo de caudales de  
diseño, se utilizó el método racional  
generalizado, el cual es ampliamente  
reconocido por su precisión en  
sistemas permitirá no solo una mejor  
adaptación a las condiciones de  
pluviosidad extrema, sino también  
una reducción significativa de los  
costos de mantenimiento a largo  
plazo.  
estudios  
hidrológicos  
de  
infraestructura vial en zonas de alta  
pluviosidad. Este método permite  
estimar caudales máximos de  
escorrentía en función de la  
intensidad de precipitación, la  
pendiente y las características de  
uso del suelo. La estimación de  
caudales se llevó a cabo con base en  
periodos de retorno entre 5 y 50  
años, seleccionados de acuerdo con  
Esto beneficiará tanto al sector  
público, en términos de ahorro en  
reparaciones,  
como  
a
las  
comunidades locales que dependen  
de esta vía para sus actividades  
diarias y desarrollo económico,  
asegurando así la sostenibilidad de  
7
1
Chancay-Mora et al. (2025)  
el volumen de tráfico y la importancia  
del tramo en la conectividad regional.  
infraestructuras de drenaje. Las  
pendientes del terreno se  
determinaron mediante modelos  
digitales de elevación, que facilitaron  
el análisis detallado de los cambios  
de altura a lo largo de la vía y  
permitieron identificar las áreas con  
Los datos topográficos de la región  
fueron obtenidos del Instituto  
Geográfico Militar de Ecuador, a una  
escala de 1:50,000, lo cual permitió  
un análisis detallado de las  
mayor riesgo de erosión  
socavación.  
y
características  
geográficas  
y
geomorfológicas del área. Estos  
datos se complementaron con  
Las estructuras de alcantarillado  
propuestas fueron diseñadas para  
manejar los caudales estimados en  
función de los periodos de retorno  
seleccionados. Se consideraron  
materiales de construcción que  
ofrecen alta resistencia a la erosión,  
como el concreto reforzado y el  
acero galvanizado, garantizando así  
la durabilidad de las estructuras ante  
la exposición constante a altos  
volúmenes de escorrentía. Además,  
registros  
proporcionados por el Instituto  
Nacional de Meteorología  
meteorológicos  
e
Hidrología (INAMHI), que incluyen  
series históricas de precipitación  
acumulada y eventos extremos. Los  
registros  
meteorológicos  
se  
analizaron para determinar las  
intensidades de lluvia en intervalos  
de tiempo críticos, ajustando los  
valores según la variabilidad  
climática registrada en los últimos  
años.  
se  
aplicaron  
criterios  
de  
dimensionamiento que toman en  
cuenta la relación entre el volumen  
de tráfico de la carretera y el impacto  
potencial de la falla de estas  
estructuras.  
En el diseño de las alcantarillas, se  
evaluaron las velocidades de flujo  
máximas y mínimas en los puntos  
críticos de la vía, considerando tanto  
la rugosidad como la pendiente del  
terreno. La rugosidad del suelo se  
evaluó con base en las condiciones  
naturales y en el tipo de suelo  
predominante en cada zona,  
siguiendo las guías de diseño de  
El se  
complementó con simulaciones de  
flujo empleando software de  
proceso  
de  
diseño  
modelación hidrológica, lo cual  
permitió ajustar los parámetros de  
diseño en función de las condiciones  
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Diseño de los Dimensionamientos de Alcantarillas para la Protección de la Red Vial Estatal E20 en el Tramo  
Quinindé Esmeraldas, Ecuador.  
específicas de la región. Estas  
simulaciones ayudaron a prever el  
comportamiento del sistema de  
drenaje en diferentes escenarios de  
lluvia extrema, permitiendo optimizar  
el diseño de las alcantarillas para  
minimizar el riesgo de fallos  
proporcionaron una visión detallada  
de las pendientes las  
y
características geográficas que  
contribuyen al comportamiento de la  
escorrentía en el área de estudio.  
Además,  
los  
registros  
del  
meteorológicos  
históricos  
estructurales  
durante  
eventos  
Instituto Nacional de Meteorología e  
Hidrología (INAMHI) permitieron  
evaluar patrones de precipitación y  
variabilidad climática, información  
clave para estimar los caudales en  
eventos de lluvia intensa.  
climáticos severos.  
Esta metodología integral, basada  
en datos topográficos  
y
meteorológicos precisos, garantiza  
que las estructuras de drenaje  
El diseño de las alcantarillas se basó  
en la aplicación de cálculos  
hidrológicos usando el método  
propuestas  
estándares  
cumplan  
con  
los  
y
de eficiencia  
sostenibilidad, asegurando así la  
transitabilidad continua la  
racional  
generalizado  
y
la  
y
metodología de tanteo. Este enfoque  
permitió calcular con precisión los  
protección de la infraestructura vial  
en el tramo Quinindé - Esmeraldas.  
caudales máximos  
y
mínimos  
esperados en los puntos de mayor  
vulnerabilidad. Para cada uno de  
estos puntos críticos, se determinó el  
diámetro óptimo de las alcantarillas,  
tomando en cuenta la capacidad de  
flujo necesaria para evitar desbordes  
y socavación. La variabilidad en el  
tamaño de las alcantarillas, con  
diámetros que oscilan entre 1.2 y 2.8  
metros, se ajustó específicamente a  
las condiciones de cada punto. Estos  
valores se establecieron en función  
de los parámetros de velocidad  
3
. Resultados y discusión  
El análisis de los datos topográficos  
y meteorológicos recopilados fue  
esencial para identificar los puntos  
críticos de la red vial estatal E20 en  
el tramo Quinindé - Esmeraldas,  
donde las precipitaciones elevadas y  
las características del terreno  
representan riesgos potenciales  
para la integridad estructural de la  
carretera. Los datos topográficos  
obtenidos a escala de 1:50,000  
7
3
Chancay-Mora et al. (2025)  
máxima y mínima admisible para  
Para evaluar la eficacia de los  
diámetros propuestos, se realizaron  
simulaciones hidrológicas utilizando  
software especializado que permitió  
modelar el comportamiento de las  
distintos  
tipos  
de  
materiales  
presentes en el lecho, como arena  
fina, grava y arcilla, asegurando un  
flujo controlado y reduciendo el  
desgaste  
prematuro  
de  
las  
alcantarillas  
bajo  
distintos  
estructuras.  
volúmenes de flujo. Los resultados  
de las simulaciones mostraron que  
las estructuras diseñadas son  
capaces de manejar los caudales  
El uso de alcantarillas de 1.2 metros  
de diámetro fue recomendado en  
áreas con caudales moderados,  
donde la pendiente es menos  
pronunciada y el flujo es más  
estable. En contraste, alcantarillas  
de hasta 2.8 metros fueron  
previstos  
sin  
causar  
desbordamientos, incluso en los  
escenarios más críticos. Este  
enfoque de modelación contribuyó a  
ajustar las dimensiones y a optimizar  
el diseño, asegurando que el sistema  
de drenaje será efectivo en prevenir  
la erosión y el daño estructural en los  
puntos críticos.  
diseñadas  
para  
zonas  
con  
pendientes elevadas  
y
flujos  
intensos, donde la alta velocidad de  
la escorrentía podría erosionar  
rápidamente los suelos y afectar la  
estabilidad de la vía. Los cálculos de  
caudal se basaron en periodos de  
retorno de 5, 25 y 50 años, con el fin  
de adaptar el diseño a diferentes  
escenarios de tráfico y condiciones  
climáticas extremas. Este rango de  
periodos de retorno garantiza que las  
estructuras de drenaje puedan  
soportar eventos de lluvia de distinta  
Los resultados de este análisis  
indican que el diseño de alcantarillas  
en el tramo Quinindé - Esmeraldas  
cumple con los estándares de  
durabilidad funcionalidad  
y
necesarios para infraestructuras  
sometidas  
a
condiciones  
extrema.  
de  
de  
La  
pluviosidad  
combinación  
datos  
y
magnitud,  
cotidianas hasta precipitaciones  
extraordinarias asociadas  
fenómenos como El Niño.  
desde  
situaciones  
meteorológicos  
históricos  
modelación hidrológica garantiza  
que las alcantarillas mantendrán su  
capacidad operativa durante su vida  
útil, proporcionando una solución  
a
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Diseño de los Dimensionamientos de Alcantarillas para la Protección de la Red Vial Estatal E20 en el Tramo  
Quinindé Esmeraldas, Ecuador.  
sostenible para la gestión de la  
escorrentía. Esta implementación  
permitirá mitigar los efectos de la  
erosión y la socavación en los puntos  
críticos de la vía, reduciendo así los  
precipitaciones  
climática. La  
y
variabilidad  
infraestructura  
propuesta se adapta a caudales  
previstos bajo escenarios de lluvia  
extrema, lo cual es crítico en zonas  
de alta pluviosidad para mitigar  
daños y optimizar recursos. Este  
enfoque coincide con estudios  
similares que indican que los diseños  
de drenaje en regiones húmedas  
costos  
de  
mantenimiento  
y
asegurando la continuidad del  
tránsito en esta importante red vial.  
Finalmente,  
estos  
resultados  
confirman que la metodología  
aplicada en el diseño de las  
deben  
considerar  
aumentos  
significativos en la intensidad de las  
lluvias debido al cambio climático. En  
Washington, EE.UU., un estudio  
mostró que la adaptación de  
alcantarillas para caudales futuros  
mejoraría la resistencia de las  
infraestructuras ante cambios en la  
hidrología, previniendo posibles  
fallos estructurales que podrían  
alcantarillas  
no  
solo  
permite  
identificar con precisión las áreas de  
mayor vulnerabilidad, sino que  
también optimiza los recursos,  
proporcionando  
soluciones  
específicas y adaptadas a las  
condiciones locales. Esto contribuye  
a prolongar la vida útil de la  
infraestructura y a mejorar la  
seguridad vial en el tramo Quinindé -  
Esmeraldas, beneficiando tanto a los  
usuarios de la vía como al sector  
afectar los ecosistemas la  
conectividad vial (Wilhere et al.,  
017).  
y
2
público  
encargado  
de  
su  
El uso de materiales resistentes a la  
erosión, como el concreto reforzado  
mantenimiento.  
y
el acero galvanizado, en  
combinación con  
4
. Conclusiones  
dimensionamientos precisos de las  
estructuras de drenaje, reduce  
considerablemente el impacto de las  
lluvias intensas sobre la vía. Esta  
elección de materiales es esencial,  
ya que estudios en Canadá y  
Los hallazgos de este estudio  
subrayan la importancia de un  
diseño adecuado de alcantarillas en  
la red vial E20, especialmente en  
una región expuesta a intensas  
7
5
Chancay-Mora et al. (2025)  
Australia han demostrado que las  
variaciones en la intensidad de la  
precipitación podrían superar en más  
del 50% las proyecciones de diseño  
actuales, poniendo en riesgo la  
estabilidad de las infraestructuras si  
no se consideran materiales y  
alcantarillas a aumentos potenciales  
en los caudales. Por ejemplo, en el  
caso de infraestructura en Tucson,  
Arizona, se encontró que la  
actualización de los índices de  
frecuencia de intensidad y duración  
de lluvias basada en modelos  
climáticos podría duplicar el tamaño  
de las estructuras de drenaje  
dimensionamientos  
Verstraten et al., 2019) y (Denault,  
001).  
resilientes  
(
2
necesarias,  
importancia  
destacando  
la  
de considerar  
Una limitación de este estudio es la  
variabilidad climática futura, que  
podría alterar los patrones de  
escorrentía en periodos de lluvias  
extremas. La variabilidad en los  
patrones de precipitación debida al  
cambio climático puede desafiar los  
diseños de infraestructura, un  
fenómeno destacado también en  
estudios de Osogbo, Nigeria, donde  
la frecuencia de eventos extremos y  
la subestimación de la intensidad de  
lluvias debido a datos históricos  
escenarios de cambio climático en  
las obras de drenaje (Tousi et al.,  
2
021).  
Finalmente, es relevante considerar  
estudios ambientales que  
promuevan la preservación de las  
cuencas hidrográficas adyacentes a  
la vía. El uso de sistemas de control  
de flujo adaptados puede contribuir a  
reducir el impacto ambiental, como lo  
señala un análisis en Canadá que  
vinculó la expansión de áreas  
impermeables con mayores riesgos  
para los ecosistemas locales  
estacionarios  
generaron  
insuficiencia en sistemas de drenaje,  
sugiriendo la necesidad de actualizar  
los modelos de diseño a escenarios  
de alta variabilidad (Adegoke &  
Sojobi, 2015).  
(Arnbjerg-Nielsen,  
2012).  
La  
integración de estas prácticas en el  
diseño de infraestructura vial podría  
optimizar la gestión de la escorrentía  
y favorecer la sostenibilidad a largo  
plazo de la red vial en la región  
Quinindé - Esmeraldas.  
En investigaciones futuras, se  
recomienda evaluar el impacto del  
cambio climático en la pluviosidad  
regional y ajustar los diseños de  
7
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Diseño de los Dimensionamientos de Alcantarillas para la Protección de la Red Vial Estatal E20 en el Tramo  
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