Riego Zonas Montanosas

Obras de Riego para Zonas Montañosas

Título: Serie:

Obras de Riego para Zonas Montañosas Investigación Aplicada N°6 Depósito Legal Nº DL. 2-1-320-12 P.D. ISBN: 978-99954-774-4-8

Autor:

Viceministerio de Recursos Hídricos y Riego

Segunda Edición 2012:

Programa de Desarrollo Agropecuario Sustentable, PROAGRO Componente Agua para Producción Agropecuaria. Carlos Montaño, Ivana Tezanos Pinto.

Primera Edición 2004:

Programa Nacional de Riego (PRONAR) a cargo de los consultores Alfonso Bottega y Paul Hoggendam.

Revisión:

Ivana Tezanos Pinto, Alfonso Bottega.

Fotografías:

Archivo PRONAR

El Viceministerio de Recursos Hídricos y Riego (VRHR) es dependiente del Ministerio de Medio Ambiente y Agua, del Estado Plurinacional de Bolivia. La presente publicación ha sido realizada con el apoyo de la Cooperación Sueca y Alemana, a través del Programa de Desarrollo Agropecuario Sustentable, PROAGRO, ejecutado en Bolivia por la GIZ. Está permitida la reproducción del presente documento citando la fuente.

Cochabamba, Noviembre 2012

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PRESENTACIÓN El Viceministerio de Recursos Hídricos y Riego del Ministerio de Medio Ambiente y Agua, ha encargado a la Agencia de Cooperación Alemana al Desarrollo a través de su al Programa de Desarrollo Agropecuario Sustentable GIZ/PROAGRO, la revisión, actualización y re-edición de documentos técnicos elaborados por el Programa Nacional de Riego. El documento “Obras de riego para zonas montañosas” fue publicado por primera vez el año 2004, como guía práctica para orientar a los profesionales del sector en la aplicación de un enfoque integrador en el diseño de obras, que contemple el punto de vista hidráulicoconstructivo y el contexto económico-productivo y social-organizativo del funcionamiento de los sistemas de riego. Para la implementación exitosa de las inversiones en riego que actualmente promueve el Gobierno del Estado Plurinacional de Bolivia, este enfoque se hace necesario y pertinente, razón que motiva esta publicación actualizada. Para que un sistema de riego funcione adecuadamente cada uno de sus componentes debe ser funcional, de buena calidad y compatible con su entorno, para asegurar cuyo n se proponen criterios generales y especícos de diseño y construcción. El documento presenta estos criterios para obras de conducción (canales, tuberías, acueductos, sifones invertidos, caídas y rápidas), de distribución, medición y regulación (repartidores, aforadores y estanques) y de protección (desarenadores, vertederos de excedencia, pasos de quebrada y muros de contención), que complementan las publicaciones previas referidas al diseño y construcción de obras de toma. El Viceministerio pone esta publicación a disposición de los profesionales que trabajan en el sector, con el propósito de que sirva como documento de consulta y contribuya a mejorar los servicios de diseño y construcción de obras de riego para las familias de campesinos y agricultores del país.

Ing. Carlos Ortuño Yáñez Viceministro de Recursos Hídricos y Riego

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ÍNDICE 1. ASPECTOS GENERALES.................................................................................................... GENERALES.................................................................................................... 1.1 Introducción ............................................... ..................................................... ..................... 1.2 Las distintas obras de riego.............................................................................. ................... 1.3 Características de la zona montañosa boliviana ................................................ .................

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2. PROCESO DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN ............................................ .......................... 2.1 Diseño conceptual del sistema y de las obras ................................................... ................. 2.2 Diseño nal de las obras ............................................. .................................................... .... 2.3 Características del proceso de diseño .................................................... ............................ 2.4 Construcción de las obras .................................................... ...............................................

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3. CRITERIOS GENERALES DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN ............................................. 21 3.1 Criterios generales generales de diseño y construcción construcción................................................... ................... 21 3.2 Implicancias Implicancias de de los criterios criterios generales generales para las las obras de riego riego .......................................... 24 4.RED DE RIEGO ................................................. .................................................... ................ 29 4.1 Diseño de la red de conductos ..................................................... ....................................... 29 5. CANALES ............................................... .................................................... .......................... 5.1 Descripción y ubicación............................................ .................................................... ....... 5.2 Criterios Criterios para el diseño diseño de los tramos tramos de canal canal ............................................. ..................... 5.3 Diseño hidráulico .................................................... .................................................... ......... 5.4 Aspectos constructivos ............................................ .................................................... ........ 5.5 Situaciones Situaciones que conviene evitar ................................................. .........................................

37 37 43 44 50 55

6.TUBERIAS ............................................. .................................................... ............................ 6.1. Descripción y ubicación.................................................. .................................................... 6.2 Componentes Componentes de una obra de de conducción conducción entubada entubada............................................. ............. 6.3 Criterios de diseño en el contexto andino ................................................... ........................ 6.4 Diseño hidráulico ................................................... .................................................... .......... 6.5 Aspectos Constructivos .................................................. .................................................... . 6.6 Golpe de ariete .................................................... .................................................... ............

57 57 59 74 74 82 83

7.ACUEDUCTOS ............................................. .................................................... ..................... 7.1. Descripción y ubicación................................................ .................................................... .. 7.2. Diseño Hidraúlico ............................................... .................................................... ............ 7.3 Elementos estructurales ................................................ .................................................... .. 7.4 Aspectos constructivos .................................................. .................................................... .. 7.5. Situaciones que conviene evitar............................................. ............................................

85 85 86 92 95 96

8.SIFONES INVERTIDOS.................................................. INVERTIDOS .................................................. .................................................... ... 99 8.1 Descripción y ubicación................................................ .................................................... ... 99 8.2 Criterios relacionados relacionados con gestión de riego y sostenibilidad sostenibilidad ............................................... 102 8.3 Diseño hidráulico ................................................ .................................................... ............. 104 9. CAIDAS............................................ CAIDAS ............................................ ..................................................... ................................ 9.1 Descripción Descripción y ubicación............................................... .................................................... .... 9.2 Diseño hidráulico ............................................... .................................................... .............. 9.3 Aspectos constructivos constructivos ................................................ .................................................... .... 9.4 Situaciones Situaciones que conviene evitar evitar ............................................ ..............................................

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10.RÁPIDAS ............................................................................................................................. 10.RÁPIDAS 10.1 Descripción Descripción y ubicación............................................... .................................................... .. 10.2 Diseño hidráulico ............................................... .................................................... ............ 10.3 Aspectos constructivos constructivos ............................................... .................................................... ... 10.4 Situaciones Situaciones que conviene evitar .................................................... ....................................

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11.RÁPIDAS ESCALONADAS 11.RÁPIDAS ESCALONADAS................................................... ................................................... .............................................. 139 11.1 Descripción y ubicación ubicación .............................................. .................................................... ... 139 11.2 Consideraciones Consideraciones sobre el riesgo asociado a las rápidas escalonadas escalonadas ............................. 143 11.3 Diseño hidráulico ............................................. ..................................................... ............. 144 12.REPARTIDORES ................................................................................................................. 147 12.REPARTIDORES 12.1 Descripción Descripción y ubicación.............................................. .................................................... ... 147 12.2 Repartidores Repartidores en el contexto de la distribución distribución de agua ............................................. ....... 153 12.3 Criterios de diseño con relación relación a la gestión de riego y sostenibilidad ............................. 157 12.4 Aspectos constructivos constructivos .............................................. .................................................... .... 158 12.5 Situaciones Situaciones que conviene evitar ................................................... ..................................... 158 13. ESTANQUES ESTANQUES ...................................................................................................................... 13.1 Descripción Descripción y ubicación............................................. .................................................... .... 13.2 Diseño Diseño hidráulico hidráulico ............................................. .................................................... .............. 13.3 Aspectos constructivos constructivos ............................................. .................................................... .....

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14. MEDIDORES DE CAUDAL................................................................................................. CAUDAL................................................................................................. 14.1 Descripción Descripción y ubicación .................................................... ................................................. 14.2 La selección selección de los medidores medidores de caudal.......................................................................... 14.3 Diseño Diseño hidráulico hidráulico ................................................... .................................................... ........ 14.4 Aspectos constructivos constructivos .................................................... ..................................................

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15. DESARENADORES............................................................................................................ DESARENADORES............................................................................................................ 183 15.1 Descripción Descripción y ubicación ................................................... .................................................. 183 15.2 Diseño Diseño hidráulico hidráulico ................................................... .................................................... ........ 187 16.VERTEDEROS LA LATERALES TERALES .............................................................................................. 16.1 Descripción Descripción y ubicación ................................................... .................................................. 16.2 Diseño Diseño hidráulico hidráulico ................................................... .................................................... ........ 16.3 Situaciones Situaciones que conviene evitar ................................................ ........................................

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17.PASOS DE QUEBRADAS 17.PASOS QUEBRADAS................................................. ................................................. .................................................. 201 17.1 Pasos Superiores .............................................................................................................. 201 17.2 Alcantarillas Alcantarillas ............................................... .............................................................. ........ 206 17.3 Estabilización de torrentes ................................................................................................ 210 Anexo A La función buscar buscar objetivo de excel en la solución de problemas problemas hidráulicos hidráulicos ......................... 213 Anexo B Muros de Sostenimiento Sostenimiento............................................... .................................................... ......... 215 Anexo C Simbología................................................................................................................................. 227 Bibliografía............................................... Bibliografía ............................................... .................................................... ............................ 229

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CAPÍTULO CAPÍTULO

ASPECTOS GENERALES

Figura 1.1. Zona de riego en ladera

1.1 Introducción Para el buen y duradero funcionamiento de un sistema de riego, sus obras hidráulicas deben estar adaptadas a las condiciones de su entorno y uso. En las zonas montañosas esto implica que las obras deben acomodarse a la topografía ondulada y quebrada, las condiciones climáticas climát icas variantes (frío-calor, seco-húmedo), la estacionalidad de los caudales, la fuerza destructiva del agua en las laderas y el arrastre de materiales sólidos. En cuanto a lo productivo, las zonas montañosas se caracterizan por épocas marcadas de producción, un acentuado minifundio y condiciones desde relativa hasta extrema pobreza de la población rural. En cuanto a la gestión social, los sistemas en zona montañosa son autogestionados por el grupo de usuarios sin interferencia ni subsidio de otra institución. Son estas condiciones generales de las zonas montañosas que forman el marco en el que tienen que desempeñarse las obras de riego. Es sabido ya que si no se adaptan a las condiciones locales, las obras no perduran o son causa continua de conictos y problemas. Entonces, una de las tareas principales del diseñador es la de generar compatibilidad entre las obras de riego y su entorno, adecuándolas al entorno físico e hidrológico y a los requerimientos y capacidades de los usuarios. Solo si se garantiza que las obras duren y que los usuarios puedan usarlas y mantenerlas, éstas conformarán un sistema sostenible. Para compatibilizar las obras con su entorno, los diseñadores deben recoger toda la información posible sobre los factores que inuirán en su futuro funcionamiento. Después, se inicia la

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elaboración de propuestas para las obras, para luego escoger las alternativas más adecuadas y proceder con el cálculo de sus detalles. Una de las herramientas que ayuda a concretizar las propuestas técnicas es la sistematización de las experiencias de diseño y construcción de obras ya ejecutadas. En esta Guía las lecciones de esa experiencia se tradujeron en criterios para el diseño y la construcción de las obras de riego. Por naturaleza siguen siendo criterios generales, que requieren de adecuaciones para que las obras se adapten a las condiciones especícas de cada localidad. Cabe mencionar que la elaboración de las propuestas de diseño y construcción no es responsabilidad solo del diseñador, sino requiere de un proceso de diseño de concertación colectiva (con participación de los usuarios) y de carácter iterativo que va de ‘líneas gruesas’ hacia un detalle mayor. Para tal proceso se precisa un equipo de diseño con una amplia capacidad de análisis y síntesis de los factores inmersos en el riego, con experiencia en el asesoramiento a grupos de regantes en su análisis de propuestas y con la capacidad técnica para convertir los conceptos generales para el mejoramiento del riego en propuestas técnicas adecuadas.

1.2 Las distintas obras de riego Las obras descritas en esta Guía, se dividen en las siguientes categorías: • • • •

Obras de conducción: canales y tuberías. Obras de conducción especiales: acueductos, sifones invertidos, caídas y rápidas. Obras de distribución, medición y regulación: repartidores, aforadores y estanques. Obras de protección: desarenadores, vertederos de excedencia, pasos de quebrada y muros de contención.

La mayoría de los sistemas de riego no cuenta con todas las obras mencionadas. En los sistemas rústicos solo suele haber canales y repartidores de tierra y alguna vez, un tramo revestido o entubado. En algunos sistemas se encuentran, además, acueductos rústicos construidos de tuberías, hojalata o turriles partidos en dos. En los sistemas mejorados, normalmente hay una mayor variedad de obras, justamente porque el mejoramiento de los sistemas apunta a introducir obras especiales que resuelven los problemas técnicos que inhiben un mejor aprovechamiento aprovec hamiento del agua en la agricultura. Las obras más comun es son canales y tuberías, acueductos, caídas, rápidas, repartidores, desarenadores, vertederos y pasos quebrada. En casos especícos también se incluyen sifones invertidos, aforadores y estanques de regulación.

1.3 Características de la zona montañosa boliviana Para lograr que las obras de riego funcionen de forma sostenible y autogestionada, es necesario que se las diseñe y construya en concordancia con las condiciones de su entorno. En la zona montañosa de Bolivia las principales condiciones por tomarse en cuenta son, por una parte, las particularidades particularidades del entorno natural (siografía, topografía, geología, e hidrología), y por otra, las peculiaridades del entorno sociocultural y de producción agrícola.

1.3.1 Fisiografía Fisiográcamente, Bolivia se divide en dos unidades mayores: el bloque andino y las planicies bajas. Estas dos unidades se subdividen en siete provincias siográcas (Montes de Oca, 1997): A-1 Cordillera Occidental Occidental o volcánica volcánica A-2 Cordillera Central Central - Oriental Oriental B Altiplano C Subandino D Llanuras E Escudo brasileño F Serranías chiquitanas


Figura 1.2. Las siete provincias siográcas de Bolivia

Dentro del bloque andino, la Cordillera Occidental se desarrolla a lo largo de la frontera occidental del país y está formada principalmente por volcanes cuyas cumbres, en algunos sectores, sobrepasan los 6.000 m de altura con nieves eternas. Este complejo es uno de los reguladores climáticos más importantes de país, al impedir el paso de los vientos del océano Pacíco hacia el Altiplano. Por Por sus condiciones condiciones climáticas es es una zona inepta inepta para la producción producción agrícola. agrícola. El Altiplano es una meseta endorreica, ubicada entre la Cordillera Occidental y la Cordillera Central - Oriental. Tiene una altura promedio de 3.700 msnm y una temperatura media anual de 10ºC. Cuenta con extensas planicies y pocas montañas de altura mediana. Sus principales fuentes de agua son vertientes y pequeños riachuelos. La Cordillera Central - Oriental es una cadena montañosa que también controla el clima general de la zona al impedir el paso del aire húmedo desde los llanos hacia el oeste, generando de esta manera, climas secos y áridos. Los ríos pertenecientes a las cuencas del Amazonas y del Plata al norte y al sur, respectivamente, forman una red de drenaje compleja. La región, en general, tiene una morfología escarpada y en ella se encuentran los valles andinos donde la temperatura media anual es de 18ºC. La geomorfología de la zona es inestable y susceptible a una rápida degradación al ser removida la vegetación. La mayoría de los sistemas de riego de Bolivia, se encuentran en la cordillera Central - Oriental y por ello esa zona constituye el entorno principal en el que se ambienta esta Guía.

1.3.2 Topografía La constante siográca en el bloque andino es su topografía accidentada, que diculta y encarece todo tipo de actividad de producción agrícola y desarrollo rural. Construir un sistema de riego signica dicultosas excavaciones excavaciones contra taludes, a veces inestables y otras veces rocosos, grandes longitudes de canales bordeando laderas, obras de conducción adicionales para cruzar quebradas


y/o salvar depresiones topográcas, obras de protección contra los torrentes montañosos y contra la gran cantidad de material sólido que arrastran las fuentes de agua. Además, a consecuencia de la topografía, las zonas de riego suelen estar dispersas, ubicadas en empinadas laderas y pequeños valles donde cultivar la tierra muchas veces exige trabajos previos de terracería. La topografía montañosa montaños a determina el tamaño del sistema de riego en general y de sus componentes estructurales en particular. Los sistemas en zonas montañosas son pequeños con relación a los de zona plana, lo que también provoca restricciones en su viabilidad económica.

1.3.3 Geología El terreno sobre el cual se apoyan las estructuras en un sistema de montaña, puede ser suelo volcánico, roca sedimentaria, suelo glaciar o terreno aluvial, cada uno con sus propias condiciones de capacidad portante y estabilidad. En el bloque andino, adicionalmente, son comunes las zonas de geología en formación, con morfología inestable en el tiempo debido a la gran erodabilidad de los suelos. Las condiciones geológicas inuyen en la selección del emplazamiento y el tipo de obra por construirse. Así, la selección entre un acueducto o sifón invertido para cruzar una depresión puede depender de condiciones de fundación sucientes para soportar las pilas. En otros casos, las condiciones geológicas determinan el tipo de soporte que se precisa construir para garantizar la durabilidad de la obra.

1.3.4 Precipitación e hidrología En las zonas montañosas existe una amplia variedad de microclimas, porque las montañas obstruyen o permiten el paso de aire húmedo hacia las cuencas. En el caso de los Andes, ese aire húmedo trata de llegar ascendiendo desde el océano Pacíco o desde la llanura amazónica y es notable la diferencia de niveles de precipitación que puede presentarse entre dos cuencas vecinas. En Bolivia, las precipitaciones en la zona montañosa se concentran en un período corto, desde diciembre a marzo, con lluvias de duración corta pero intensidad alta. De 60 a 80 % de las precipitaciones ocurren durante estos 4 meses. El régimen de lluvias del verano obedece al descenso de la zona de convergencia intertropical, mientras que el período seco invernal (entre mayo y agosto) depende de la dislocación de la zona de convergencia intertropical hacia el norte que ocasiona un movimiento de aire seco y estable. Dos épocas de transición separan estos dos períodos, uno en abril y otro de septiembre a octubre. La distribución e intensidad de las lluvias tiene efecto en la premisa más básica para el diseño de riego: la disponibilidad de agua. El agua puede ser abundante en zonas de deshielo o en zonas de elevada precipitación, en contraste a zonas donde escasea todo el año. Ciertas zonas solo pueden captar el agua que les traen las intempestivas crecientes durante la época de lluvias, mientras que el resto del año el río está seco o el agua circula bajo su lecho, obligando a construir captaciones subterráneas y semi-subterráneas como las galerías ltrantes. En general, el caudal disponible es estacional y por tanto altamente variable; las obras de riego deben adecuarse a estas uctuaciones permitiendo la conducción de un caudal base limitado, pero con la posibilidad de llevar caudales mayores después de lluvia fuertes. Uno de los problemas con los que tropieza el proyectista al encarar el diseño de un sistema de riego en zona montañosa es la falta de información hidrológica histórica. La existencia de microclimas en estas zonas conspira contra la interpolación o la extrapolación de datos conocidos en otras regiones. La experiencia juega aquí un papel importante, porque permite asumir datos sobre la base de conocimiento de situaciones en sitios similares. Los habitantes son además una fuente valiosa de datos hidrológicos. Ante la incertidumbre planteada, es recomendable encarar el diseño con un grado de seguridad dando particular importancia a las estructuras vitales para la continuidad del funcionamiento del sistema. Hay que aceptar que tal perspectiva puede llevar a un

cierto sobredimensionamiento de algunas obras, pero es mejor que lamentar destrozos a causa de una menor precaución. La ocurrencia de precipitaciones intensas sobre cuencas con pendientes pronunciadas, generalmente desencadena procesos destructivos en los suelos altamente erodables de la zona, lo que se traduce en torrentes que arrastran una elevada cantidad de material sólido: arcillas en suspensión, limo, arena, grava y hasta pedrones, que amenazan la integridad de las obras que intervienen en la captación, conducción y distribución del agua para riego. En este ámbito, las obras de toma, deben ser rmes y robustas, considerándose, además, que los cursos de agua no siempre están denidos ni estables sino en formación, alterando su curso o alterando los contornos del mismo.

1.3.5 Ingeniería de riesgo en zonas montañosas Para tomar decisiones sobre las obras de riego en zonas que presentan condiciones naturales adversas e inestables, se recomienda aplicar las ideas básicas de la ingeniería de riesgo. El riesgo en esta rama se describe como la probabilidad de ocurrencia de un fenómeno que provocaría un cierto grado de daño. En cuanto a los proyectos de riego, las mismas obras pueden provocar riesgos a su entorno (por ejemplo a causa de rebalses de agua o por construcción en taludes inestables) y a la vez son sujetas a los riesgos existentes en su entorno (como deslizamientos, socavación o la fuerza destructiva de avenidas). Al considerar considerar los riesgos inherentes inherentes a la construcción construcción o el uso uso de las las obras y los riesgos riesgos que éstas sufren de su entorno, la ingeniería de riesgo en zonas montañosas obliga a pensar más allá de las meras obras necesarias para la conducción y distribución del agua. Debe incluirse el análisis de los riesgos de eventuales efectos negativos a causa de las estructuras construidas construidas y la proyección de obras de protección necesarias para que sean duraderas. Estas facetas adicionales inuyen en el análisis económico de la rentabilidad de los proyectos. Para tomar decisiones sobre la solidez física y sostenibilidad socioeconómica de un proyecto en una zona montañosa debe hacerse, entonces, un análisis completo de las posibles consecuencias negativas y las medidas complementarias, tomando en cuenta las siguientes consideraciones: 1) El potencial de deslizamientos de talud inducidos por las obras de riego. 2) El potencial de pérdidas de inversión debidas a los deslizamientos inducidos por las obras de riego. 3) El potencial de pérdidas de inversión debidas a deslizamientos deslizamient os naturales y erosión. 4) El costo por hectárea sin deslizamientos ni control de erosión. 5) El costo por hectárea con deslizamientos y control de erosión, incluyendo actividades de manejo de la cuenca en las áreas de inuencia de las obras. 6) La relación entre los benecios del riego y los benecios del uso alternativo de la tierra.

1.3.6 Producción agrícola y objetivos de riego En la zona montañosa, tres factores naturales tienen inuencia decisiva en la producción agrícola: la altura, la temperatura y la disponibilidad de agua. A grandes rasgos, la altura dene el posible tipo de cultivos, mientras que la temperatura y la disponibilidad de agua determinan el periodo de crecimiento. En general, todas las regiones de los Andes bolivianos cuentan con un periodo lluvioso, que se aprovecha para la siembra grande o de año. Cultivar en los demás periodos del año depende de la disponibilidad de agua de riego. En las zonas de altura, aún con riego, los períodos de siembra inician recién después de la época de heladas y granizadas, por lo que la gestión agrícola suele empezar recién en agosto. En las zonas de menor altura, las restricciones climáticas son menores. Según la disponibilidad de agua en la fuente, el periodo del año y la demanda de agua de los cultivos, los agricultores persiguen distintos objetivos objetivos con el riego. Estos objetivos inuyen en las



características de las obras de riego. En la Tabla 1.1 se dan algunos ejemplos de esta interrelación (Gerbrandy y Hoogendam, 1998). Tabla 1.1: Ejemplos de relación entre el tipo de riego y características de las obras de riego

OBJETIVO DE RIEGO

DISPONIBILIDAD DE AGUA

CARACTERÍSTICAS DE GESTIÓN

Asegurar el Época de lluvia; desarrollo de los alta disponibilidad cultivos durante veranillos

Dimensiones máximas de canales, repartidores exibles.

Preparar la tierra.

Dimensiones de canal según caudales determinados.

Ampliar el el ciclo agrícola o para un segundo o tercer cultivo

Riego libre por la relación favorable entre oferta y demanda de agua, riego simultáneo a muchos usuarios. Por lo general en Distribución según turnos época de mediana denidos, tiempos de riego disponibilidad más largos que en riego al cultivo. Donde existe, complemento con agua de embalses. Por lo general en Distribución según turnos época de escasez denidos, en sistemas de agua. de ujo base ‘monoujo’, en sistemas de embalses también ‘distribución proporcional’.

CARACTERÍSTICAS DE LAS OBRAS

Contrarrestar Época de escasez riesgos climatológicos Mejorar la Época de lluvia, calidad de tierra alta disponibilidad (lameo)

Flujo continuo.

Caudales enormes, riego libre, reparto de agua a todos a la vez.

Dimensiones de canales de acuerdo con caudales determinados, repartidores repartidores jos (‘cerocien o proporcional). Requiere infraestructura especíca: distribución proporcional, camellones. Dimensiones de canales muy grandes, repartidores exibles.

Es común que en un sistema de riego, a lo largo del año, se combinen dos o más objetivos de riego, por lo que también deben combinarse las características de su infraestructura. Lo último no siempre es fácil de realizar. Sin embargo, no puede cometerse el error de excluir en el diseño uno de los tipos de riego, porque obliga a que los usuarios introduzcan adecuaciones posteriores que a menudo signican la rotura de las obras recién construidas.

1.3.7 Gestión de riego La gestión de riego es el término general para el conjunto de actividades colectivas que son necesarias para que funcione el sistema de riego y mantenga su funcionamiento en el tiempo. En vista de que en Bolivia todos los sistemas de riego son autogestionados, los propios usuarios son responsables de todas estas actividades. Cualquier proyecto de riego debe fortalecer la capacidad de autogestión de los usuarios, así que es de suma importancia que los requerimientos de operación y mantenimiento de la infraestructura nueva o mejorada estén al alcance del grupo de regantes.

Derechos de agua La base para la autogestión de los sistemas de riego está en la denición y distribución de los derechos de agua, que establecen: 1) quiénes cuentan con el derecho de uso del agua y uso de la infraestructura hidráulica, 2) cuáles son las condiciones y criterios para obtener estos derechos, 3) cómo y cuando cada uno de los usuarios está permitido de usar el agua y la infraestructura, 4) cuáles son las obligaciones que deben cumplirse para mantener su derecho, y 5) en qué medida

participa cada usuario en la toma de decisiones colectivas sobre la gestión de su sistema (Beccar et al, 2002). La denición de estos aspectos es esencial para que cada quién tenga claridad en cuanto a lo que recibirá y a lo que a cambio debe contribuir, y es una condición básica para una acción colectiva exitosa. Si no existe claridad sobre estos temas, tampoco estará claro quiénes pueden usar el agua y en qué proporción, ni menos cuáles son sus responsabilidades u obligaciones en el mantenimiento de la infraestructura, en las actividades de distribución de agua y en la organización de usuarios. El contenido especíco de estos derechos varía entre los diferentes sistemas de riego, dependiendo de las circunstancias particulares de cada zona (condiciones físicas, agroecológicas, socioculturales). socioculturales). Por ser la base del funcionamiento de los sistemas, los derechos de agua también determinan ‘las líneas gruesas’ del diseño de la infraestructura. Principalmente determinan las zonas por regarse (que es la suma de las parcelas de los que tienen derechos de agua) y así la ubicación de los canales principales y secundarios. Indirectamente también inuyen en las dimensiones de los canales y otras obras de riego (cuánta agua debe pasar a cada sector), aunque estas dependen también de las modalidades de distribución de agua.

Modalidades de distribución Para convertir los derechos de agua en un reparto de caudales, el grupo de beneciarios dene su modalidad de distribución de agua, entendida como la forma concreta del reparto del agua hacia cada uno de los regantes. A grandes rasgos, se conocen tres modalidades principales: i) el riego libre, sin reglas denidas, ii) el reparto continuo, en el cual cada usuario o sector recibe una porción del caudal durante todo el tiempo de riego y iii) el reparto por turnos, en el cual cada usuario o sector recibe su agua de forma discontinua, en turnos. La modalidad de distribución depende en principio de la relativa disponibilidad de agua para los usuarios; a mayor escasez, existe mayor necesidad de aplicar reglas jas para el reparto. Después inuyen factores como tipo de cultivo, facilidad de su aplicación, necesidad de control, tiempo por invertirse y otros. En muchos sistemas de riego de la zona andina, las modalidades de distribución de agua varían según el periodo del año con el n de dar respuesta a las cambiantes condiciones de escasez de agua en el tiempo. Sobre todo en los sistemas de toma directa con uctuaciones en su caudal de entrada, se aplican distintas modalidades de distribución a lo largo del año. Directamente después de la época de lluvia se aplica el riego libre, en el que cada uno puede tomar el agua que precisa. Cuando escasea el agua en la fuente y aumenta el número de conictos sobre su uso, se cambia a un sistema de turnos. El diseño de los canales, obras de arte y repartidores, debe posibilitar la aplicación de estas dos modalidades. A cambio, en los sistemas con agua regulada o de caudal más o menos constante, casi siempre se aplica únicamente la modalidad de turnos y en lo general con turnos bien denidos. En los sistemas de turno lo más común es que el caudal entero llegue a un solo usuario, regando todos los usuarios uno tras otro. Esta modalidad se conoce bajo el nombre de ‘monoujo’ porque en todo momento se mantiene un solo caudal. El término de ‘multiujo’ se aplica a los sistemas que funcionan con reparto de caudales simultáneos a distintos sectores. Cuando el caudal es mayor y difícil de manejar por un solo usuario, puede darse una combinación de las dos: ‘multiujo entre sectores con monoujo dentro de cada uno’ o ‘monoujo hacia los sectores con turnos a su interior’. La selección de una modalidad de distribución tiene consecuencias importantes para el diseño de la infraestructura, principalmente en cuanto a la dimensión de sus canales y la selección del tipo de repartidores. Así, en los sistemas que funcionan con `monoujo’, la dimensión de los canales debe mantenerse igual hasta el punto más lejano del sistema, en vista de que el caudal entero tiene que llegar hasta la última parcela. En estos sistemas, los puntos de reparto funcionan de forma ‘cero-cien’, desviándose el caudal entero a uno de los canales de salida. En tales casos apenas



se diferencian los canales principales de los secundarios y no hace falta instalar aforadores de caudal. Por otra parte, en sistemas de reparto continuo, las dimensiones de los canales se ajustan a la porción del caudal que recibe cada sector del sistema, por lo que los canales secundarios son de una dimensión menor que los principales. En tales sistemas pueden aplicarse repartidores proporcionales, sin compuerta alguna, o en caso que la proporcionalidad varíe a lo largo del año, debe optarse por repartidores con compuertas. En estas situaciones, es recomendable instalar aforadores de caudal en los principales puntos de distribución con el n de vericar la correcta distribución del agua. Un tema de mucha preocupación en la distribución es el robo de agua. Si el robo perjudica a los demás usuarios, se requiere de mecanismos de control y sanciones para disminuirlo. El diseño de las obras de riego debe favorecer el control sencillo y transparente, permitiendo que todos los usuarios participen en vigilar el cumplimiento de sus reglas.

Mantenimiento Otro aspecto de la gestión de riego es el mantenimiento de la infraestructura. Por un lado se reere a las actividades físicas de manutención de la calidad y funcionalidad de las obras, lo que abarca la limpieza, la pintura, el engrasado y la reparación o reposición de partes gastadas. Por otro lado, el mantenimiento es una actividad social en la que los usuarios conrman, reproducen y/o modican los derechos de agua entre ellos y así su respectivo acceso al agua. En vista de que todos los sistemas de riego bolivianos son autogestionados, los usuarios son los encargados de efectuar los trabajos de mantenimiento y aportar los recursos necesarios (sea en efectivo, materiales o en mano de obra). En la mayoría de los sistemas existen ‘usos y costumbres’ en cuanto a la limpieza y el mantenimiento de las obras. Suele haber una o dos limpiezas anuales y de acuerdo al caso, la reconstrucción de la obra de captación o tramos de canal después de la época de lluvia. Para las actividades de emergencia se buscan soluciones ‘ad hoc’. Los ‘usos y costumbres’ conocidos, normalmente no son sucientes para el mantenimiento adecuado de una infraestructura infraestructur a mejorada, que en la mayoría de los casos requiere actividades más regulares, por ejemplo engrasar compuertas, pintar elementos metálicos, limpiar desarenadores, aforadores y rejillas. Los regantes necesitan recibir capacitación sobre las tareas de mantenimiento y sobre la necesidad de lograr su cumplimiento.

Figura 1.3. Mantenimiento de desarenador

En el diseño y la construcción de las obras de riego, hay que lograr que las exigencias en cuanto al mantenimiento de las obras estén al alcance de los usuarios. Obras complejas que requieren cuidados especiales o que tienen componentes frágiles cuyos repuestos son caros o no se encuentran en el mercado, no sirven en el contexto del riego andino / campesino. Como uno de sus pasos iterativos en el diseño, proyectista y futuros usuarios deben revisar todos los requerimientos de mantenimiento relacionados con las obras mejoradas, especicando el tipo de conocimiento y el volumen de tiempo y dinero requeridos, y controlar si los usuarios del sistema tienen la capacidad de cumplirlos. Para evitar que los usuarios tengan problemas posteriores, es costumbre construir obras sencillas y robustas, que sufran poco desgaste y por tanto no requieran de inversiones adicionales importantes. El usar materiales locales o disponibles en los mercados cercanos, aumenta la posibilidad de un mantenimiento adecuado. De igual manera, las obras no deben requerir controles o limpiezas muy regulares para evitar una sobrecarga de tareas para sus operadores. En todo caso, debe reconocerse que los responsables del mantenimiento son agricultores, quienes en general carecen de conocimiento de la lógica hidráulica de las obras y los aspectos técnicos de su construcción. Esto puede resolverse solo parcialmente mediante cursillos de capacitación durante el acompañamiento a la ejecución de las obras. Su falta de formación técnica hace que en la mayoría de los casos no tengan la capacidad para hacer un análisis crítico del estado de las obras y las necesidades de reparación. Se aconseja que en cualquier sistema de mayor envergadura y que cuente con obras de riesgo mayor (presas, acueductos grandes), una instancia competente comparta responsabilidades de revisión técnica y mantenimiento con la organización de los usuarios. La falta de conocimientos técnicos también puede causar el uso inadecuado de la infraestructura. Así, es habitual que los regantes obstruyan los vertederos de excedencias en canales o reservorios, reservorios, con la idea de aumentar su disponibilidad de agua. Si bien puede ganarse agua con esta medida, no en pocos casos es a costa de rebalses descontrolados, que ponen en riesgo la subsistencia de la infraestructura. De igual manera, lo normal es que las organizaciones de riego no vigilen bien la estabilidad de las obras: no controlen la erosión alrededor de los pilares y estribos de un acueducto, no midan la distancia libre entre acueducto y lecho de quebrada y no controlen los procesos de erosión y deslizamiento. La generalmente limitada capacidad técnica y tendencia a un manejo poco cuidadoso, subraya la necesidad de que los proyectistas prevean obras sencillas y rmes, que difícilmente puedan manipularse en un sentido adverso a la sostenibilidad del sistema. El diseño de las obras, además, debe facilitar el control social de la distribución del agua.

Organización de usuarios Todo sistema de riego cuenta con una organización de sus usuarios, que puede ser formal o informal, especíca para el riego o ser parte integral de una organización existente. En las zonas montañosas de Bolivia, lo más común es que cada sistema tenga su organización especíca. En sistemas pequeños, por lo menos hay un cargo especíco para el riego dentro de la organización comunitaria. La organización de riego es la que se encarga de todas las actividades relacionadas con el funcionamiento del sistema: establece los derechos de agua, dene las modalidades de su distribución, decide sobre las fechas y turnos de entrega, dene los aportes de los usuarios, estipula las fechas de faenas de limpieza, nombra a representantes en los cargos de la organización, etc. Es común que los cargos en la organización de riego sean cumplidos por voluntarios, quienes por elección o por turno asumen las tareas de manejo del sistema. Pocas organizaciones de riego contratan personal para efectuar una parte de sus actividades. En general, las organizaciones de riego tienen la suciente capacidad para cumplir con las tareas operativas ordinarias (distribución de agua, vigilancia, limpieza, etc.) y con las tareas organizativas (llevar a cabo reuniones, denir faenas, recaudar aportes, etc.). Suele faltar la capacidad técnica para introducir modicaciones modicaciones en



la gestión de riego o en la infraestructura, por lo que su funcionamiento es relativamente estático. Solo cuando se ejecuta un proyecto de mejoramiento se genera un gran dinamismo en todos sus componentes.

1.3.8 Condiciones institucionales en Bolivia El entorno institucional tiene una inuencia indirecta en el diseño y la construcción de las obras de riego mediante los criterios que adopta para la elegibilidad de los proyectos de riego y microriego. Estos criterios denen la subvención máxima por familia y por hectárea incremental del sistema. Los límites de subvención restringen los tipos y la envergadura de las obras por construirse en un proyecto y también inuyen en su diseño y construcción. Para el diseñador, el límite de inversión le obliga a buscar un equilibrio entre el conjunto de obras por ejecutarse y su impacto en la disponibilidad y eciencia de uso de agua. Otra condicionante institucional está en el tipo de diseños que suelen hacerse en Bolivia, y cuya repetición es una señal de su institucionalización. En los proyectos de riego se nota que los diseñadores suelen copiar sus propios diseños o los de sus colegas. En consecuencia, hay un número reducido de obras que se repiten en la mayoría de los proyectos. Por una parte, esta repetición puede demostrar la utilidad de los diseños adoptados. Por otra, puede manifestar un cierto estancamiento en la búsqueda de soluciones creativas para los problemas encontrados en nuestro entorno.

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PROCESO DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN

Figura 2.1. Construcción de un canal

2.1 Diseño conceptual del sistema y de las obras El diseño de un sistema de riego consiste en el desarrollo de las obras hidráulicas de forma simultánea con la denición de los derechos de agua, las modalidades de distribución de agua y el fortalecimiento de la organización de los usuarios (Beccar et al, 2002). Además, implica vericar de manera continua si los usuarios son capaces de manejar, operar y mantener las obras propuestas. El proceso de diseño inicia con su diseño conceptual, que describe las principales características del sistema y su funcionamiento. El punto de partida para el diseño conceptual es la información sobre la fuente de agua, los beneciarios del sistema, las parcelas por regarse, los usos que se le quiere dar al agua en la producción agrícola y las características generales del terreno. Sobre la base de estos datos, el diseñador y los usuarios desarrollan primeras ideas sobre los derechos de agua de cada uno de los usuarios, las unidades por regarse, los periodos de riego y las modalidades y caudales de distribución del agua. En los sistemas existentes, muchos de estos elementos ya están denidos. Se sabe por ejemplo quiénes son los usuarios, dónde están sus áreas de riego y cómo distribuyen su agua. Además, También se conocen los problemas en el funcionamiento del sistema. En tales casos, el diseñador encargado del mejoramiento recoge estos elementos y discute con ellos cuáles requieren ajustes y qué ajustes son adecuados. En los sistemas nuevos, el diseño conceptual inicia de cero y requiere mayor atención en denir sus aspectos elementales.



Basándose en el diseño conceptual del sistema, se hace un inventario de las obras de riego necesarias para poner en práctica la conducción, distribución y regulación de agua previstas. En primera instancia aun de forma general, tomando en cuenta las condiciones del terreno y los límites territoriales de las comunidades involucradas. En un croquis, se dibujan los sectores por regarse, se denen los canales principales y secundarios y se plantean los principales puntos de reparto. También se inventarían los drenes naturales y su ubicación en relación con los sectores de riego y los canales. En el mismo croquis, se anotan los caudales previstos para las distintas etapas del ario, así congurándose el primer esquema hidráulico del sistema. Al denir los tramos tentativos de los canales, los diseñadores determinan si se necesitan obras especiales a causa de las características del terreno (acueductos, sifones, pasos quebrada, alcantarillas) y buscan posibilidades para reducir la complejidad de los trazos y reducir los gastos. Los primeros croquis de los canales y el inventario de las obras de arte, suelen dar suciente información para juzgar si el diseño conceptual inicial es factible o requiere ajustes (cambio de límites de sectores regables, de modalidad de distribución, de dimensiones u otros). En caso necesario, se revisan los supuestos y se modica el diseño preliminar de las obras. Es buena práctica que los diseñadores presenten distintas alternativas de las obras y su emplazamiento para ser discutidas con los usuarios. En coordinación con ellos, se denen los criterios para la elección de la alternativa más adecuada.

2.2 Diseño nal de las obras Una vez denido el diseño conceptual del sistema y de las obras, se procede al diseño detallado de todas las obras de riego. Para ello, se plantean las obras preliminares en campo y se verica las posibilidades de su construcción. En sitio, se investiga cómo pueden conseguirse los tramos de menor complejidad, con el menor número de obstáculos y que requieren el menor número de obras de arte. Después de ubicar las obras principales se procede a denir los detalles de su diseño incluyendo sus cálculos hidráulicos. Recién en esta etapa se eligen las obras de conducción especícas, como acueductos o sifones invertidos y caídas y/o rápidas. A la vez, se inventarían eventuales riesgos en la conducción del agua o en el cruce de quebradas y se diseñan las obras de protección (desarenadores, vertederos de excedencias, muros de contención y pasos de quebrada) y las necesidades de poder aforar los caudales en puntos determinados. En el diseño nal de las obras deben conjugarse los criterios de diseño de esta Guía, para dirigir las decisiones respecto a temas como pendientes, materiales, dimensiones, profundidades y bordo libre. Sin embargo, hay que considerar que al enlazar los criterios se pueden generar soluciones contradictorias, por lo que en cada caso debe considerarse la importancia de cada criterio por aplicar.

2.3 Características del proceso de diseño A causa causa de la variedad variedad de temas por por denirse en el el diseño y en vista de que las decisiones decisiones sobre cada elemento tienen consecuencias para los demás, el proceso de diseño debe ser: • Un proceso colectivo de concertación. concertaci ón. En el proceso de diseño participan distintos actores con distinto rol y responsabilidad en su desarrollo. De una parte, participan profesionales técnicos, que tienen la responsabilidad de producir un diseño que se adecua a los deseos y capacidades de los regantes y que se enmarca en las condiciones naturales existentes en la zona. De otra, participan los regantes quienes dan información sobre sus prácticas y capacidades de gestión y evalúan las propuestas de los profesionales técnicos. Organizar una efectiva coordinación entre estas partes, exige de ambas insistencia, insistenci a, paciencia y grandes esfuerzos de entendimiento mutuo (Beccar et al, 2002).

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Figura 2.2. Diseño participativo en el campo

• Un proceso iterativo. En un proceso iterativo, después de tomar decisiones preliminares sobre un componente, se estudian sus consecuencias para los demás componentes, incluyendo los que ya fueron denidos, hasta generar compatibilidad entre todos. Se distingue claramente de un proceso lineal en que no se reabren fases ya concluidas. • Un proceso que va de ‘líneas gruesas’ hacia mayor detalle. En las distintas fases del proceso iterativo las decisiones se vuelven cada vez más concretas y de mayor detalle. Después de un diseño conceptual de todo el sistema, se pasa a las fases del diseño detallado de la gestión y el diseño hidráulico y constructivo de las obras.

2.4 Construcción de las obras En el proceso de construcción de las obras, se convierten las obras diseñadas en obras reales. Es normal que en el proceso de construcción se adecuen detalles del diseño de las obras. Si el proceso de diseño fue bien llevado y sus resultados concertados entre proyectistas y usuarios, las adecuaciones solo conciernen cambios de detalle, como ajustes de pendiente de una rápida o cambio de posición de una compuerta. Si el diseño no fuera concertado, las adecuaciones en el momento de la construcción suelen ser mayores por ser el momento en el que los beneciarios ven cómo y dónde se van a construir las obras. Hay proyectos donde se tuvo que cambiar hasta los emplazamientos de los canales y las demás obras, porque no se concertó el derecho de paso. Por razones de eciencia de trabajo y rentabilidad económica, tales cambios hay que evitar a todo costo. Es mejor invertir más tiempo y dinero en la concertación de un diseño, que volver a repetir todo en el momento de la construcción. En la construcción de los proyectos de riego participan los beneciarios y empresas constructoras. Es importante denir una buena división de trabajo entre ellos, haciendo el uso más efectivo y eciente de las capacidades de cada uno. En la división de trabajo debe mantenerse cierta independencia entre las actividades de ambos, para evitar que el retraso de uno afecte ene! cumplimiento del otro. Es sabido que en todos los proyectos, tanto las empresas constructoras como los beneciarios demoran en el cumplimiento de sus tareas. La suma de sus demoras genera el retraso excesivo, tan usual en la fase de construcción. Para que resulten obras de buena calidad, es imprescindible que la construcci ón de las obras cuente con especicaciones detalladas y vaya acompañada de una supervisión continua y minuciosa por parte de ingenieros responsables y experimentados. Está comprobado que la mayoría de los defectos en las obras son consecuencia de una deciente construcción y no tanto de malos diseños. Existen múltiples ejemplos de soleras y paredes descascarándose a consecuencia de mezclas pobres o fraguado inadecuado del hormigón (Figura 2.3). Tales problemas no se resuelven con mejores diseños, sino con un control estricto y reglas de responsabilidad para los constructores y supervisores. Durante la prueba hidráulica se efectúa un primer ensayo de la calidad de las obras. Es buena práctica involucrar a los futuros usuarios en el control de calidad de sus obras para asegurar su

s a s o ñ a t n o M s a n o Z a r a p o g e i R e d s a r b O


conformidad con los resultados de la construcción. Hay que aprovechar que los usuarios suelen tener buena idea sobre las posibles fallas en las obras, por su presencia en los trabajos y su profundo conocimiento del entorno local.

Figura 2.3. .Efectos de mala mala construcción a) Filtraciones y erosión. b) rajaduras

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CAPÍTULO CAPÍTULO

CRITERIOS GENERALES DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN

Figura 3.1. Toma de datos en campo

Para que un sistema de riego sea operativo sus obras hidráulicas deben ser funcionales, de buena calidad y compatibles con el entorno natural, productivo y social, tal como está descrito en los capítulos anteriores. La revisión de experiencias de obras exitosas y defectuosas pone en evidencia que existe una serie de criterios que debe necesariamente cumplirse para garantizar la conveniencia, operatividad y solidez de las obras. Los criterios para el diseño y la construcción de las obras de riego se dividen en dos categorías: 1. Criterios generales de diseño y construcción, que prescriben las características generales de todas las obras para que estas sean funcionales dentro de los sistemas de riego de montaña. Estos criterios generales se describen en este capítulo. 2. Criterios especícos para cada obra, obra, que son las aplicaciones de los criterios generales para cada obra determinada. Los criterios especícos especí cos se describen en los demás capítulos de este libro.

3.1 Criterios generales de diseño y construcción El diseño y la construcción de las obras de riego en los sistemas autogestionados en zonas montañosas deben basarse en los siguientes criterios generales: • Sostenibilidad Sostenibilida d y durabilidad. • Funcionalidad y exibilidad.



• • • •

Manejabilidad y transparencia. Mantenibilidad. Seguridad. Eciencia de costos.

3.1.1 Sostenibilidad y durabilidad La sostenibilidad se dene como la capacidad de los usuarios de asegurar que la infraestructura siga cumpliendo sus funciones en el tiempo. La sostenibilidad tiene una relación estrecha con la durabilidad de las obras, pero no es exactamente lo mismo. La durabilidad acentúa la permanencia de la obra en el tiempo. En la mayoría de los casos, ésta es una de las condiciones para la sostenibilidad, porque al contar con obras duraderas, se evita la necesidad de reponerlas. En general, entonces, debe aspirarse a la durabilidad de las obras, lo que signica que deben ser resistentes y sufrir en lo mínimo de erosión o desgaste. Además, su diseño debe basarse en la presunción que inevitablemente sufrirán algún grado de abuso de parte de los usuarios (quienes normalmente no son cuidadosos, ni puntuales en actividades de mantenimiento o reposición). Se sabe que justamente en las zonas montañosas es difícil difíc il garantizar que todas las obras perduren por un periodo largo, a causa de la inestabilidad del entorno donde se las construye. Hay que tomar en cuenta que en condiciones de inestabilidad del terreno, a veces deben buscarse obras que en vez de ser duraderas, sean fáciles de reponer y cuyo reemplazo esté dentro de las capacidades técnicas y económicas de los usuarios. Así, el sistema será sostenible, aunque no todas las obras sean duraderas. En la búsqueda de diseños para la sostenibilidad, deben aplicarse los instru mentos de análisis de la ingeniería de riesgo para minimizar los riesgos que corren las obras y los riesgos que éstas causan. La aplicación de la ingeniería de riesgos tiene como objetivos: i) determinar el emplazamiento óptimo de canales y otras obras, basado en un análisis de riesgo y posibles pérdidas, mitigar las posibles inestabilidades y riesgos generados por la construcción de las obras y ii) diseñar sistemas de riego que causen una mínima degradación ambiental. La aplicación de los análisis de riesgo puede resultar en proponer medidas de protección de las obras de riego, que encarecen el proyecto, pero aumentan su sostenibilidad.

3.1.2 Funcionalidad y exibilidad La funcionalidad se dene corno la capacidad capacid ad de las obras de conducir el agua en la forma deseada y de regular esas obras de forma tal que implementen las reglas de distribución acordadas. Para que las obras sean funcionales deben contar con un diseño y dimensiones para conducir los caudales extremos (mucha y poca agua) y permitir su efectiva distribución hacia los sectores del área de inuencia. Aparte de su funcionalidad funcionalidad auténtica, debe considerarse considerarse los otros usos que se dan a las obras construidas. Las paredes de los canales se emplean como sendas, los desarenadores y estanques como piscinas, los colchones colchone s de disipación se vuelven lavanderías y los acueductos también sirven como puentes peatonales. El diseñador debe diseñar sus obras de forma tal que por una parte estos ‘usos inapropiados’ no afecten su funcionalidad original, ni pongan en riesgo su durabilidad, y por otra, no se comprometa la seguridad de las personas y los animales. La exibilidad en el diseño se reere a la capacidad de asimilar cambios en las condiciones y reglas de uso de la infraestructura. Las obras deben diseñarse de forma tal que permitan una cierta exibilidad en su operación bajo cambiantes circunstancias de disponibilidad de agua (época de mayor y menor disponibilidad de agua) y variaciones en las modalidades de distribución, cédulas de cultivos y sus requerimientos de agua. Para el diseño deben estimarse las cambiantes circunstancias que puedan darse en el desarrollo futuro del sistema (por ejemplo la extensión del área de riego, la incorporación de otros cultivos, la redistribución de derechos de agua).

3.1.3 Manejabilidad y transparencia La manejabilidad se reere a la capacidad de los usuarios de operar las obras de forma que éstas cumplan su función. La transparencia añade a este criterio la posibilidad que todos los usuarios puedan controlar el cumplimiento del manejo acordado. Una mayor transparencia en las obras permite a todos revisar la correcta aplicación de las reglas de distribución y evita fricciones o conictos sobre el reparto del agua. El criterio de manejabilidad se aplica principalmente a las obras de distribución de agua. El criterio de transparencia es también importante en las obras de captación y conducción. Para asegurar la manejabilidad y la transparencia de las obras, éstas deben ser sencillas, fáciles de entender e inequívocas en la apreciación de su funcionamiento. Por lo demás, la manejabilidad gana importancia solo en las pocas obras que requieren un manejo especíco, como por ejemplo las cámaras de purga de un sifón invertido.

3.1.4 Mantenibilidad La mantenibilidad se dene como la capacidad de los usuarios de conservar las obras en un estado adecuado para el cumplimiento de su función y asegurar su durabilidad. Los trabajos de mantenimiento comprenden la limpieza y el mantenimiento rutinario, el mantenimiento preventivo y el mantenimiento correctivo o de emergencia. La mantenibilidad de la obra no es solo una característica intrínseca de la obra, sino depende también de la capacidad de los usuarios para movilizar los recursos necesarios para las tareas requeridas: mano de obra, materiales locales, dinero para materiales o servicios ajenos y conocimiento y habilidades necesarios para efectuar las reparaciones. Al diseñar las obras, proyectista y regantes deben analizar sus futuros requerimientos de mantenimiento y averiguar si los regantes son capaces de movilizar los recursos sucientes para mantener las obras. Por otra parte, en el diseño debe asegurarse que todas las obras que requieren limpieza y mantenimiento sean accesibles y cuenten con el espacio suciente como para efectuar las operaciones requeridas. Asimismo, debe pensarse en el espacio necesario para depositar los materiales de la limpieza, sin que estas vuelvan a obstruir las obras.

3.1.5 Seguridad Para generar un sistema seguro, exento de todo peligro o riesgo, el proyectista debe diseñar las obras de forma tal que se asegure el buen funcionamiento del sistema, y en caso de fallo de una obra o persona no se produzcan accidentes. La seguridad toma especial relevancia en el contexto montañoso en vista de la inestabilidad de los terrenos y los altos riesgos de erosión en las laderas empinadas a causa de rebalses de agua. Las medidas de seguridad en el diseño cubren una gama amplia: entre ellas, ubicar obras de control del ujo, reforzar las estructuras, construir obras de protección (por ejemplo muros de contención), entubar canales en zonas inestables y ejecutar medidas de protección para evitar accidentes personales (por ejemplo escaleras en los estanques). Para evitar problemas de rebalses, es necesario contemplar en el diseño ‘rutas seguras de desagüe’ que garanticen que no ocurran daños aun cuando se opere el sistema de forma inadecuada.

3.1.6 Eciencia de costos De entrada, se acepta que las obras de riego en la zona andina son caras y requieren altas inversiones por hectárea a causa del difícil acceso, los altos costos de transporte de materiales y gente, las condiciones climáticas que impiden avances continuos y la inestabilidad de los sitios de construcción. A estas se añade la necesidad de construir obras rmes, duraderas y seguras.



Sin embargo, en el diseño deben manejarse parámetros de costos que eviten la construcción de obras excesivamente caras. En Bolivia, para tal efecto se denieron montos máximos de inversión pública por hectárea y por familia. Dentro del margen de los montos máximos, el proyectista debe elaborar diseños alternativos alternativ os que cumplan con los criterios localmente priorizados. La conveniencia de las alternativas se analiza tratando de conseguir la mayor evasión de riesgos que amenazan la sostenibilidad de las obras y la agricultura regada, y de conseguir también la mayor eciencia de costos, entendida como la generación de un mayor volumen de agua nueva o ahorrada con un monto de inversión determinado. En el análisis de los costos de los proyectos se diferencian diferencian i) los costos iniciales de inversión, ii) los costos de mantenimiento y iii) los costos de rehabilitación o reposición. En vista que la inversión inicial suele contar con una subvención de parte del estado o agencias de cooperación, son los dos últimos costos los que deben interesar más al proyectista a la hora de buscar un diseño económicamente eciente.

3.2 Implicancias de los criterios generales para las obras de riego El proyectista proyectist a debe procurar que su diseño se ajuste en lo posible a todos los criterios mencionados. Aquí se presenta el problema que el conjunto de criterios puede resultar en conclusiones conclusiones contradictorias, sobre todo con relación al costo: lo que es más durable y más exible suele tener un precio más alto. En caso de introducirse modicaciones para reducir los costos, hay que analizar en qué grado éstas comprometen el cumplimiento de los demás criterios. Como resultado nal debe contarse con un diseño que cumpla de forma satisfactoria con cada uno de ellos. Cabe aclarar que no existen medidas absolutas para analizar el cumplimiento de los criterios propuestos, porque se reeren a un equilibrio entre las obras y su entorno local. Estos equilibrios son relativos y dependen del contexto. Obras que son sostenibles en un cierto entorno, no necesariamente lo son en otro. De igual manera, obras que son manejables para los usuarios de un sistema, no necesariamente lo son para otros, por lo que la aplicación de los criterios requiere de análisis contextualizados contextualizados de las características del entorno siográco siográco y de las capacidades y habilidades de los usuarios. Obviando las especicidades locales y de manera ilustrativa, a continuación se presenta una lista de las implicancias generales de la aplicación de los criterios denidos para el diseño hidráulico, el diseño constructivo y el proceso de construcción.

Tabla 3.1 Implicancias de los criterios de diseño y construcción para las obras de riego

Diseño hidráulico

Diseño constructivo y proceso de construcción

SOSTENIBILIDAD Y DURABILIDAD En lo posible adecuar el diseño hidráulico a los límites geográcos y conceptos de distribución existentes, porque éstos han superado la prueba del tiempo. Generar condiciones de ujo no-erosivas y no-depositivas. Asegurar la disipación de de energía en sitios seguros y controlados. Evitar el ingreso de materiales sólidos. En tuberías, evitar ingreso de material que puede tapar el conducto. Donde sea necesario, proteger las obras de riego (por ejemplo en cruce de quebradas). Asegurar el el drenaje transversal transversal de canales canales y construcciones construcciones mayores mayores en ladera. Diseñar obras robustas y resistentes. Sobredimensionar las partes de las obras que son susceptibles a ser afectadas por erosión o desgaste. Controlar y asegurar la estabilidad de las obras (acueductos, reservorios). Introducir obras de protección (considerar aspectos de ingeniería de riesgo). Construir en terreno rme, sobre todo en laderas y cerca de quebradas por cruzarse. Evitar perturbar los taludes y construir en terreno compactado en ladera. Asegurar supervisión supervisión para para controlar cumplimiento cumplimiento estricto de las especicaciones especicaciones técnicas para la construcción. Contratar mano de obra experimentada para aprovechar al máximo la resistencia y durabilidad de los materiales. Introducir mecanismos de control de calidad por parte de los usuarios, por ser ellos que sufren de los posibles defectos. En lo posible, reducir el uso de materiales importados a la zona, sobre todo en sistemas alejados de mercados.

Diseño hidráulico


FUNCIONALIDAD Y FLEXIBILIDAD Dimensionar Dimensionar las obras basándose en los eventos extremos, como caudales en época de lluvia (veranillos) versus caudales de época seca.

Evitar que las obras restrinjan los cambios en las reglas de distribución / prácticas de conducción. conducción. Diseñar con vista al uso múltiple del agua: riego, uso doméstico, lavado, abrevaderos, molinos de agua. Prever diseño para el futuro: por ejemplo posible extensión del área de riego o aumento de caudales. Vericar con los usuarios sobre la funcionalidad de las obras diseñadas. Prever los usos alternativos de las estructuras: por ejemplo bordo de canal como senda, acueducto como puente. Donde sea requerido, construir con posibilidades para la fácil ampliación de las obras. Diseñar con el supuesto que las obras sufrirán cierto abuso por parte de los usuarios, prever que esto no afecte la funcionalidad de las obras.



Diseño hidráulico

MANEJABILIDAD Y TRANSPARENCIA Diseñar obras cuyo funcionamiento hidráulico solo requiera manipulaciones sencillas y con poco esfuerzo físico. Diseñar obras cuyo funcionamiento es fácil de entender. Estandarizar el diseño de las obras a lo largo del sistema (por ejemplo tipos y dimensiones de compuertas y aforadores). Evitar el diseño de estructuras que trasladan trasladan la responsabilidad de su operación y mantenimiento a instituciones externas.


Diseñar para la operación sencilla de las obras: usar mecanismos de operación fáciles. Diseñar con el supuesto que las obras sufrirán cierto abuso por parte de los usuarios, prever que esto no afecte la manejabilidad. MANTENIBILIDAD Diseñar con miras a reducir los requerimientos requerimientos de limpieza y mantenimiento: generar condiciones de ujo que eviten el depósito de sólidos y no afecten la solidez de las obras.

Diseño hidráulico

Concentrar los depósitos de materiales sólidos en puntos determinados con fácil acceso y buenas condiciones condiciones para la limpieza. Donde no hay problemas de extrema escasez de agua, incorporar artefactos de limpieza hidráulica (como compuerta de fondo en desarenador). Dimensionar Dimensionar las obras para el fácil ingreso de personas y con espacio para maniobrar. Dimensionar las obras de acuerdo con los tamaños de herramientas que se usan en la limpieza. En lo posible, usar materiales locales que son fáciles de reponer.

Diseño constructivo y proceso de construcción Diseño hidráulico

Usar el proceso de construcción para enseñar a los usuarios las prácticas de buena construcción y control de calidad. Transferir la tecnología y los conocimientos necesarios para el mantenimiento mantenimiento y la reparación de las obras. SEGURIDAD Diseñar siempre una ‘ruta segura’ para ujos de agua excedentes como efecto de manejo inadecuado de obras. Introducir medidas para controlar y desviar caudales excedentes antes de que ocasionen daño. Asegurar enlaces enlaces seguros con la red de drenaje drenaje natural, especialmente especialmente en puntos de rebalses controlados. Tomar márgenes amplios para las dimensiones de las medidas de seguridad (bordo libre). Diseñar los canales y obras para la situación de uso a cinco años de construir (mayor rugosidad, desgaste de solera).


Diseño hidráulico


Diseño hidráulico

Asegurar que las las obras aguanten aguanten los previsibles previsibles usos no-intencionado no-intencionados. s. Aplicar análisis análisis de ingeniería ingeniería de riesgo para para denir emplazamientos emplazamientos óptimos. Construir protecciones alrededor de las obras que representan posible peligro (estanques, acueductos, tubería colgante) EFICIENCIA DE COSTOS Comparar diseños alternativos con relación a su aumento de disponibilidad de agua. Comparar diseños alternativos con relación a la seguridad de conducción (análisis de riesgos), dar preferencia a diseños de mayor seguridad. Considerar eciencia eciencia de costos con relación a materiales de construcción y procesos constructivos (por ejemplo: materiales locales versus materiales importados, construcción en sitio versus uso de elementos prefabricados). Asegurar que los los costos de operación operación y mantenimiento mantenimiento sean mínimos, mínimos, con relación a los costos de inversión inicial. EFICIENCIA DE COSTOS Comparar diseños alternativos con relación a su aumento de disponibilidad de agua. Comparar diseños alternativos con relación a la seguridad de conducción (análisis de riesgos), dar preferencia a diseños de mayor seguridad.


Considerar eciencia eciencia de costos con relación a materiales de construcción y procesos constructivos (por ejemplo: materiales locales versus materiales importados, construcción en sitio versus uso de elementos prefabricados). Asegurar que los los costos de operación operación y mantenimiento mantenimiento sean mínimos, mínimos, con relación a los costos de inversión inicial.


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CAPÍTULO CAPÍTULO

RED DE RIEGO

Figura 4.1. Sistema de Riego

Los sistemas de riego cuentan con una red de canales (o conductos cerrados), que inicia con un canal principal desde la fuente, y que luego se ramica para llevar el agua a las parcelas. Los canales de una red hidráulica se clasican de distintas formas: 

Según la jerarquía en el sistema: en canales primarios, secundarios y terciarios o en canales principales y laterales.



Según la función: en canales de conducción, distribución, dist ribución, canales parcelarios parcelari os o regaderas y canales de drenaje.

Al aplicar estas clasicaciones clasicaciones a los sistemas de riego de montaña, a menudo se observan incongruencias por falta de una jerarquía clara entre los conductos o porque existen canales con doble función. Se recomienda aplicar la clasicación según su utilidad adoptando cierta exibilidad en su denominación.

4.1 Diseño de la red de conductos En el diseño de la red de conductos pueden distinguirse dos etapas: 1) El diseño de la red. 2) El diseño hidráulico de cada tramo de canal.



En la primera etapa, se denen los rasgos generales de los canales y la relación entre los tramos constituyentes. Este es el tema del presente Capítulo. En la segunda etapa se denen los detalles especícos de cada tramo, sobre la base de su rol en el sistema y su ubicación especíca en el terreno. Este tema tem a se describe en el Capítulo 5. En la mayoría de los text os sobre riego e hidráulica solo se toma en cuenta la segunda etapa, enfocando principalmente los criterios hidráulicos del diseño por tramo. Para el diseño de la red de canales, se siguen los siguientes pasos: Paso 1) Denir las zonas por regarse: área de inuencia En una gran mayoría, los sistemas de riego en Bolivia distribuyen su agua solo al grupo de socios con derecho de usufructo de la misma. El área de inuencia de estos sistemas es la suma de las parcelas que los socios cultivan debajo de la fuente de agua o del canal principal. La meta de los socios es que la mayor supercie posible de sus terrenos tenga acceso al agua. Por este mismo hecho, en la mayoría de los proyectos de riego la denición del área por regarse no es tanto un tema técnico, sino una derivación de quiénes cuentan con el usufructo del agua y dónde tienen sus parcelas. Solo ocasionalmente, el área se dene sobre la base de un análisis de aptitud de suelos. En consecuencia, los estudios de suelos no deberían enfocar análisis generales de aptitud de suelos, sino dar mayor énfasis en el análisis de riesgos de degradación en las parcelas asignadas por los socios del agua (amenazas de erosión y/o salinización); esto para eventualmente excluir algunas parcelas del área de inuencia. Por otra parte, en las zonas montañosas y especialmente en los sistemas campesinos, hay que tomar en cuenta que la supercie del área de inuencia suele ser mayor al área estrictamente regable con el caudal disponible, porque los agricultores dejan una parte de su área bajo riego en descanso y rotan entre las parcelas por cultivarse. El área global de inuencia de la red de canales, se subdivide en zonas que recibirán su agua mediante una serie de canales laterales. En textos de riego, estas zonas suelen llamarse bloques, módulos o sectores. La denición de estas zonas depende principalmente de la organización territorial de los regantes. Es aconsejable hacer coincidir los límites de las zonas o bloques de riego con los límites de los grupos sociales existentes (sean estos comunidades, ayllus, suyus o asignaciones). No siempre es posible lograr esta meta a causa de las características topográcas, caso para el que habrá de buscarse soluciones creativas. Paso 2) Trazar los canales Una vez denida el área de inuencia, se trazan los canales que conduzcan el agua desde la fuente a todas las zonas de riego. El trazado inicial se efectúa sobre un mapa topográco con indicaciones de uso de tierra y con curvas de nivel, consiguiendo así un primer acercamiento a la alineación horizontal y vertical de los canales. principales se consideran los siguientes criterios: Para el trazado de los canales principales se 

En general, se busca mantener altura en los canales principales para poder regar la mayor supercie posible.



Se intenta obtener el trazado de menor distancia entre la obra de toma y la zona de riego.



El trazado debe adecuarse a las zonas con menores dicultades de construcción y donde se garantiza su estabilidad en el tiempo. En lo posible se debe evitar la necesidad de obras de arte.



El trazado debe, en lo posible, optimizar la relación entre excavación y relleno, en vista de que el movimiento de tierra constituye uno de los mayores costos en la construcción. Sin embargo, en canales en ladera, la estabilidad del canal es más importante que la

optimización del movimiento de tierra. Para mayor estabilidad se trabaja en material rme, evitando el relleno. 

En el análisis de las alternativas para el trazado de los canales principales, se combinan los criterios anteriores, buscando un trazo que optimice la relación entre i) mayor área de inuencia, ii) menor complejidad de las obras, iii) menor movimiento de tierra y iv) estabilidad de los canales.



El trazado de los canales no debe cruzar los límites sociales de los grupos de regantes denidos. Se preere seguir los límites de las comunidades o sectores para evitar que se dividan los grupos de regantes socialmente establecidos o que se agrupen regantes que en otros campos de su vida no tienen lazos de cooperación.



En los sistemas existentes, el trazado preferiblemente sigue la alineación de los canales existentes, con el n de preservar la división espacial de los usuarios, evitar problemas de derecho de paso y aprovechar la sección existente.

Criterios especícos para el trazado de los canales laterales: laterales: 

Su trazado debe permitir la conducción de agua a todos los terrenos que forman parte del área de inuencia.



Las dos formas más conocidas son ‘laterales de canto’, que es la más común en zonas montañosas, y ‘laterales espina de pez’, que se hallan en zonas de menor pendiente (Figura 4.2). Figura 4.2. Red de riego con ‘laterales de canto’ (izq.) y ‘laterales espina de pez’ (der.)



También el trazado de los canales laterales preferiblemente coincide con los límites espaciales entre los grupos de distribución, equilibrándose este criterio con el objetivo de una menor complejidad en su construcción.



En caso de laterales compartidos entre varios grupos, los regantes deben estar conformes con el trazado compartido.



Se preere adecuar el trazado a los límites parcelarios, para evitar el corte de terrenos agrícolas y reducir los problemas de derecho de paso.



 

En los sistemas existentes, los trazados preferiblemente siguen los trazos ya en uso. A menudo, el trazado de los canales laterales va en dirección de la pendiente, pendiente, por lo que hay que tener especial cuidado con las obras de pérdida de carga y disipación de energía.

El trazado de todos los canales debe concertarse con los regantes y sobre todo con los propietarios de los terrenos que atraviesan. Paso 3) Denir los caudales de diseño y el esquema hidráulico Después del trazado preliminar de la red de canales se elabora el esquema hidráulico del sistema, que es como un resumen gráco del futuro funcionamiento de la red. En el esquema hidráulico se indican los caudales de diseño de todos los tramos de canal, tomando en cuenta sus variantes caudales en el año y los posibles cambios entre caudales de día y de noche. En el esquema hidráulico se incluyen las obras de regulación (repartidores y estanques), porque éstas inuyen directamente en las posibilidades operativas del sistema. Para visualizar la futura operación del sistema, no hace falta incluir las otras obras de arte como vertederos, medidores, caídas, rápidas o sifones invertidos, pero puede ser instructivo para tener una idea global de la red por construirse. Figura 4.3. Ejemplo de un esquema hidráulico

Criterios especícos en cuanto a los caudales de diseño y el esquema hidráulico: 

Los caudales de diseño de los canales dependen de:    

La disponibilidad del agua en la fuente. La modalidad de distribución en el sistema. Las demandas de agua de los agricultores. El área por regarse.



Todos estos parámetros pueden variar a lo largo del año, por lo que es útil elaborar distintos esquemas hidráulicos que representen la secuencia de usos de agua en el año.



Las ‘demandas de agua de los agricultores’ dependen de los requerimientos de agua de sus cultivos y de sus prácticas agrícolas (preparación del terreno, riego de barbecho o ‘lameo’ con agua con alta concentración de lama). Los mayores caudales de agua se

utilizan durante o directamente después de la época de lluvia (lameo, riego suplementario en caso de veranillos) o para la preparación de los terrenos. En consecuencia, los caudales de diseño normalmente deben ser mayores a los que se calculan para la máxima demanda de agua en época seca. 

Sobre la base de las demandas de agua y la disponibilidad de agua en la fuente, se denen los distintos caudales de diseño para el sistema entero. Estos caudales deben estar respaldados con un balance hídrico serio.



Sobre la base de las demandas de agua y la disponibilidad de agua en la fuente, se denen los distintos caudales de diseño para el sistema entero. Estos caudales deben estar respaldados con un balance hídrico serio.



La conversión de los caudales totales en caudales de diseño para cada tramo, depende de la modalidad de distribución vigente que determina el tipo de reparto del caudal en el tiempo y el espacio.



Las modalidades más opuestas son el ‘monoujo’, que lleva el caudal entero hasta la última parcela del sistema e implica que todos los canales deben tener la misma capacidad de conducción, y la ‘distribución proporcional’, que divide el caudal en partes proporcionales a las áreas por servirse, con una consiguiente disminución de la capacidad hacia los tramos más lejanos del sistema.



Al denir los caudales de diseño, hay que tomar en cuenta si el riego es continuo (24 horas al día) o solo funciona durante un número limitado de horas. Una reducción del número de horas por día requiere un aumento en el caudal de diseño.



En la denición de los caudales de operación para los distintos canales, se consideran también los argumentos de factibilidad social y económica. La propuesta de trazado y dimensiones de canales es socialmente factible cuando los usuarios tienen la capacidad de cumplir con todos los requerimientos de operación y distribución. Es económicamente factible cuando los costos de construcción no sobrepasen los benecios económicos y sociales a mediano plazo. Si alguna de estas factibilidades está en duda, hay que volver a considerar la propuesta elaborada.

Paso 4) Analizar la coherencia interna de la red re d Con el esbozo de la red preliminar de canales y los datos básicos de sus tramos y obras de regulación, se analiza si existe coherencia interna en la red que permita que el sistema opere de la forma propuesta. En especial, se debe revisar si el sistema en todos sus tramos contempla: Continuidad de caudal La suma de los caudales de los canales inferiores dene el caudal de cada canal superior. Se verica esta relación en el esquema hidráulico, tomando en cuenta la modalidad de distribución propuesta, en particular si existe monoujo o multiujo. Continuidad de energía de transporte de sólidos A lo largo de la red red de canales canales debe mantenerse mantenerse la energía energía necesaria necesaria para transportar transportar los sólidos sólidos en suspensión y de fondo, que es función de la pendiente de los canales y el tirante y velocidad del ujo. En vista que el tirante suele disminuir a lo largo de la red (a causa del reparto del agua o de pérdidas), es aconsejable aumentar las pendientes de los tramos más lejanos para evitar sedimentación.



Figura 4.4. Desarrollo óptimo de las pendientes en redes de riego

En zonas montañosas es difícil cumplir con esta exigencia, porque la topografía del terreno se desarrolla a la inversa, con pendientes mayores cerca de la zona de captación y menores en la zona de riego y porque el trazado del canal responde sobre todo a los límites entre las parcelas. En consecuencia, es casi inevitable incluir reducciones de pendiente, donde habrá depósito de sólidos y una disminución de la sección. Para evitar que esto ponga en riesgo el buen funcionamiento del sistema, los usuarios deben limpiar estos tramos frecuentemente. Para facilitar la limpieza, el proyectista debe ubicar los tramos de reducción de pendiente en lugares fácilmente accesibles y con condiciones para verter el material depositado. En los sistemas de zona montañosa la cuestión no es tanto si se incluyen reducciones de pendiente, sino dónde. Ruta de seguridad En todo sistema de riego siempre existe el riesgo de rebalses a causa de un mal manejo, del ingreso de agua no esperada o de obstrucciones en el canal. En zonas montañosas, tales rebalses representan un gran riesgo por la fuerza destructiva del agua en las laderas, que en cuestión de horas puede comprometer la estabilidad de las obras. Para evitar tales problemas, el proyectista debe idear una ruta de seguridad del agua, que aún en situaciones adversas asegure la conducción segura del agua hacia cauces estables. Para ello, deben incluirse vertederos de excedencias en puntos estratégicos de la red; por ejemplo después de la entrada de agua adicional (quebradas) y antes de reducciones cruciales de sección (sifón invertido, acueductos). Asimismo, en los repartidores principales, el proyectista debe prever lo que ocurrirá en caso de una operación inadecuada (todas las compuertas cerradas) e introducir las medidas necesarias para evitar ujos descontrolados (por ejemplo instalar compuertas bajas). Transiciones entre tramos En una red de conductos existen transiciones entre tramos de distintos materiales y dimensiones. dimensiones. Cada cambio de sección o pendiente del canal debe introducirse con cuidado para evitar uctuaciones bruscas en el ujo del agua. Para los cambios de sección se diseñan tramos de transición gradual. En especial hay que tener cuidado en las transiciones de canales revestidos a los canales en tierra, asegurándose que la fuerza del ujo no exceda la fuerza tractiva permitida para estos últimos.


Figura 4.5: Excesiva erosión en la transición de canal revestido a canal de tierra

En caso de una disminución de la pendiente en un tramo de canal, hay que vericar si se genera un cambio en el régimen de ujo de supercrítico a subcrítico, porque de ser así requiere resaltos controlados (disipadores) (disipadores) y mayor altura de paredes. Otro tema especial son las curvas horizontales, que deben ser graduales y se diseñan tomando en cuenta la sobreelevación del agua (Capítulo 5).

5

CAPÍTULO CAPÍTULO

CANALES

Figura 5.1. Canal de Riego

5.1 Descripción y ubicación Los canales son conductos que transportan el agua desde la obra de captación hacia el área de riego y dentro del área de riego hacia las distintas zonas y parcelas. En términos hidráulicos se entiende por canales a los conductos abiertos con una supercie de ujo libre sobre la cual actúa la presión atmosférica. Hay canales de distintos materiales: en tierra, con o sin cobertura de pasto, canales en roca, canales revestidos con una capa de cemento, canales de hormigón, de mampostería y tuberías (que pueden funcionar como ductos abiertos o bajo presión). El tipo de material determina el grado de fricción con el agua, la velocidad del ujo permitida, el grado de ltración por las paredes y el riesgo de erosión.



Las características de los tramos de canal son: 1. Ubicación o emplazamiento en planta La ubicación de la red de canales consiste en denir el emplazamiento de los canales principales y laterales, así como las obras de cruce, regulación y protección. La ubicación de los tramos de la red depende principalmente del área por regarse, límites comunitarios, uso de suelo y topografía (Capítulo 4). Denir la ubicación es un proceso iterativo, en el que se busca un equilibrio entre estos factores. 2. Altimetría o emplazamiento vertical La pendiente de los canales se dene de acuerdo con las condiciones de ujo que se quiere generar en cada uno de los tramos. La pendiente oscila entre valores mínimos y máximos establecidos. Se denen valores mínimos para evitar la sedimentación de material sólido en suspensión y para evitar el crecimiento de algas. Se denen valores máximos para evitar erosión de solera y paredes y para evitar que el agua en el canal entre en un régimen supercrítico. Dentro del rango de pendientes mínimas y máximas, el proyectista busca las pendientes que generen el menor costo de construcción en relación con la topografía (equilibrio entre excavación y relleno). Si la pendiente del terreno es mayor a la pendiente máxima permitida para canales, se deben introducir caídas o rápidas para salvar el desnivel de la supercie natural. Uno de los grandes problemas del riego en zonas montañosas es la alta carga de materiales sólidos en el agua. Para evitar que estos sólidos se depositen en los canales se debe mantener la energía necesaria para su transporte a lo largo de la red, como ya se expuso en el Capítulo 4. Esta energía depende de la pendiente y de la velocidad del agua, por lo que las pendientes de canales sucesivos no deberían reducirse. Es más, en sistemas donde el reparto del agua genera reducciones de caudal, las pendientes deberían incrementarse (Figura 4.4). En zonas montañosas es difícil cumplir con esta exigencia, porque la topografía del terreno se desarrolla a la inversa, con pendientes mayores cerca de la zona de captación y menores en la zona de riego. Como consecuencia, casi en todos los sistemas de riego existen reducciones de pendiente donde se acumula material sólido depositado. Para evitar que estos depósitos generen una disminución de la sección, es necesario que se hagan limpiezas regulares. En el diseño el proyectista debe prever que los puntos de reducción de pendiente estén en lugares accesibles y con amplio espacio para verter el material del canal. Inversamente, Inversament e, también hay algunos lugares donde por la incomodidad incomodida d de su limpieza no se permite disminuir la pendiente y más bien se aconseja aumentarla para asegurar su autolimpieza:   

En alcantarillas y túneles. En canales con excavación profunda (más de 1 m). En acueductos.

3. Forma de la sección La sección de un tramo es su forma perpendicular a la dirección del ujo. En general, en el diseño se aplican secciones regulares (rectangular, trapecial o circular). Solo en casos excepcionales, como en roca, se diseñan secciones irregulares.

Figura 5.2 Distintas secciones de canal trapecial, rectangular, circular e irregular

El tipo de sección por usarse depende en primera instancia del material del canal. 





En los canales en tierra, se aplican secciones trapeciales. De acuerdo con el material de suelo, se aplican taludes (horizontal : vertical) de entre 1:1 a 1.5:1 (en suelos cohesivos) hasta 2:1 (en suelos más sueltos). Durante el uso, sus secciones automáticamente se vuelven un tanto irregulares por el desgaste de sus taludes. En los canales en roca, normalmente se diseñan canales trapeciales con un talud muy empinado, sabiendo que la sección nal en el campo depende de la posibilidad de excavar el material. En los canales revestidos y de mampostería u hormigón, se dene la sección optimizando la relación entre capacidad de conducción, volumen de excavación o relleno y facilidad de construcción. En canales muy pequeños también inuyen criterios de comodidad de construcción y mantenimiento. mantenimiento.

Por argumentos hidráulicos y razones de costo, en general se recomienda aplicar secciones trapeciales en el diseño de los canales de riego. Se calcula que para caudales iguales, en un canal de sección trapecial con talud de 1:1, se usa alrededor de 30 a 35% menos de volumen de revestimiento que en un canal de sección rectangular. Sin embargo, por razones constructivas, en canales revestidos es más sencillo aplicar secciones rectangulares, porque i) permiten un encofrado y vaciado sencillo y rápido, y ii) permiten el uso de vibradores sin complicaciones. complicaciones. En las secciones trapeciales el revestimiento se apoya en el suelo, por lo que suele ensuciarse la mezcla con tierra y se complica su vibración por la posición inclinada del vibrador. Si se vacía el revestimiento sin encofrado, el talud más empinado es de 1.3:1. Con encofrado y en canales pequeños, los taludes pueden ser hasta 1:1. Aparte, la aplicación aplicación de secciones secciones rectangulares rectangulares es más más favorable:   

En casos que se necesita tapar el canal para protegerlo de material entrante. En estos casos se usa la sección rectangular para disminuir el ancho de las tapas. En casos de poco espacio disponible, por ejemplo en laderas o en lugares donde un canal pasa entre un camino y una casa. En casos de excavaciones profundas (más de 1 m de profundidad). donde un pequeño aumento en el ancho del canal generaría un incremento considerable en el volumen de excavación.



Figura 5.3. Canales de sección rectangular: en ladera (izq.) y profundo (der).

4. Dimensiones de la sección y estado de ujo Los elementos de la sección de un canal son: Figura 5.4. Elementos de la sección de un canal

b y ymax T H Bl θ z A P R

= base, plantilla, ancho de la solera [m] = tirante, distancia vertical entre el fondo y la supercie del agua [m] = tirante máximo, profundidad máxima del agua en la sección [m] = ancho de la supercie libre del canal [m] = altura total del canal [m] = bordo libre; diferencia entre H y y max [m] = inclinación de las paredes del canal respecto de la horizontal [ º ] = talud; la relación de la proyección horizontal a la vertical; z = cotg θ = área hidráulica, hidráulica, área de de la sección transversal transversal del ujo [m 2] = perímetro mojado, contorno del conducto en contacto con el agua [m] = radio hidráulico [m], R=A/P

En la tabla 5.1 se presentan los elementos geométricos de las secciones más comunes.

41

Tabla 5.1: Elementos geométricos de las secciones más comunes

CANAL TIPO

AREA A

PERIMETRO MOJADO P b +2 y

(

)

RADIO HIDRAULICO R

ANCHO SUPERFICIAL T b

(

)

Las dimensiones de la sección y su pendiente determinan el estado de ujo del agua en cada sección. En la hidráulica, entre los estados de ujo de un líquido se distinguen los de un ujo subcrítico, crítico y supercrítico. La medida para denir estos estados es el número de Froude “F”, que se dene como la relación entre la velocidad del ujo y la velocidad de las ondas gravitac ionales (celeridad):

F v g D A T

= = = = = =

número de Froude [--] velocidad del ujo [m/s] aceleración de la gravedad [m/s 2] profundidad profundidad hidráulica [m]: D = A/ T área hidráulica [m2] ancho del espejo del agua [m]

Cuando el número de Froude es menor a 1.0, se habla de un ujo subcrítico, que es un ujo de velocidad baja y tranquila. En el estado su crítico las ondas gravitacionales se propagan en dirección aguas arriba, porque la celeridad es sucientemente grande para vencer la velocidad del ujo. Cuando el número de Froude es mayor a 1.0, el ujo es supercrítico, con una alta velocidad y que se conoce como rápido y hasta torrencial. En el estado supercrítico es imposible que una onda gravitacional se propague hacia aguas arriba, porque la celeridad es menor que la velocidad del ujo. Cuando el número de Froude es igual a 1.0, el ujo es crítico. La transición del estado subcrítico a supercrítico es un proceso gradual y generalmente tranquilo. La aceleración del agua genera un gradual aumento de la velocidad y una consecuente reducción del tirante. Por denición la aceleración de subcrítico a supercrítico pasa por el estado crítico. Contrariamente, el cambio del estado supercrítico al estado subcrítico es un proceso turbulento. Obligatoriamente pasa por un resalto hidráulico en el que la energía cinética se convierte en energía potencial. La intensidad del resalto y la propagación de eventuales ondulaciones en el canal aguas abajo dependen del número de Froude del ujo supercrítico.



5. Bordo libre Después de determinar el tirante y max para el caudal máximo, se añade una altura adicional adic ional al bordo determinado, conocido como bordo libre. El bordo libre es una altura de seguridad que previene rebalses a consecuencia de oleaje por viento, cambios en el tirante a causa de obstáculos en el canal o variaciones excepcionales del caudal. También evita que cualquier error en el diseño (rugosidad subestimada) o en la construcción (replanteo incorrecto de la pendiente) origine rebalses. 6. Rugosidad El material del canal o su revestimiento determina la rugosidad de la supercie del canal, que es una expresión para la magnitud de fricción que se opone al deslizamiento del agua al pasar por la supercie. El valor de la rugosidad es mayor para materiales más ásperos o rugosos o cuando existe otro tipo de obstáculos en el paso del agua (vegetación). Con el tiempo, la rugosidad de los canales tiende a incrementar a causa de falta de limpieza o desgaste del revoque original. En el diseño es buena práctica usar valores para la rugosidad basados en una estimación del estado del canal después de 5 años de uso. La rugosidad puede expresarse como un coeciente n aplicado en la fórmula de Manning. Existen múltiples tablas que dan valores para el coeciente n para distintos materiales, de las que se sustraen los valores comprobados que se presentan en la Tabla 5.2. Tabla 5.2. Valores de rugosidad para distintos materiales y condiciones de canal

TIPO DE SUPERFICIE Y CONDICIÓN DE TRAMO Valores PRONAR Hormigón (armado, simple o ciclópeo) Mampostería de piedra Tierra

n 0.018 0.022 0.025

Valores adicionales (Ven Te Chow, 1994) Acero galvanizado galvanizado ligeramente ligeramente corrugado corrugado Hierro fundido en uso Plástico Tierra, con pastos cortos, algunas malezas Tierra, con malezas densas Cortes en roca

0.016 0.020 0.010 0.027 0.035 0.035

Corrección para curvas Corrección para profundidades menores (y < 0.5 m)

+0.001 +0.001

7. Partes complementarias Como partes complementarias, en muchos canales hay que construir pasarelas que permiten el libre paso de personas y animales. Es normal complementar las pasarelas con paredes laterales. En las pasarelas para animales de rebaño hay que añadir muros de ingreso que dirigen los animales hacia el estrechamiento de la pasarela, para evitar que algún animal intente cruzar el canal al lado de la pasarela. En cruces con caminos vecinales o entradas de propiedades también se construyen puentes vehiculares, que requieren un cuidado especial en cuanto a su resistencia. En algunos sistemas en zona de pastoreo es conveniente incluir en el diseño del canal rejillas verticales de seguridad a distancias regulares. Estas rejillas inhiben que el agua arrastre largas distancias animales que eventualmente caigan en el canal.

5.2 Criterios para el diseño de los l os tramos de canal Una vez establecidos los trazos y caudales de diseño de la red de canales, se diseñan los detalles de cada tramo (sección y pendiente). En el diseño de los tramos se consideran los siguientes criterios especícos: 

  







    

En todos los canales de riego debe mantenerse un ujo subcrítico, para evitar excesiva erosión de solera y paredes. Desniveles mayores de la topografía se salvan mediante caídas o rápidas. La dimensión de cada tramo se basa en los caudales máximos y mínimos por conducirse a lo largo del año. En canales de tierra, para nes de estabilidad se utilizan secciones trapeciales. En canales revestidos, se preeren secciones trapeciales por el ahorro de costos. Por razones de facilidad de construcción y menor pérdida de terreno puede optarse por canales rectangulares, pero estos tienen un costo mayor. Si hay una gran variación entre los caudales de una época y otra, se sugiere usar una sección trapecial, porque asegura que también con caudales menores se mantiene un tirante considerable. El ancho mínimo de la solera es 0.30 m para permitir el uso de las herramientas usuales para la limpieza. Solo en caso de caudales muy pequeños (del orden de los 20 l/s o menores) puede optarse por un ancho más reducido, aceptando que así se complica el trabajo de limpieza. Para caudales tan reducidos se recomienda el uso de tubería. La velocidad mínima en los canales debe garantizar que no se deposite el material sólido en el agua. Su valor absoluto depende de la cantidad y el tipo de material sólido en suspensión. En los canales de tierra la velocidad mínima debe ser 0.3 m/s, en canales revestidos 0.7 m/s. A lo largo de la red de canales, la capacidad relativa de transporte de material en suspensión y la capacidad de arrastre de material de fondo no deben decrecer. La fuerza tractiva del agua no debe exceder el límite de resistencia de solera y paredes. Los canales deben ubicarse en terrenos estables. En caso de canales en laderas escarpadas con peligro de deslizamientos o derrumbes, se los debe proteger con una tapa o losa (Figura 5.5). Las coronas de los bordos deben tener un ancho de por lo menos 0.3 m para permitir el caminar al lado del canal. En los canales en laderas, solo el bordo exterior debe ser de 0.3 m, el bordo interior puede ser de hasta 0.2 m.

Figura 5.5. Protección del canal con losas en zonas de deslizamiento



5.3 Diseño hidráulico 5.3.1 La Fórmula de Manning para el cálculo de secciones En general, los ujos de agua en sistemas de riego son uniformes no-permanentes. La fórmula más conocida y más aplicada para el cálculo del ujo en canales abiertos es la de Manning y se conoce como: Q A n R S

(5.1)

= caudal [m3/s] = área hidráulica hidráulica [m2] = coeciente coe ciente de rugosidad = radio hidráulico [m] = pendiente [m/m]

El problema de la aplicación de Manning radica en que el valor de “n” no solo depende de la rugosidad del perímetro mojado. Otros factores como la forma del canal, la profundidad del ujo y probablemente el talud inuyen en su valor. Su inuencia es mayor en caso de secciones rugosas y de ujos poco profundos. Según experiencias empíricas, debe modicarse la fórmula de Manning si 0.0251 m. Para canales pequeños (y<1 m), resulta en la fórmula de Manning modicada:

(5.2)

Esta modicación aun no es común en el diseño de los canales, por lo que muchos canales de tierra no conducen el caudal de diseño a pesar de estar limpios. Por ejemplo, en un canal trapecial con z=1, con una rugosidad de 0.025, en vez del tirante teórico de 50 cm, en la práctica se genera un tirante de 60 cm. Además, hay que considerar que en la mayorí a de sistemas solo se limpian limpia n los canales una o dos veces al año, tal que cuando llega a conducir el caudal de diseño, la rugosidad suele ser mayor a la supuesta.

5.3.2 Procedimiento de cálculo hidráulico de secciones El cálculo de la sección procede según los siguientes pasos: 1. Se establecen los valores para los parámetros básicos: El caudal Q [m3/s], de acuerdo con el esquema hidráulico. La pendiente S [m/m], según la topografía del terreno y el ujo requerido. La rugosidad “n”, según material de construcción. El tipo de sección por aplicarse y el talud z. 2. Se calcula la capacidad de transporte K, que se obtiene de un reordenamiento de la fórmula de Manning:

(5.3)

E n caso de canales de tierra pequeños.

(5.4)

El valor de K calculado con los valores de Q, S y n, se usa posteriormente para determinar el valor de A y R, una vez denida la relación requerida entre el ancho y el tirante.

3. Se determina el tipo de sección, más la relación entre ancho y tirante (b/y) y se calculan valores preliminares para “b” y “y”. Para la relación entre ancho y tirante (b/y), en principio se busca la sección hidráulicamente óptima que tiene la mayor velocidad de ujo y el mayor radio hidráulico (R = A/P). En consecuencia, es la sección con la menor supercie transversal para conducir el caudal denido y la que requiere un menor volumen de excavación y/o relleno. Para canales abiertos, la sección hidráulicamente óptima es el semicírculo, pero ésta es difícil de construir e inestable. Para un canal trapecial la mejor sección es un semi-hexágono (para z=1, b/y=0.8) y para un canal rectangular es un medio cuadrado (b/y=2). En conductos circulares el tirante que permite un ujo más eciente es y=0.95D. En canales revestidos, conviene aplicar la sección hidráulicamente óptima, porque garantiza el mayor caudal al menor costo de revestimiento. En canales de tierra, por ser trapeciales y con taludes suaves, resulta en canales demasiado profundos, por lo que en la práctica debe aumentarse el ancho del canal (aumentar la relación b/y). Además, en canales de tierra, se recomienda reducir el perímetro mojado con el objetivo de disminuir la línea de contacto entre agua y tierra, y así disminuir las pérdidas por ltración. Para facilitar el trabajo de diseño, Dahmen (1994) da valores recomendados para z y sus sucesivas relaciones de b/y para canales en tierra y canales revestidos trapeciales, considerando el caudal del canal. Tabla 5.3: Valores recomendados para z y b/y para canales en tierra

Q [m3 /s] Z b/y

0.2 0.8 - 1 1

0.2 - 0.5 0.5 - 10 1 - 1.5 1.5 - 2 1.76 * Q0.35

Tabla 5.4: Valores recomendados para z y b/y para canales revestidos

Q [m3 /s] Z b/y

0.3 1 – 1.25 1

0.3 - 0.5 2.0 - 30 1 - 1.25 1.25 – 1.5 0.03 * Q + 1

Con la relación b/y denida y conociendo el valor de la capacidad de transporte K = A.R 2/3 (obtenido en el paso 2), se calculan (b y) y mediante un simple tanteo 1 dándole valores “a” y hasta que la expresión A.R 2/3 sea igual al valor de K. 4. En caso que el cálculo teórico de “b” y “y” (del paso anterior) resulte en valores poco prácticos, se deben adecuar los valores de “b×y” y a los criterios de construcción. En general se opta por adecuar b a valores predeterminados (un mínimo de 0.30 m con aumentos graduales de 0.05 m). En casos especiales también puede requerirse un ajuste en el “y”, por efectuarse recién después de haber añadido el bordo libre (paso 7). Si se aumenta “b”, debe disminuirse “y” y al revés. La corrección de y sale de la aproximación: , aplicando Manning y con “b/y” del paso 3.

(5.5)

O cuando se aplica la ecuación de Manning modicada:

(5.6)

5. Se calcula la velocidad del ujo en la sección determinada, aplicando la fórmula de continuidad (v = Q/A), con Q, el caudal de diseño y “A”, el área de la sección transversal. Para determinar A se se aplican las relaciones relaciones geométricas geométricas presentadas presentadas en la Tabla Tabla 5.1. 1 Este tanteo puede

simplicarse usando la herramienta Buscar Objetivo del programa Microsoft EXCEL (Anexo A)



6. Después de determinar las dimensiones de la sección, hay que controlar su resultado por a) velocidad crítica, b) fuerza tractiva, c) capacidad relativa de transporte de material sólido en suspensión y d) capacidad relativa de transporte de material de arrastre. a. Velocidad crítica

La velocidad crítica es la velocidad que corresponde al tirante con el mínimo de la energía especíca para un caudal determinado. Velocidades menores a la velocidad crítica pertenecen al régimen lento (subcrítico, ujo normal), velocidades mayores al régimen rápido (supercrítico). (supercrít ico). Para asegurar un ujo normal en los canales revestidos, la velocidad del ujo no debe ser mayor al 70% de la velocidad crítica, manteniéndose el 30% de margen para evitar que un eventual aumento de la velocidad resulte en un cambio en el régimen de ujo, lo que generaría turbulencias y saltos hidráulicos no deseados 2. Para determinar la velocidad crítica v c primero se calcula el tirante crítico y c, aplicando la fórmula de la condición general del régimen crítico: (5.7) g = aceleración de la gravedad [m/s 2] Ac = área hidráulica hidráulica para para ujo crítico [m2] Tc = ancho del espejo del agua en ujo crítico [m] El yc se obtiene mediante tanteo, calculando el valor del miembro izquierdo y después probando valores de y c hasta alcanzar la igualdad (se aplican los valores de y c en las fórmulas de los elementos geométricos A y T presentados en la Tabla 5.1). Con el valor del tirante crítico, se calcula el área hidráulica correspondiente y la velocidad crítica (usando la fórmula de continuidad y = Q/A). Posteriormente se verica si la velocidad calculada en el paso 4 es menor que 0.7 vc. En caso de no ser así, podría aumentarse la rugosidad, cambiar la sección o disminuir la pendiente del tramo y repetir el ejercicio. En la práctica, solo un cambio de la pendiente da resultados aceptables. Hay diseñadores que usan factores de rugosidad altos para asegurar que los canales diseñados tengan la capacidad suciente. Si se usan tales valores altos, hay que considerar que las fricciones reales pueden resultar menores, sobre todo después de la construcción o de limpiezas. Así, la velocidad real sobrepasa la calculada y puede alcanzar la velocidad crítica. b. Fuerza tractiva

Para evitar velocidades erosivas en los canales, en muchos textos se jan velocidades máximas permisibles para distintos tipos de material. Sin embargo, para determinar la fuerza erosiva no es tan importante la velocidad media, sino la velocidad en el límite de la sección. Para ello, se recomienda aplicar el criterio de la fuerza tractiva τ , que es la fuerza que el ujo ejerce sobre las partículas exteriores de la solera y paredes del canal. De investigaciones se concluye que la fuerza tractiva máxima se ejerce sobre la solera del canal, por lo que se usa la fuerza tractiva de fondo como criterio para el diseño: =

c ρ 2

(5.8)

= fuerza tractiva [N/m2] = factor de corrección según la relación de b/y c = 0.77∙ e(b/y) ∙ 0.065 para 1 < b/y < 4 c = 1.0 para b/y > 4 = densidad del uido (para agua normalmente 1000 kg/m 3)

En los canales de tierra, las velocidades máximas permisibles permisibles son muy inferiores a la velocidad crítica.

g y S

47

= aceleración de la gravedad [m/s 2] (9.81 m/s2). = tirante de agua sobre nivel de solera [m] = pendiente de la solera [m/m]

La fuerza tractiva permitida depende del diámetro de las partículas en el bordo del canal. En canales de tierra, generalmente se permite una fuerza tractiva de fondo de 3-5 N/m 2. Para canales revestidos la fuerza tractiva puede llegar hasta 8-10 N/m 2. En caso que la fuerza tractiva sobrepase los límites permisibles, se tiene que reducir la pendiente. Si esto resulta en pendientes menores al desnivel del terreno, deben construirse caídas o rápidas. c. Energía de transporte de material en suspensión

En casi todos los sistemas de riego en zonas montañosas, el agua lleva una gran cantidad de partículas sólidas, una parte de ellas en suspensión y otra parte como material de arrastre. La capacidad relativa de transporte del material en suspensión, T/Q, es proporcional a la energía de disipación por unidad volumétrica de agua: (5.9) T/Q ρ g v S

= capacidad relativa de transporte [(m3/s)/(m3/s)] = densidad [kg/m 3] = aceleración [m/s 2] = velocidad promedio [m/s] = pendiente de la solera [m/m]

Para el transporte del material en suspensión, las características hidráulicas de la red de canales deben ser tales, que ρ∙g∙v∙S sea constante o no decreciente. d. Transporte de material de arrastre

Similar a la capacidad de transporte de material en suspensión, el transporte de material de arrastre depende de la energía del agua. Esta depende de la velocidad de fricción en el fondo del canal, que a su vez depende del tirante y de la pendiente del canal. Para el transporte continuado del material de arrastre, debe garantizarse que (y.S 3) sea constante o no decreciente. e. Control simplicado

En muchos textos de diseño de canales, en vez de efectuar estos controles especícos, se jan velocidades mínimas (para evitar sedimentación y crecimiento de algas) y máximas (para evitar erosión). Las velocidades máximas dependen del material de construcción. Algunos textos también presentan pendientes mínimas y máximas. Sin embargo, ambos parámetros son solo indicativos. Si bien dan una idea del rango en el que deben ubicarse las velocidades de diseño, para el diseño nal se aconseja efectuar las vericaciones indicadas. Tabla 5.5: Velocidades máximas permisibles en canales de distinto material (Villón, 2001)

TIPO DE MATE R I AL Tierra arcillosa Revestimiento de piedra y mezcla simple Mampostería de piedra y hormigón Revestimiento de hormigón Roca arenisca Roca dura

V E LO CI DA D MÁX I MA [m / s ] 0.9 1 2 3 1.5 3a5



7. Se determina el bordo libre. En canales pequeños se recomienda utilizar como bordo libre la mitad del tirante: Bl = y/2 con un mínimo de 0.15 m. Para nes constructivos, es cómodo redondear la altura total del canal (= y + Bh) a un múltiplo de 0.05 m. En canales que funcionan bajo régimen supercrítico, el bordo libre debe ser mayor (Capítulo 10, Rápidas). 8. Donde sea necesario, se diseñan las curvas. En las zonas montañosas es inevitable que en el diseño de los canales se inserten tramos curvos para responder a las condiciones topográcas del terreno. Además, en las zonas de riego se requieren curvas en los sectores donde los canales deben ajustarse a los linderos de las parcelas. Hidráulicamente deben diseñarse las curvas con cuidado, porque el ujo puede volverse irregular y hasta turbulento. Para no generar irregularidades y evitar pérdida de energía por la curva, se recomienda recomie nda que el radio de la curva sea por lo menos 5 veces el e l ancho del espejo del agua. Para ujos lentos con un Número de Froude Fr < 0.4 y en situaciones donde la pérdida de altura de agua no tiene importancia, pueden diseñarse curvas más cerradas. Con éxito se han introducido curvas de 90 o. En caso de curvas cerradas hay que calcular el efecto de remanso y en caso necesario aumentar el bordo libre del canal. En los sistemas de zona montañosa, el efecto de mayor importancia de las curvas es la sobreelevación del tirante en la pared exterior, que si no está bien prevista puede generar rebalses que amenace la estabilidad del canal, especialmente cuando este está ubicado en una ladera. El grado de sobreelevación depende del estado del ujo. En ujos subcríticos se genera una sobreelevación ligera, dependiente de la velocidad del agua y el ancho del canal. La diferencia de elevación del agua en los dos extremos del canal, puede estimarse con la ecuación 5.10. (5.10) Δy v T g r c

= = = = =

ancho del espejo libre del agua [m] velocidad promedio [m/s] ancho del espejo libre del agua[m] aceleración de la gravedad [m/s 2] radio de la curva [m]

El bordo libre debe ajustarse según el cálculo de la sobreelevación: Bl = ymax + ½ Δy.

Figura 5.6. Las piedras revelan los problemas de rebalse por sobreelevación en la curva

En los ujos supercríticos, encima de la sobreelevación por inercia, el ujo desarrolla ondas cruzadas a causa del impacto del ujo en la pared exterior y su separación de la pared interior. Su

inuencia en la altura del tirante se estima de más o menos el mismo valor que la sobreelevación calculada, por lo que en ujo supercrítico: (5.11) Sin embargo, la inestabilidad de los ujos rápidos puede causar mayores diferencias de tirante, por lo que se recomienda simplemente no diseñar curvas en ujos supercríticos, ni en ujos cercanos a la velocidad crítica. Si fuesen inevitables, hay que ajustar el bordo libre del canal o tapar la sección de la curva para evitar rebalses.

5.3.3 Ejemplo de cálculo Calcular la sección de un canal de tierra, de forma trapecial de talud z = 1, para un caudal de 150 l/s y con una pendiente de 0.001 m/m. 1. Para la rugosidad (n) de un canal de tierra se toma 0.025. Este valor signica que en el cálculo de la sección debe introducirse el factor de corrección de y 1/3. 2. El factor factor de de sección sección K es es igual igual a:

3. Primero se determina la relación óptima de

Después se calcula el tirante (y) mediante un tanteo del otro miembro de K, aplicando el factor de corrección de n para canales de tierra poco profundos. K = A ∙ R 2/3 ∙y1/3, usando los elementos geométricos de la sección trapecial y Mediante tanteo se resuelve que b = 0.39 m con y = 0.47 m. 4. Por razones prácticas, se modica el valor de b a 0.4 m. El correspondiente cambio en y es de menos de 0.01 m y en consecuencia despreciable. 5. La velocidad del ujo: 6.

a. Velocidad crítica: se tantea un yc para el que se cumple

, resultando en y c=0.23

m, con una velocidad critica de v c = 1.23 [m/s]. La velocidad del ujo es menor que 0.7* vc, lo que es aceptable. b. Fuerza tractiva: = 0.77 x 1000 x 9.81 x 0.47 x 0.001 = 3.54 [N/m2]. Este valor está por debajo de los límites máximos de la fuerza tractiva aceptable en canales de tierra. c. El valor de la capacidad capacidad relativa de transporte transporte se calcula en: =1000∙9.81∙0.37∙0.001=3.66



Este valor en un tramo especíco no es un dato relevante; lo importante es vericar si la capacidad de transporte de material en suspensión no decrece entre los tramos sucesivos para asegurar que el material sólido se transporte hasta el nal de la red y no se deposite en uno de los tramos intermedios. 7.

El bordo libre se calcula con la fórmula para canales pequeños: . Las medidas denitivas son: b = 0.4 m y h = 0.7 m.

5.4 Aspectos constructivos 5.4.1 Construcción de canales en ladera Los canales en ladera requieren atención especial en cuanto a la estabilidad de su construcción. Para evitar inestabilidad estructural en el canal, por lo menos la pared exterior del canal y preferiblemente también su bordo exterior, deben apoyarse dentro del perl original de la ladera como se muestra en las situaciones a) y b) de la Figura 5.7. Hay que evitar el emplazamiento fuera del terreno original, por la inestabilidad y permeabilidad del material de relleno (situación c). Lo óptimo es un canal en terreno rme con terraceo en la ladera (situación d). Por lo menos se debe construir una berma aguas arriba del canal, con un ancho mínimo de 0.5 m. Si bien este método es oneroso en cuanto a la relación excavación - relleno, garantiza una mayor estabilidad y durabilidad del canal, además de evitar ltraciones en el terreno recién compactado. Figura 5.7. Ubicación de canales en ladera

a)

b)

c)

d)

5.4.2 Revestimiento Por revestimiento de un tramo de canal, se entiende la aplicación de una capa de material impermeable que reduce las ltraciones de agua y en caso de ser de material rígido da mayor rmeza a su solera y paredes. El revestimiento de tramos de canal tiene como principales objetivos: 

Disminuir la pérdida de agua por inltración. Se resume en una mayor disponibilidad de agua y la posibilidad de regar una supercie mayor.





 

Aumentar la la velocidad del agua. agua. Es aconsejable aconsejable en tramos tramos de poca poca pendiente, pendiente, donde una una menor velocidad causaría sedimentación de los materiales sólidos en el agua. En canales revestidos, la velocidad es de 1.6 a 2 veces mayor a la velocidad en canales de tierra. Reducir la sección de los canales. Disminuye la sección de excavación y es especialmente recomendable en sitios donde hay poco espacio o para evitar la pérdida de terrenos agrícolas. Asegurar la solidez del canal, canal, por ejemplo ejemplo en caso de de suelos fácilmente fácilmente deslizables. deslizables. Disminuir los costos de mantenimiento. mantenimiento. Se limita a limpieza y reposición de revestimiento dañado.

El revestimiento tiene un costo alto, por lo que al momento de decidirse revestir o no ciertos tramos deben considerarse sus costos y benecios (inversión de dinero versus ahorro de agua). Para disminuir el volumen de revestimiento, se busca una sección con el menor perímetro mojado por área hidráulica determinada. En este aspecto, la sección trapecial es más económica que la rectangular. El techo de inversión de los proyectos de riego determina que en la mayoría de los proyectos de riego no es posible, aparte de no ser rentable, revestir todos los tramos de canal. La experiencia demuestra que en la mayoría de los sistemas se consigue el mayor ahorro de agua revistiendo los canales principales. principales . Suele coincidir con el deseo de los regantes, quienes preeren el revestimiento revestimi ento de los tramos troncales por ser compartidos por todos y generar ventajas por igual. En casos excepcionales puede hacerse un análisis de todos los tramos para determinar la máxima ganancia de agua con el fondo de revestimiento disponible, tomando en cuenta la eciencia de conducción de cada uno, su tiempo de uso y los caudales que conducen. En caso de revestir partes de un solo canal (principal), es necesario determinar los tramos de mayor urgencia comparando las pérdidas de ltración en cada uno. Después de una o dos gestiones de uso, es fácil identicar en el terreno los puntos de mayores pérdidas.

Materiales de revestimiento El hormigón es uno de los materiales más resistente a la erosión, por lo que se preere aplicarlo en aquellos tramos de canales donde se prevén altas velocidades del agua. Con un tirante apropiado son permisibles velocidades de hasta 3 m/s. El hormigón evita el crecimiento de malas hierbas, mejorando las características del ujo y reduciendo los costos de conservación. Resiste el paso de personas y animales, que pueden causar quebraduras en canales revestidos con otro tipo de material. Una desventaja es que el hormigón es susceptible al daño del agua con sales y a los cambios bruscos de temperatura. Otra desventaja de los revestimientos de hormigón simple es su falta de resistencia a esfuerzos de tensión o tracción. En el revestimiento se producen grietas a causa de los cambios de humedad y temperatura. También las arcillas expansivas son un gran peligro por su tendencia a levantarlos. Para las dimensiones de muros y solera, el PRONAR recomienda un espesor de 0.20 m a n de dar la resistencia necesaria para los trabajos de desvío de agua y para la circulación de usuarios. Sin embargo, con nes de impermeabilización y sobre todo en canales trapezoidales, las normas recomiendan como máximo espesores de 0.10 m. En canales excavados, paredes de hormigón ciclópeo de 0.15 m dan buenos resultados. Una aplicación especial de hormigón es el canal prefabricado. Pueden fabricarse partes de canal de entre 1 a 2 metros, que después se llevan al sitio de construcción. En Bolivia hay poca experiencia con canales prefabricados. En otros países existen buenas experiencias con canales para secciones menores (hasta 150 l/s). Su aplicación en la zona montañosa es limitada por las dicultades de acceso a los sitios de construcción y los costos de transporte. El revestimiento de mampostería de piedra da buenos resultados en cuanto a reducción de ltraciones siempre y cuando las piedras o ladrillos estén bien colocados y cuenten con una buena



cobertura de hormigón. Donde hay materiales y mano de obra, la mampostería es una buena alternativa, más aún porque su mantenimiento y reparación son fáciles de ejecutar con medios locales. La mampostería de piedra es una alternativa más barata que el hormigón. En casos especiales, puede optarse por revestimientos con tuberías (PVC, PE, hormigón o acero) o barriles metálicos cortados. Las tuberías se preeren en zonas de deslizamientos deslizamientos frecuentes o secciones de roca, donde es difícil excavar una sección adecuada y más aún mantenerla.

5.4.3 Construcción de canales de hormigón Un tema de gran preocupación en la construcción de canales de hormigón es la relación entre la solera y la pared, por ser la junta donde ocurren las mayores ltraciones y por ser un enlace de débil adherencia.

Figura 5.8. Caída de la pared por falta de adherencia con la solera

Para obtener la máxima coherencia estructural y ltraciones mínimas, se recomienda vaciar solera y paredes al mismo tiempo, generando un canal de un solo cuerpo. Para este vaciado, primero se colocan dados de hormigón de 15 x 15 cm en el fondo del canal, cuya parte superior coincide con la altura de la solera. La distancia entre los dados debe ser igual a la longitud de las formaletas o maderas del encofrado. Sobre los dados se coloca el encofrado para la parte interior de la pared, apoyadas por listones transversales. La parte exterior de las paredes se apoya en el terreno, un encofrado externo o un relleno de piedras. El vaciado se inicia desde las dos paredes. Por debajo de las formaletas, uirá mezcla hacia el centro de la solera. Posteriormente, se añaden piedras y mezcla para igualar la solera al nivel deseado. En caso de no aplicarse este método, es conveniente construir primero la solera y después las paredes. En hormigón ciclópeo, se dejan piedras sobresalientes, cada 0.5 m, para aumentar la adherencia con las paredes. En hormigón simple, se aumenta la longitud de la junta entre solera y paredes, lo que también ayuda a disminuir ltraciones. Similar prolongación de la junta se recomienda aplicar en las juntas frías de construcción. En hormigón ciclópeo se recomienda para la construcción de la solera que primero se vacíe una capa de hormigón. Sobre esta capa se colocan las piedras, siempre manteniendo una distancia mínima de 1 cm entre ellas. Después se aplica otra capa de hormigón.

Figura 5.9. Secuencia de la construcción de paredes y solera en un solo vaciado


Figura 5.10 Vaciado canal

En canales donde se esperan altas velocidades sobre el piso, se opta por la construcción de la solera con ‘piedras ahogadas’: sobre la cama de hormigón, se colocan con cierta precisión piedras contiguas. Encima de las piedras puede aplicarse una capa de hormigón opcional. Las piedras en la supercie disipan parte de la energía del agua, generando además una mayor rugosidad y menor velocidad en el canal. Cuando se construyen canales de hormigón con encofrado en la cara externa de la pared, se recomienda rellenar el espacio exterior con material seleccionado (más no), que se compacta manualmente.


5.4.4 Juntas de contracción Una losa de hormigón utilizada como revestimiento está sujeta a esfuerzos combinados debido a los cambios de temperatura y humedad. Estos pueden causar agrietamientos por contracción, por los que escurrirán las ltraciones. El control de las grietas se logra con ranuras transversales a intervalos adecuados. Las ranuras sobre el hormigón deben tener una profundidad del orden del 35% del espesor del revestimiento y un ancho de un centímetro. Para evitar las ltraciones, se sellan las ranuras con un material plástico, preferiblemente asfáltico. En canales con un espesor de revestimiento de 20 cm, las juntas de contracción se localizan cada 3 a 5 m. En revestimientos revestimientos de menor espesor, las juntas son más seguidas.

5.4.5 Juntas de dilatación Donde se juntan dos diferentes materiales de construcción (por ejemplo un canal de hormigón ciclópeo con un acueducto de hormigón armado), sus distintos coecientes de expansión generan presiones internas que pueden causar su ruptura. Para evitar tales presiones, se construyen juntas de dilatación entre los dos cuerpos distintos. La apertura en la junta de dilatación depende de la longitud de los cuerpos y su grado de dilatación. La apertura se rellena con una espuma de plástico. Para impermeabilizar impermeabilizar la junta de dilatación, se usa cinta ‘waterstop’, una banda exible e imputrescible cuya forma permite su expansión sin rotura (Figura 5.11). Al colocar la cinta `waterstop’ hay que asegurar que a los lados de la cinta quede un espesor de revestimiento sucientemente grueso para que no se quiebre. En algunos casos se ensanchan los cuerpos en el punto de contacto para generar el espacio suciente para acomodar armadura y `waterstop’.

Figura 5.11. Cinta waterstop entre canal y acueducto

5.4.6 Otros usos del agua En muchos sistemas de riego, hay que adecuar los canales a los otros usos que se dan al agua, por ejemplo lavanderías o abrevaderos. La construcción de estas obras es simple y debe basarse en las necesidades para su uso. Las lavanderías y abrevaderos se construyen en sitios de fácil acceso y del tamaño suciente para uso compartido entre varias personas o animales. Por lo demás, hay que asegurar que otros usos, como por ejemplo el bañarse en el agua de riego, no represente riesgos.

55

Figura 5.12: a) Niños bañándose en desarenador, b) lavandería al lado de canal

5.5 Situaciones que conviene evitar 



 





El problema más frecuente en los canales revestidos revest idos es la mala calidad de su construcción, sea por mezclas mal dosicadas, mala calidad de los agregados, tamaño excesivo de las piedras desplazadoras en el hormigón ciclópeo, hormigonado a temperaturas más bajas que las permitidas o insuciente cuidado contra la helada durante la primera etapa del fraguado. En la mampostería de piedras se observa problemas por insuciente limpieza de las piedras, defectos en el sellado de las juntas y la insuciente cantidad de cemento dentro del mortero. A causa de la mala calidad de de ejecución ejecución del revestimiento, revestimiento, es frecuente frecuente que que los valores valores de rugosidad del diseño no se reejen en la construcción. En consecuencia los canales no tienen la capacidad de conducir el caudal predeterminado. Otro problema general es la ltración de agua por las juntas de construcción, principalmente princ ipalmente por las entre solera y pared. En varios sistemas mejorados, se observa una atención deciente al diseño del estado de ujo en los canales. A menudo se construyen tramos con un ujo supercrítico, pero sin tomar las precauciones del caso: aumentar el bordo libre, evitar curvas y generar disipadores en el cambio hacia un ujo subcrítico. En consecuencia se generan rebalses y salpicaduras que amenazan la estabilidad de las obras. En algunos casos, se diseña los canales revestidos revesti dos con velocidades mayores a las máximas permitidas, sobreestimándose la dureza del revestimiento. La práctica demuestra que en canales que funcionan con régimen supercrítico una solera construida para condiciones de ujo normal puede desgastarse en muy poco tiempo (menos de un año de uso) sobre todo en sistemas que funcionan con agua turbia. Algunos diseñadores diseñadores proponen introducir en la solera de las curvas un peralte para neutralizar el efecto de la sobreelevación en la curva exterior. Esta solución no da buenos resultados, porque los peraltes no se ajustan a los distintos caudales que se conducen a lo largo del año, pero sobre todo porque las profundidades mayores al interior de las curvas se llenan rápidamente con depósitos sólidos. Además, son complejos de construir.


6

CAPÍTULO CAPÍTULO

TUBERIAS

Figura 6.1. Tramo de canal entubado sobre terreno inestable

6.1. Descripción y ubicación Tubería es la sucesión de tubos y piezas especiales, que unidas adecuadamente pueden formar una estructura de conducción de agua para riego. Las tuberías son una buena alternativa de conducción de agua para riego en las siguientes situaciones:   



Cuando la ladera por donde se quiere llevar el agua es inestable y amenaza constant emente con derrumbes que pongan en serio riesgo la operación de un canal. Cuando el terreno es demasiado rocoso y la construcción de un canal resulta difícil y costosa. Cuando se quiere llevar el agua por una pendiente no uniforme desde una fuente ubicada en una cota más alta hasta otro lugar con cota menor. En este caso, la tubería queda sometida a presión en todo el trayecto. En caso de parcelas en terreno accidentado, la tubería es muy adecuada para la conducción del agua dentro de la parcela.



Figura 6.2. Toma parcelaria tipo sifón con tuberías de polietileno 

Cuando el canal debe atravesar una quebrada donde por problemas de topografía y calidad del suelo no es factible construir un acueducto o un sifón. En este caso, la tubería funciona a pelo libre, como un canal de sección circular.

Figura 6.3. Cruce de quebrada con tubería de PVC apoyada sobre pilas 





Cuando el medio de conducción debe implementarse con una urgencia tal que se descarte la construcción de canales por el plazo que esa alternativa demandaría. En este caso la tubería puede funcionar a presión en algunos tramos. Cuando los caudales a conducir son tan pequeños que resulta económicamente más conveniente conducirlos por tubería antes que construir pequeños y más costosos canales. Aunque la decisión nal debe obedecer a un análisis económico especíco, a manera de referencia se recomienda que un caudal inferior a 20 l/s sea conducido por una tubería. Cuando se quieren minimizar las pérdidas por ltración y evaporación.

Dependiendo del caso, la conducción del agua por tubería puede ser supercial, subterránea, aérea, o una combinación de estas situaciones. Las tuberías son elementos muy sensibles a la erosión por el material sólido en el agua. Por ello, debe cuidarse de minimizar la carga de material sólido en el ujo mediante un desarenador que anteceda el ingreso del agua en la tubería. Por otra parte, se debe asegurar que la velocidad del agua no exceda los valores máximos recomendados por el fabricante o que el agua uya a velocidades por debajo de las mínimas recomendadas para evitar el azolve del conducto. Algunas ventajas ventajas de la conducción conducción por tubería:

    

No se necesita cuidar la uniformidad de las pendientes, como en el caso de los canales abiertos. Las pérdidas de agua son mínimas por ltración y evaporación. Requieren menos mantenimiento que los canales abiertos. Con presión, los caudales que puede conducir una tubería son superiores a los que puede conducir un canal abierto con la misma área de sección transversal. Por ser conductos cerrados, disminuyen las posibilidades de robar agua.

Algunas desventajas desventajas de la conducción por tubería:  El agua no está disponible en cualquier tramo, lo que diculta su utilización para nes adicionales al riego (abrevaderos, lavanderías).  El agua no está a la vista, y cualquier problema tal como corrosión u obstrucción no es visible.  Aunque raramente raramente necesarias, necesarias, las reparacione reparacioness son dicultosas. dicultosas.  Su capacidad de conducción no es tan exible como la de los canales abiertos, cuyo bordo libre permite conducir un caudal adicional.

6.2 Componentes de una obra de conducción entubada La obra de conducción entubada se compone de todos o algunos de los siguientes elementos: 1. Cámaras. Según la posición en que están ubicadas y la función que cumplen, las cámaras pueden ser de entrada (al inicio de la conducción), de cambio de dirección y/o diámetro (en puntos de cambio), de entrega (para la distribución), de purga (ubicada en el punto más bajo de la conducción) y de inspección (para el registro y limpieza de la tubería en los tramos intermedios). Las cámaras de registro o inspección pueden coincidir con las de cambio de dirección y/o diámetro, cumpliendo ambos objetivos. En tramos rectos, los espaciamientos recomendables entre cámaras de inspección son los siguientes (Norma Boliviana 688):   

70 metros para tuberías de pequeño diámetro, entre 150 mm y 400 mm. 100 metros para tuberías mayores a 700 mm de diámetro. 150 metros para tuberías mayores a 1,000 mm de diámetro. Figura 6.4. Cámara de inspección en un cambio de dirección



Tabla 6.1: Dimensiones recomendadas de cámaras de inspección (Norma Boliviana 688)

DIÁMETRO [m]

A [m]

C [m]

ALTURA INTERIOR [m]

0.150

0.45

0.53

0.18

0.200

0.60

0.60

0.23

0.250

0.75

0.68

0.30

0.300

0.90

0.75

0.36

0.375

1.10

0.86

0.43

0.450

1.35

0.98

0.51

Como criterio adicional en denir las dimensiones de las cámaras en general, se toma en cuenta la necesidad de tener espacio para limpiar y usar herramientas. Las cámaras se construyen normalmente en mampostería de ladrillo u hormigón ciclópeo, y llevan una tapa de hormigón en el caso de que la tubería no funcione a presión. Cuando la tubería está sometida a presión, las cámaras deben reforzarse reforzar se para poder mantener esa presión y estanqueidad (cámaras de cambio de dirección en sifones invertidos, por ejemplo). En sistemas que funcionan bajo presión, puede necesitarse además cámaras de quiebre de presión, para asegurar que la tubería soporte presiones de trabajo admisibles. Esto es particularmente importante en tuberías en zona montañosa, donde los ductos pueden emplazarse muy por debajo de la línea piezométrica. Las cámaras de quiebre de presión modican la línea piezométrica logrando que en los puntos de su emplazamiento la presión sea igual o cercana a la presión atmosférica, lo que a la vez reduce la presión en los puntos críticos. La gura 6.5 ilustra la modicación de la línea piezométrica A-D entre dos estanques interconectados por una tubería 0-1-B-2-C-3-4. La instalación de cámaras de quiebre de presión en B y C reduce la presión en los puntos críticos 1, 2 y 3 en cantidades de ΔP1, ΔP2 y ΔP3, respectivamente. Para localizar las cámaras de quiebre de presión deben seguirse los siguientes criterios:   

No sobrepasar la carga máxima estática de acuerdo a la presión máxima de trabajo del material utilizado (tuberías y accesorios). Buscar emplazamiento en lugares accesibles, con condiciones de suelo adecuadas para la construcción. Buscar emplazamiento donde sea posible conducir de manera segura las aguas de rebose.

Figura 6.5. Modicación de la línea piezométrica con cámaras de quiebre de presión


3

Para las cámaras de quiebre de presión el Reglam ento Técnico de la Dirección General Gener al de Saneamiento Básico (1999) recomienda la construcción de dos cámaras interconectadas por un vertedero sumergido. La primera cámara es para la disipación de energía y su longitud debe ser igual a 2/3 la longitud total de la cámara. El ingreso a la cámara de disipación se realiza mediante un chorro sumergido multidireccional, usando tubería perforada. Para evitar taponamientos de las perforaciones, el diámetro de éstas debe ser mayor a la distancia entre barras de la rejilla que precede a la conducción entubada. Así se consigue minimizar el riesgo de que el material que ingrese a la tubería a través de las rejillas (hojas, ramas pequeñas) obstruya las perforaciones en la entrada a la cámara de disipación. La tubería de rebose evita sobrepresiones. Figura 6.6. Cámara de quiebre de presión con chorro sumergido y vertedero (Reglamento Técnico de la Dirección General de Saneamiento, 1999)

Por el hecho que en muchas cámaras se depositan los sólidos del ujo, deben tener las dimensiones sucientes para la fácil limpieza. Para evitar que entre material de arrastre en la tubería, lo que llevaría al acelerado desgaste del tubo, se recomienda combinar la cámara de entrada con la función de desarenador / despiedrador.


Que la tubería no permita otros usos del agua (uso doméstico, abrevadero), puede subsanarse mediante ajustes especiales a las cámaras de quiebre de presión o de cambio de dirección. En el Plan Meriss (Perú) se diseñaron cámaras que a la vez son abrevaderos: por una rejilla entra agua de la cámara al abrevadero, impidiendo a la vez el ingreso de material sólido al tubo. Figura 6.7: Esquema y detalle de cámara abrevadero

Las cámaras de distribución son por excelencia lugares de gran atracción para niños y excursionistas, quienes intentan interrumpir interrumpir el ujo (por ejemplo con envases plásticos). En lo posible hay que inhibir el acceso fácil a los puntos cruciales de la línea de tuberías. Se puede recurrir a la construcción de cámaras dobles en los puntos de repartición, para evitar que los niños llenen las cámaras con piedras, introducidas por el tubo de salida hacia los terrenos. Ante esta situación también se precisa efectuar una fuerte campaña de concientización. concientización. 3. Rejillas Para evitar que el material otante entre en el sistema de tubería, se coloca una rejilla en la cámara de entrada. La rejilla debe estar inclinada con una pendiente moderada que permita que el ujo del agua empuje el material otante hacia la parte superior de la rejilla, dejando libre el mayor espacio posible. Las barras de la rejilla deben colocarse en la dirección del ujo y toda la rejilla debe poder ser removida para facilitar su limpieza y para poder acceder a la tubería. En tuberías tipo sifón invertido conviene también instalar una rejilla a la salida de la conducción entubada ante la posibilidad de que el ujo se invierta por purga del agua contenida en la tubería. Para prevenir la obstrucción de la rejilla por material otante también se puede construir una pantalla en la parte superior del canal, t ipo oricio. Figura 6.8. Rejilla en cámara de entrada

4. Tubería de conducción Es el componente principal y más costoso de este tipo de obras. La tubería puede ser de distinto tipo de material y ser de un diámetro único o, a lo largo del tendido, tener distintos diámetros. Cada tubo tiene una serie de características intrínsecas como presión nominal (presión máxima de trabajo a 20ºC), presión de trabajo (presión máxima interior a que estará la tubería en servicio), diámetro nominal (diámetro exterior del tubo), diámetro interior y espesor nominal (grosor del tubo). Los fabricantes suelen también clasicar los tubos de acuerdo con un parámetro normalizado llamado Schedule1 (SCH) que es el redondeo a la decena del valor Pt/σ donde Pt es la presión de trabajo y σ es la tensión correspondiente al 60% del límite de uencia del material a 20°C. Por tanto, para un mismo diámetro externo, cuanto mayor el SCH, mayor el espesor de pared del tubo. Otro parámetro común para clasicar los tubos es la relación dimensional entre el diámetro exterior y el espesor nominal, conocida como SDR 2. La presión de trabajo para un SDR dado es constante, independientemente del diámetro del tubo. Tuberías plásticas En Bolivia se usan mayormente tuberías plásticas porque existe producción nacional y disponibilidad disponibilidad de productos importados. Además, su instalación es fácil y su costo es relativamente relativamente bajo. Los materiales de fabricación varían entre policloruro de vinilo (PVC), policloruro de vinilo no plasticado (PVCU), (PVC U), polietileno (PE), acrylonitrile butadiene styrene (ABS), Poliéster Reforzado con Fibra de Vidrio (PRFV), Polipropileno (PP-C), y Polibutileno (PB). De todos ellos el PVC y el PE son los más usados en agricultura, aunque el PP-C está ganando posiciones en aquellas aplicaciones en la que sus características de gran rigidez y baja densidad le hacen adecuado. A su vez, el PRFV que puede importarse de países limítrofes, al ofrecer diámetros entre 0.50 m y 2.50 m en un material tan liviano y resistente, se convierte en la posibilidad más económica para conducir caudales mayores a presión. Las ventajas de las tuberías plásticas en general, son principalmente: principalmente: 

   



Alta resistencia resistenci a a la corrosión, propiedades hidráulicas constantes y por tanto prolongada vida útil, no necesitan de revestimiento y tienen un bajo costo de mantenimiento. Debido a su estabilidad química, las tuberías plásticas no se ven afectadas por terrenos agresivos. Bajo peso, lo que signica menor costo de transporte y facilidades en su manipulación, características muy apreciadas en lugares de difícil acceso. Supercie interior lisa, lo que se traduce en mínimas pérdidas por fricción y en baja acumulación acumulación de lodos. lodo s. Para diámetros pequeños son más baratas que las tuberías de otros materiales. Su facilidad de manejo, debido a que su fabricación en tramos, generalmente de 6 m y su facilidad en soldarse (PE) y acoplarse (PVC) en la zona de instalación, facilitan su puesta en obra. Su adaptabilidad al terreno permite emplazarlas encima de éste, enterrarse con poca obra civil o hacer tramos mixtos.

Desventajas: 

 

El material se degrada con los rayos solares, lo cual implica la necesidad de pintar regularmente la supercie exterior con pinturas especiales o enterrar la tubería. Si bien muchas canalizaciones van enterradas o semienterradas, en aquellas que van a la intemperie las tuberías plásticas deben llevar aditivos para soportar la acción de la radiación solar, más aún si son negras. Alto coeciente coecient e térmico. Con los cambios de temperatura sufren dilataciones dilatacio nes y contracciones contracciones importantes. Baja resistencia auto portante, lo que signica que necesitan estructuras de soporte

1 En español llamado “esquema” o a veces, “clase”. Corresponde a la norma ASTM D -1785. 2 Por las siglas de Standard Dimension Ratio. Corresponde a la norma ASTM D-224I.



para cruzar una depresión topográca. Una tubería plástica no tiene la capacidad de resistir el esfuerzo de exión que se produce cuando se apoya solamente en sus extremos. Es necesario disponer varios tensores poco espaciados para que sostengan el peso de la tubería y el peso del agua que circule por ella. En Bolivia, se fabrican tubos de PVC. La norma NB-213-77 clasica las tuberías plásticas por presiones de trabajo según clases, existiendo las Clases: 6 (presión de trabajo igual a 6 kg/cm 2, equivalente a 5.8 atmósferas, equivalente a 60 m de columna de agua), 9, 12 y 15. El largo de los tubos es de 6 m. Existen también tubos SCH 40 y SCH 80, así como tubos con SDR 21, 26, 23.5, 41 y 64. Los diámetros disponibles en general, son 1/2”, 3/4”, 1”, 11/2” 2”, 21/2”, 3”, 4”, 6”, 8” y 10”. Adicionalmente, Adicionalmente, las importadoras importadoras locales tienen a disposición tubos y accesorios de diámetros mayores, hasta 42”. Existe una variedad de tubería PVC con supercie interior lisa y pared exterior nervurada, genéricamente conocida como rib loc (nombre de la patente). Ésta tiene una mayor rigidez circunferencial y mejor adherencia o empotramiento en el hormigón, lo que le permite alcanzar diámetros mayores a los de tuberías convencionales de PVC.

Figura 6.9.Tubos de PVC liso (izq.) y nervurado (der.)

Los medios de unión para tubos de PVC son: (i) Unión por encolado. Son tubos y piezas machihembrados; (ii) Unión por junta elástica: tubos y piezas machihembradas que permiten alojamiento de una junta elástica. También pueden usarse uniones Gibault, enroscadas y bridas. El otro tipo de tubería plástica de uso muy práctico en el ámbito rural es el de Polietileno (material que se obtiene del etileno por procesos de polimerización), llamado Politubo. Las tuberías de este material son más fáciles de instalar, tienen mayor ligereza, exibilidad, resistencia al paso del tiempo y a la formación de incrustaciones. Las dimensiones de la tubería de Polietileno permiten utilizarla con accesorios de uso común, disponibles en el mercado local. Las uniones se hacen mediante accesorios tipo manguito o racor o por termofusión (diámetros mayores a 110 mm). Estas piezas no admiten pegamento ni unión a rosca.


Figura 6.10. Tubería de polietileno o Politubo

Existen tres tipos de polietileno en función de su densidad: i. Baja densidad LDPE o PEBD o PE32. Igual o menor a 930 kg/m 3. 3 ii. Media densidad: MDPE o PEMD o PE50B. Entre 931-940 kg/m . iii. Alta densidad: densidad: HDPE o PEAD PEAD o PE50A. PE50A. Más de 940 kg/m3. A igualdad igualdad de diámetro diámetro exterior exterior,, la tubería de alta alta densidad tiene menor espesor y por lo tanto, deja pasar mayor caudal que la de baja densidad. Los tubos de polietileno, a diferencia de los de PVC pueden permanecer a la intemperie mucho más tiempo sin descomponerse. Su disponibilidad en rollos de grandes longitudes (50 m y 100 m) facilita su embalaje y transporte, además de evitar la necesidad de un gran número de uniones. La oferta local de tubos de PE se resume en la siguiente tabla: Tabla Tab la 6.2: Especicaciones de politubos disponibles en Bolivia (Fuente: Catálogo PLASMAR)

Diámetro Diámetro Nominal Externo [mm] [pulgadas]

Espesor pared [mm]

Presión trabajo [m agua *10]

Largo del tubo [m]

½

21.34

2.77

13.85

100

3/4

26.67

2.87

10.84

50

1

33.40

3.38

8.84

50

1½

48.26

3.68

7.28

50

2

60.33

3.91

6.09

50

2½

70.03

5.16

6.72

50

3

88.90

5.49

5.81

6

4

114.30

6.02

4.90

6

6

168.28

7.11

3.85

6

Tuberías de hormigón Pueden ser de hormigón simple o armado con acero de refuerzo. Los tubos de hormigón simple se utilizan únicamente para conducciones libres, sin presión interior, a manera de canales de sección circular. Las uniones pueden ser campana-espiga con o sin junta de goma, dependiendo de la importancia de las ltraciones. Los tubos de hormigón armado se utilizan para presiones interiores relativamente bajas y tienen una alta resistencia a la ovalización y/o rotura por presión exterior.


Si bien su uso agrícola es limitado tienen una serie de ventajas respecto de otros materiales:    

 

Buena resistencia a los esfuerzos ovalizantes (cargas de tierra o tráco). Buena resistencia a esfuerzos producidos por impactos fortuitos en su manipulación o servicio. No presentan roturas frágiles sin previo aviso, pues éstas se producen tras una fuerte deformación plástica. Pueden construirse a medida, adaptándolas a presiones, cargas y coecientes de seguridad deseados, evitando así sobredimensionamientos, en ocasiones muy costosos. Se pueden alcanzar diámetros mayores, entre uno y dos metros. Pueden fabricarse localmente, incluso en el sitio de obras.

Figura 6.11. Tubos Tubos de hormigón simple y hormigón armado

Entre las desventajas se deben mencionar:  Peso elevado, lo que diculta su transporte y colocación.  Longitud corta, con necesidad de muchas juntas. Tuberías metálicas Las hay principalmente de erro galvanizado (FG) y fundición. La tubería galvanizada tiene alta resistencia a la corrosión, ya que cuenta con una capa de zinc aplicada por medio del proceso de galvanizado por inmersión en caliente. Admiten presiones de trabajo de 300 metros de columna de agua. Tienen extremos roscados y se encuentran en el mercado en diámetros de hasta 4 pulgadas, en longitudes de 6 m. La fundición es una aleación de hierro y carbono (en forma de grato). La que más se usa es la fundición dúctil (grato esferoidal, a diferencia de la fundición gris de grato laminar), llamado Fierro Fundido Dúctil (FFD). (FFD). A n de garantizar durabilidad y preservarlas de incrustaciones interiores, se recubren interiormente con una capa de mortero de cemento aplicada por centrifugación y exteriormente con una primera capa de cinc metálico y una segunda capa de pintura bituminosa. Las principales ventajas de las tuberías metálicas son: 

Gran resistencia a la tensión, para aguantar tensiones severas causadas externamente por los movimientos de tierra y por cargas pesadas, e internamente por la presión del agua y el golpe de ariete.

 





Gran resistencia a la exión. Por su parte, el erro dúctil se comporta con una gran exibilidad antes de fallar. Gran resistencia al impacto. La rudeza de las tuberías metálicas hace que éstas sean mucho menos vulnerables a sufrir daños debidos a un manejo inadecuado o condiciones anormales de servicio. Prácticamente libres de mantenimiento. Los años de experiencia en sistemas de operación a través del mundo han probado que las tuberías metálicas no requieren casi nada de mantenimiento durante su vida útil. Larga vida útil. La historia registra el uso de la tubería metálica, especialmente de erro fundido, durante siglos.

Desventajas:  

 

Resistencia limitada a la corrosión. En suelos agresivos necesitan protección externa mediante un recubrimiento que puede ser de manga de polietileno. Facilidad limitada de instalación. Los tubos metálicos no son tan fáciles de instalar en el campo. A veces es necesario cortar y tarrajar la tubería directamente en el terreno, tarea que requiere de herramientas y habilidades precisas. Elevado peso, que se traduce en dicultades para su transporte y colocación. El peso especíco del FFD es 7.1 kg/m3. No se fabrican en Bolivia, pero se importan de países limítrofes, por lo tanto son de mayor costo y a veces difíciles de conseguir en el mercado local.

4. Válvulas Las válvulas son dispositivos que permiten el control del ujo de agua en una red hidráulica. Ese control puede consistir en: a) detener o iniciar un ujo, b) regular un ujo, c) evitar un retorno de uido, d) regular la presión de un uido. En los sistemas de conducción entubada es común la utilización de los siguientes tipos de válvula: Válvulas de corte o llaves de paso

Figura 6.12. Válvula mariposa con bridas

Regulan, detienen o inician el ujo. En conducciones de pequeño diámetro se emplean válvulas de bola y de compuerta. En sistemas de gran diámetro se emplean válvulas Meplat y de mariposa. La válvula mariposa efectúa la apertura, cierre o regulación del paso del uido girando un disco (mariposa) de forma lenticular, en torno a un eje sostenido por el cuerpo de la válvula. El sellado, algunas veces, no es muy efectivo como el de las válvulas de compuerta, especialmente a presiones altas. Además, ofrecen una resistencia moderadamente alta al ujo aun estando totalmente abiertas en posición de 90º, debido a que el espesor del disco obstruye el ujo. Válvulas de retención Evitan el retorno del ujo. Pueden ser: a) de disco basculante o b) de bola. La primera es una



válvula con un disco sujeto en un extremo que se abre en la dirección normal del ujo y se cierra cuando el ujo se invierte. Las válvulas de retención de disco inclinado pueden ser acomodadas en línea horizontal o en línea vertical cuando el ujo sea verticalmente ascendente. En las válvulas de retención de bola, la esfera recubierta de material compresible obstruye el paso del ujo cuando este invierte su sentido. Figura 6.13. Válvula de retención de disco (a) y de bola (b)

Ventosas Las ventosas son válvulas que permiten la salida del aire presente en las conducciones de agua, tanto durante su llenado como durante la operación. La liberación de aire es esencial para evitar burbujas de aire atrapadas, que reducen y hasta pueden detener el ujo de agua. Además de esa función, admiten aire en el caso de operación de una válvula de purga que pueda crear presiones negativas en la tubería. En general, las ventosas se deben instalar en todos los puntos altos del trazado; en los cambios de pendiente; y al menos cada 400 metros siempre que la presión en el punto elegido no sea muy alta o menor que la presión atmosférica. El diámetro de entrada de la ventosa no debe ser inferior a ¼ del diámetro interior de la tubería. Válvulas de purga Son válvulas de corte instaladas lateralmente en todos los puntos bajos del trazado. No deben ubicarse en tramos planos, sino donde haya posibilidad de obstrucción de la sección de ujo por acumulación de sedimentos, facilitando así las labores de limpieza de la tubería. La derivación se hace por medio de una té cuyo diámetro se recomienda sea ¼ del diámetro principal. 5. Juntas o uniones Son los accesorios que unen por sus extremos un tubo con otro. Hay dos grandes grupos de uniones: por enchufes y por bridas. Las uniones por enchufe (también llamadas campana-espiga) se fabrican dando a las terminaciones de los tubos formas machihembradas y se introducen anillos de caucho dentro de cada unión. En uniones mediante bridas la estanqueidad se consigue mediante la compresión de una arandela empleando anillos de caucho dentro de la unión. Además de estos dos tipos, hay también algunos menos frecuentes como las juntas acerrojadas, las juntas Gibault y las juntas mecánicas. Juntas campana-espiga Estas son las juntas más comunes en los tubos de diámetro menor. Todos los tubos de PVC cuentan con este tipo de junta. Estos tubos tienen un extremo en forma de espiga que entra exactamente en el extremo en forma de campana del próximo tubo. Para impermeabilizar la unión se introduce un anillo de hule, que si se instala debidamente, cabe justo dentro del espacio en el extremo campana. Un lubricante especial se aplica, antes del ensamble, al extremo espiga y

a la supercie interior del empaque. El extremo de la tubería está biselado o redondeado para proporcionar el auto-centrado del extremo espiga en el empaque y para poder, así, ensamblarlo con facilidad. Figura 6.14. Colocación de tubos con junta campana – espiga

Juntas con brida Los tubos con brida generalmente se especican para servicio sobre el suelo y manejo de aire, agua, aguas negras u otros líquidos cuando es necesario usar juntas rígidas con cerrojo. Se usan mucho en sistemas de tubos industriales, estaciones de bombeo, plantas para tratamiento de aguas, plantas para tratamiento de aguas negras y otras tuberías interiores. Los tendidos largos de tubería con brida, normalmente incluyen una preparación para la expansión y contracción, tales como juntas exibles o coplas a intervalos estratégicos. Generalmente el uso subterráneo de juntas con brida no es deseable debido a la rigidez de la junta. Figura 6.15. Componentes de la junta con brida

1. Brida 2. Tubo 3. Rosca 4. Extremo de brida y tubo se maquinan simultáneamente a un terminado al ras. 5. Aro de refuerzo para proteger la rosca.

Juntas acerrojadas acerrojadas En muchas instalaciones de tubería, es de primordial importancia, el control del empuje causado por la presión interna sobre los accesorios, en las uniones, en las válvulas o en las tapas ciegas.



En la mayoría de las tuberías subterráneas, normalmente se usan bloques de hormigón o anclajes, que proporcionan la solución más económica y práctica para restringir el movimiento de la tubería. Para situaciones donde el bloque de hormigón no es práctico, se han desarrollado juntas para tubería que proporcionan mayor resistencia contra fuerzas externas o contra la tendencia a la separación por la presión interna. Figura 6.16. Junta acerrojada acerrojada

Junta mecánica de perno La Junta mecánica de perno con gancho es una junta de compresión con pernos. La junta consiste de una campana vaciada, un empaque sencillo de hule que se ajusta en el asiento de la campana, un collar de hierro dúctil para comprimir el empaque y tuercas y pernos para apretar la junta. Una vez ensamblada, la junta permite expansión y contracción normal y una deexión adecuada en todas las direcciones. direcciones. Figura 6.17. Junta mecánica de perno y gancho

Junta Gibault Las juntas Gibault se han diseñado para reparar o reemplazar tuberías en el campo. Una junta Gibault consiste en un collar de hierro fundido, dos bridas, empaquetaduras y pernos. El producto ensamblado se oferta en diversos tamaños y conguraciones de acuerdo a su propósito.

Figura 6.18. Detalles de una junta Gibault

Entre sus benecios se pueden mencionar su exibilidad, su resistencia, su facilidad de uso, y su rango de aplicación en una variedad de materiales compatibles (tuberías plásticas, de hierro fundido, de hormigón y otras) Figura 6.19. Otros accesorios de tubería

Codos Cambian la dirección del ujo.

Tés Dividen el ujo en una dirección adicional a la principal

Cruces Dividen el ujo en dos direcciones adicionales a la principal

Yés Dividen el ujo en una dirección adicional a la principal, pero con una derivación tangencial.

Niples Empalman tubos donde la distancia no permite usar uniones. Pueden ser con o sin reducción del diámetro del tubo



Collares Derivaciones menores de una tubería principal

Coplas Unen rígidamente dos tubos roscados

6. Anclajes Es normalmente necesario disponer anclajes en uniones entre tramos de tubería de distinta alineación y/o diámetro para evitar desplazamientos diferenciales. Los anclajes deben permitir la dilatación-contracción de la tubería. Puede minimizarse esta necesidad recurriendo a las uniones exibles y juntas Gibault. Los anclajes absorben esfuerzos que se generan en los cambios de alineación horizontal o vertical. Pueden ser de hormigón simple, ciclópeo o armado. En cualquier tipo de anclaje se presentan esfuerzos debidos a la presión estática y dinámica a la que es sometido el uido transportado. El esfuerzo de presión estática es: (6.1) Ee = esfuerzo estático [kg] = peso especíco del agua [kg/m 3] (1000 kg/m3) H = altura de la columna de agua [m] A = área de la sección del tubo [m2] θ = ángulo de deexión El esfuerzo de presión dinámica es el esfuerzo debido a la fuerza centrífuga, calculado mediante la ecuación: Ed = esfuerzo dinamico [kg] v = velocidad velocidad del ujo [m/s] g = aceleración de la gravedad [m/s 2] El esfuerzo E total es la suma de los dos esfuerzos anteriores. E = Ee + Ed

(6.2)

73

Figura 6.20. Esfuerzo en codo vertical inferior

Si el codo es vertical inferior, como en la Figura 6.20 el empuje E es transmitido al suelo y debe ser resistido principalmente por la componente de esfuerzos admisibles σ adm del suelo, que debe además contrarrestar el peso P del anclaje. Es decir, P+ E=B∙L∙ σadm

(6.3)

P = peso del anclaje [kg] B = ancho del anclaje [m] L = longitud del anclaje [m] σadm = esfuerzo esfuerzo admisible admisible [kg/m2] El valor de σ adm, depende del tipo de terreno, según la Tabla 6.3. Tabla 6.3: Esfuerzos admisibles en distintos tipos de terreno (López Cualla, 2000)

Terreno Arena suelta suelta o arcilla blanda blanda

σadm [kg/m2] <

1x104

Arena na compacta

2x104

Arena gruesa gruesa medianamente medianamente compacta compacta

2x10 4

Arcilla dura dura

4x104

Roca alterada Roca inalterada

3x104-105 2x105

Si el codo es vertical superior, como en la gura 6.21 el peso del anclaje debe resistir el empuje de la tubería. El suelo en este caso es un elemento pasivo. Figura 6.21. Dado de anclaje para codo vertical superior



En caso de un codo horizontal, el esfuerzo es resistido por la componente de esfuerzos admisibles del suelo por la fricción desarrollada entre el anclaje y el suelo. Luego,

(6.4)

tg φmax = coeciente máximo de fricción del hormigón sobre el suelo H = altura del anclaje [m] El valor de la tangente del coeciente de fricción tg φ max varía según el tipo de terreno, de acuerdo a la Tabla 6.4. Tabla 6.4. Coecientes de fricción de terreno de anclaje (López Cualla, 2000)

Terreno

tg jmáx

Arcilla Arcill a húmeda húme da

0.30

Arcilla Arcill a seca sec a Arena arcillosa arcill osa

0.35 0.40

Arena sin limo l imo ni arcilla arcill a

0.50

Grava

0.60

6.3 Criterios de diseño en el contexto andino En los sistemas de riego de la zona montañosa, el empleo de tuberías puede ser ventajoso, porque las situaciones descritas al inicio de este capítulo son frecuentes. Sobre todo en sistemas de vertiente, que normalmente cuentan con caudales menores y con agua limpia, las tuberías son una excelente opción para la conducción hacia la zona de riego. También el agua almacenada en lagunas lejanas a la zona de riego puede ser conducida muy ecientemente por tubería, talvez la única alternativa para evitar grandes pérdidas en la conducción del agua que normalmente se entrega a quebradas naturales para volver a captarla, cerca de la zona de riego. Para el promedio de los sistemas campesinos, existen diversos tipos de tubería y accesorios plásticos (PE, PVC) de fabricación nacional, que están ganando cada vez mayor aceptación. La eciencia del riego se puede aumentar a través de la tecni cación de los sistemas de distribución dist ribución y conducción, por ejemplo con riego por aspersión o por goteo. Precisamente en los sistemas de conducción y distribución tecnicada, las tuberías son el elemento central, capaces de soportar presiones a veces necesarias en los ramales primarios y secundarios. Las tuberías también participan ecientemente en el drenaje de suelos saturados con elevado índice de salinidad. Para este n existen diferentes tipos de tubería especialmente plástica: ranuradas, estriadas, acanaladas y perforadas.

6.4 Diseño hidráulico Aquí se expone el análisis análisis del ujo ujo forzado forzado en las tuberías. tuberías. Esto es, es, cuando el agua uye bajo una presión diferente a la atmosférica, a diferencia de los conductos libres que funcionan por gravedad como los canales y que deben ser calculados como tal. Se asume que la extensión del conducto es por lo menos 100 veces su diámetro y que su sección es circular. Los problemas de ujo en tuberías pueden ser clasicados en tres tipos: i) Calcular el caudal que pasa por la tubería. Los datos son el diámetro, la longitud, la rugosidad, los accesorios y la energía impulsora (ya sea una diferencia de nivel entre la

entrada y la salida de la tubería o la potencia de la bomba) y las propiedades del agua (densidad y viscosidad). Este problema suele presentarse al momento de comprobar el diseño de una conducción luego de calcular el diámetro exactamente necesario, pero se cuenta con una tubería de un diámetro distinto al calculado, debido a que las tuberías comerciales tienen diámetros discretos denidos (normalmente van de dos en dos pulgadas). ii) Calcular la potencia potencia necesaria (diferencia (diferencia de nivel entre la eentrada ntrada y la salida de la tubería) tubería) o la potencia de la bomba para conducir el caudal demandado a través de esa tubería. Los datos son el caudal demandado, el diámetro, longitud y rugosidad de la tubería, los accesorios y las propiedades del agua (densidad y viscosidad). iii) Hallar el diámetro necesario. Los datos son el caudal, la energía disponible (diferencia de nivel entre la entrada y la salida de la tubería o la potencia de la bomba), la longitud y rugosidad de la tubería, sus accesorios y las propiedades del uido. El diseño de conducciones entubadas en zona montañosa está limitado por los valores máximos admisibles de presión y velocidad que caracterizan a cada tubería de cierto material y cierto espesor. Si bien el proyectista deberá en lo posible igualar la pérdida de carga total con el desnivel del terreno entre los dos puntos de transporte de agua a n de obtener el menor diámetro de tubería, el diseño del trazo deberá tomar en cuenta el alejamiento admisible de la línea de presión hidrostática. Así mismo, el cálculo del diámetro deberá tomar en cuenta la velocidad máxima admisible por el material, sobre todo si se tiene presente la capacidad erosiva del agua con alto contenido de sólidos en suspensión y la mayor sensibilidad al golpe de ariete que tiene un ujo de gran velocidad. Teniendo el cuidado de tomar medidas medi das contra el golpe de ariete, ariet e, la velocidad máxima máxi ma recomendable es aquella que no ocasione erosión en la tubería ni dislocamiento en las juntas. Para el PVC no debe ser mayor a 5 m/s, para el PRFV a 3 m/s. En tuberías de PE de baja densidad la velocidad máxima no debiera superar los 0.8 m/s. Para tuberías de hormigón se recomienda limitar la velocidad a 4.5 m/s. Para el cálculo de tuberías llenas, se utiliza la ecuación de Bernoulli: (6.5) p = presión a la que está sometido el ujo en determinada sección [kg/m 2] g = peso especíco especíco del del agua [kg/m [kg/m3] z = altura media de la sección analizada, respecto de nivel de referencia [m] v = velocidad media del agua en la sección analizada [m/s] g = aceleración de la gravedad [m/s 2] hf = pérdida de carga por fricción a lo largo de la tubería [m] ∑hm = suma de pérdidas de carga menores debidas a perturbaciones locales [m] La pérdida de carga por fricción hf se calcula según la expresión de Darcy – Weisbach: (6.6) f= factor de fricción L= Longitud del tubo [m] D=Diámetro del tubo [m] El factor de fricción f se calcula según la expresión de Colebrook -White, válida para ujo turbulento, turbule nto, 3 tanto para tubos lisos como para rugosos : 3 Debido a que esta ecuación no es explícita para el factor de fricción f, su difícil solución ocasionó la aparición de ecuaciones empíricas más sencillas pero menos exactas, como la de Hazen-Williams. Las computadoras permiten desechar el uso de expresiones empíricas, diagramas y ábacos en benecio de la exactitud y consiguiente economía en el diseño de conducciones entubadas.



(6.7)

ε = rugosidad absoluta [m] D = diámetro del tubo [m] R e = número de Reynolds El Número de Reynolds Re relaciona las fuerzas de inercia con las fuerzas de fricción debidas a la viscosidad cinemática y, según la expresión (para tuberías): (6.8) D = diámetro del tubo [m] v = velocidad [m/s] = viscosidad cinemática [m2/s] Las pérdidas de carga Shm, llamadas menores, debidas a las perturbaciones locales del ujo en el conducto, tales como entradas, codos, válvulas y salidas pueden representarse individualmente de dos maneras: como k m∙v2/(2∙g) con un km coeciente de pérdida menor (Tabla 6.6), determinado para cada caso, o como una longitud equivalente de conducto recto, dependiente del diámetro del tubo. Combinando la ecuación de Darcy-Weisbach con la ecuación de Colebrook-White se obtiene una ecuación explícita para la velocidad del ujo: (6.9) Si la velocidad es la principal limitante del diseño hidráulico de una tubería que tiene un amplio margen de altura piezométrica para convertir en pérdidas friccionales y menores, y si la velocidad admisible depende del tipo de material elegido, el dimensionamiento deberá empezar seleccionando el tipo de tubería que se usará en la conducción forzada. Para ello es útil tener una aproximación del diámetro necesario para conducir el caudal de diseño (problema tipo iii), asumiendo que la tubería es simple, es decir, que en el tramo considerado su diámetro y material son constantes. Los pasos del cálculo para el diseño del diámetro de una tubería son: 1. Se selecciona preliminarmente un tipo de tubo. Lo normal es considerar dos o tres alternativas y realizar tantos diseños como materiales disponibles existan, a n de seleccionar la opción opci ón más económica. A cada material le corresponde corresp onde un valor de rugosidad absoluta de acuerdo con la siguiente tabla indicativa. Se sugiere conrmar estos valores con los fabricantes. Tabla 6.5. Rugosidad absoluta para diferentes materiales de tubo (Saldarriaga, 1998 )

Material

ε[10-3 m]

PVC

0.0015

Acero

0.046

Hierro galvanizado

0.15

Hierro fundido

0.15

Hierro fundido dúctil

0.25

Hormigón

0.3 - 3.0

Acero bridado bridado

0.9 - 9.0

2. Se diseña el trazo de la tubería, cuidando que la altura de carga hidrostática nunca supere la presión admisible especicada para la tubería elegida preliminarmente. Sobre la base de este trazo se determina la longitud de la conducción entubada. Con las características comerciales de la tubería, se determinan los tipos y cantidades de accesorios necesarios cuyos coecientes de pérdida pueden ser tomados de la Tabla 6.6. Tabla 6.6. Coecientes de pérdida de distintos accesorios

ACCESORIO

km

Válvula de globo, completamente abierta

10 .0

Válvula en ángulo, completamente abierta

5.0

Válvula de de retención, co completamente ab abierta

2.5

Válvul lvula a de de co compue puerta rta, co complet pleta amente nte abi abie erta rta

0.2 0.2

Válvula de compuerta, con ¾ de apertura

1.00 - 1.15

Válvula de compuerta, con ½ de apertura

5.6

Válvula de compuerta, con ¼ de apertura

24.0

Codo de radio corto (r/D = 1) Codo de radio mediano

0.9 0.75 - 0.80

Codo de radio grande (r/D ≈ 1.5) Codo de 45º

0.6 0.4 - 0.42

Retorno (curva en U)

2.2

Te en sentido recto

0.3

Te a través de la salida lateral

1.8

Unión

0.3

Ye de 45°, en sentido recto

0.3

Ye de 45°, salida lateral

0.8

Entrada recta a tope

0.5

Entrada con boca acampanada

0.1

Entrada con tubo reentrante

0.9

Salida

1 .0

3. Se dan distintos valores al diámetro D para realizar iteraciones hasta que se cumpla la igualdad entre el valor de velocidad calculado de la ecuación de continuidad y el valor de velocidad calculado con la expresión 6.9. Es decir: a. Se ja un valor de D. b. Se calcula la velocidad del ujo correspondiente a ese diámetro, recurriendo a la ecuación de continuidad:

(6.10)

c. Con ese valor se calculan las perdidas menores:

(6.11)



d. Con el valor de la velocidad se calcula también la pérdida de carga por fricción en la tubería, recurriendo a la ecuación de energía planteada entre entrada y salida 4: hf = Δz - ∑hm e. Con esos valores, asociados al diámetro asumido, se calcula nuevamente la velocidad del ujo, pero esta vez con la expresión: (6.12) f. Se comparan los valores de velocidad calculados en los pasos b) y e). El diámetro buscado es el que corresponde a valores de velocidad iguales. Este proceso de iteración simple que repite los pasos a), b), c), d), e), f) para distintos valores de D puede ser fácilmente automatizado hasta con una calculadora programable. Se puede llegar a la solución recurriendo a una planilla electrónica, en la que se digita repetidas veces el valor del diámetro hasta que se satisfaga la igualdad o usar la Función Objetivo de EXCEL para hacerlo automáticamente (Anexo A). 4. Una vez que se ha calculado el diámetro exacto para el caudal y material elegidos, debe seleccionarse un diámetro discreto entre los que ofrece el comercio. Ahora el problema consiste en calcular los nuevos valores de caudal y velocidad asociados a ese diámetro seleccionado (problema del tipo i). Para ello, se procede de manera similar a la anterior, esta vez dándole valores al caudal hasta que ambos valores de velocidad coincidan en grado aceptable. a. Se ja un valor de caudal Q [m3/s]. b. Con ese caudal y el valor real del diámetro interno elegido, se calcula la velocidad del ujo:

c. Con ese valor de velocidad se calculan las pérdidas menores usando la expresión:

d. Se calcula el valor de la pérdida por fricción a lo largo de la tubería, despejándola despejándol a de la ecuación de Bernoulli: hf = Δz - ∑hm e. Ahora se puede calcular nuevamente la velocidad del ujo con la ecuación que combina las expresiones de Darcy-Weisbach y de Colebrook-White:

f. El proceso se repite para distintos distintos valores de Q hasta que las velocidades velocidades calculadas en los pasos b) y e) sean coincidentes en grado aceptable. El valor de velocidad máxima que dan los fabricantes normalmente no considera la turbidez del agua, por lo que en previsión a los efectos erosivos del material en suspensión que entregan las fuentes en los sistemas de montaña, se recomienda reducir ese valor máximo de velocidad por lo menos hasta un 75%. 4 La Ecuación de Bemoulli se plantea entre un punto 1 localizado localizado dentro del estanque, canal o cámara, de tal manera que su velocidad hacia la conducción entubada sea aproximadamente cero. El punto 2 corresponde a la salida de la tubería, en otro estanque, canal o cámara, donde se supone que la carga de velocidad es cero a consecuencia de las pérdidas.

5. Los problemas tipo ii) en los que se necesita calcular la potencia gravitacional (diferencia de niveles) o mecánica (bomba de agua) necesaria para conducir un determinado caudal Q a través de una tubería, se resuelven calculando la pérdida de carga entre la entrada y la salida de la conducción entubada, entubada, conociendo todas las características de la tubería (D, s, ∑km, l) y las del uido (u, ρ). El procedimiento consiste en: a. Calcular la velocidad del ujo, con la fórmula:

b. Calcular las pérdidas menores:

c. Calcular el número de Reynolds, con los valores de y de la Tabla 6.7:

Tabla Tab la 6.7: Viscosidad de agua a distintas temperaturas

Temperatura [°C]

0

5

10

15

20

25

Viscosidad cinemática [x 10-6 m2/s] 1.79 1.52 1.31 1.15 1.01 0.90

30 0.81

b. Determinar el valor del factor de fricción f dándole distintos distintos valores hasta que se cumpla la igualdad:

c. Calcular la pérdida de carga por fricción:

d. Calcular la pérdida de carga total como: H = hf + ∑hm que en el caso de conducción por gravedad corresponde a la diferencia de nivel necesaria entre la entrada y la salida de la conducción entubada. e. La potencia mecánica necesaria, asumida la eciencia e de la bomba se calcula con:

Pb = potencia mecánica de la bomba [kW] H = altura de carga [m] e = eciencia de la bomba

6.4.1 Ejemplo de cálculo Diseñar una tubería de 750 m de longitud para conducir un caudal de 260 litros por segundo hasta una salida situada a 42 m por debajo de la entrada. Considerar una entrada recta a tope. En el tramo se necesitan 15 codos de 45°, una válvula de retención y una válvula de compuerta, ambas abiertas. Considerar una entrada recta a tope y una salida normal



1. Se elige preliminarmente una tubería, con rugosidad absoluta de 0.0000003 m. 2. Las pérdidas menores para los accesorios indicados suman: ∑km = 15x0.40 + 2.50 + 0.20 + 0.50 + 1.00 = 10.20 3. Se calcula mediante un proceso iterativo el valor de diámetro para el cual las velocidades v 1 y v 2 son lo sucientemente iguales. Esto se logra con D = 0.275 m (10.84 pulgadas). En esas condiciones, la velocidad del ujo es:

las pérdidas menores resultan:

hf = Δz - ∑hm = 42 -9.898 = 32.102 m

Figura 6.22. Cálculo iterativo del diámetro utilizando planilla EXCEL

4. Se adopta ahora un diámetro diámet ro comercial de 12” (0.293 ( 0.293 m) y se calculan calcu lan los nuevos valores val ores asociados a ese diámetro. Esto se consigue calculando el caudal Q para el que se cumple nuevamente la condición de v1 = v2. Realizando un proceso iterativo se determina que el valor del caudal es ahora 0.303 m3/s. En esas condiciones, la velocidad del ujo es:

las perdidas menores son:

y las perdidas perdidas por fricción alcanzan a: hf = Δz - ∑hm = 42 – 10.497 = 31.503 m


Figura 6.23. Cálculo iterativo de la velocidad de ujo utilizando la planilla EXCEL

5. Si para la tubería con las condiciones del punto anterior (diámetro de 12”, coeciente de pérdidas menores igual a 10.2), se desconociera la potencia (gravitacional o mecánica) necesaria para conducir el caudal de 0.303 m 3/s, el procedimiento de cálculo comenzaría calculando la velocidad del ujo:

Con este valor se calculan las pérdidas menores:

Luego se determina el Número de Reynolds:

Ahora se calcula calcula el factor de fricción que satisface satisface la igualdad: igualdad:

Se calcula la pérdida de carga por fricción:

La altura de carga necesaria o desnivel, deberá ser entonces: H = hf +∑hm = 31.503 + 10.497 = 42 m.


Figura 6.24. Cálculo iterativo del factor de fricción utilizando la planilla EXCEL

6.5 Aspectos Constructivos 6.5.1 Cama de asiento y relleno superior En los casos en que la tubería deba ser enterrada para protegerla del impacto que provoquen derrumbes o presiones ejercidas en la supercie, se debe colocar en una cama de asiento. Ésta debe ser de material granular no, tener un ancho de trinchera igual a 1.5 veces el diámetro del tubo, una altura de cubierta relacionada con el tipo de cargas exteriores y la resistencia del tubo y un cierto grado de compactación del material de relleno. Estas características, esquematizadas en la Figura 6.25 son provistas por los fabricantes para cada tipo de tubería en especial. Como criterio general se adopta que la profundidad H debe ser mínimamente 0.80 m para tuberías de PVC y 0.60 m para tuberías de hierro fundido. Figura 6.25. Cama de asiento para la instalación de tubería

6.5.2 Pruebas de presión hidrostática Las tuberías recién instaladas deben superar una prueba hidráulica a presión antes de que sean tapadas y entren en funcionamiento. Así se evalúa el comportamiento de tubos, juntas y accesorios,

con el objeto de certicar si la instalación está correctamente hecha. Para ello, deben seguirse las siguientes recomendaciones: • Limitar el tramo de prueba hasta un máximo de 400 m. El equipo conectado a la tubería de prueba se bloqueará o desconectará de la tubería por medio de válvulas o bridas ciegas. Las bombas y los manómetros debidamente calibrados se instalarán en el punto más bajo de la tubería. • Asegurar en el terreno los accesorios como codos, Tes y válvulas, de tal manera que el tendido resista la presión hidráulica. Se revisarán los anclajes de la tubería, apoyos y soportes antes de aplicar la prueba. Cualquier anclaje o soporte dañado se reportará para su reparación antes de la prueba. • Llenar la tubería lentamente y por el punto más bajo del tramo a probar, permitiendo la purga de aire por su punto más alto. Se deberá eliminar completamente el aire de la tubería antes de ser sometida a presión. • Elevar la presión mediante una bomba manual o autobomba, tomando el agua necesaria de un tanque auxiliar. Se incrementará la presión paulatinamente en al menos tres etapas del valor de la presión de prueba hasta alcanzar en el manómet ro la presión igual al 150% de la máxima presión hidrostática exigida en el punto más bajo del tramo de prueba. Vericar durante las dos primeras etapas y durante un tiempo suciente para inspeccionar inspecc ionar visualmente las posibles deformaciones, lagrimeos, fugas, decrementos de presión en el manómetro o cualquier otra señal que pudiera suspender la prueba y determinar los resultados como no satisfactorios. • Al llegar al valor de la presión de prueba, bloquear el suministro de presión, esperar el tiempo suciente para revisar toda la línea. Cualquier comportamiento del sistema de tubería que a juicio represente un riesgo (por ejemplo abombamientos, deformaciones, fugas) será motivo para suspender la prueba y determinar ésta como no satisfactoria. • Si no existe un decremento de presión de más de 5% del valor de la presión de prueba durante un periodo de tiempo de al menos una hora, la prueba se considera satisfactoria. • En caso de determinar la prueba como no satisfactoria, satisfac toria, deberán corregirse los problemas detectados y repetirla las veces que sea necesario. • Después de haber terminado la prueba se drenará completamente el sistema y se ajustará la línea a condiciones normales de operación: quitar accesorios, bridas ciegas y válvulas de bloqueo.

6.6 Golpe de ariete Se denomina golpe de ariete al efecto del aumento brusco de la presión interna sobre las paredes de una tubería a consecuencia del cierre repentino de una válvula. La energía cinética del del uido se convier convierte te en energía de presión, causando la dilatación de la tubería t ubería inmediatamente aguas arriba de la válvula. Se producen ondas de sobrepresión y de depresión cumpliendo ciclos atenuados atenuados hasta que las las condicio condiciones nes se normalizan. normali zan. De acuerdo acu erdo a la fórmula fó rmula de Allievi, Allievi , el tiempo en que la sección inmediatamente aguas arriba de la válvula cerrada permanece en estado de sobrepresión durante un ciclo es:

T = tiempo [s] L = longitud desde la válvula hacia el tanque o cámara aguas arriba [m] C = celeridad o velocidad de propagación [m/s];


84

Su valor está en el orden de 1000 m/s. s a s o ñ a t n o M s a n o Z a r a p o g e i R e d s a r b O

k = relación entre el módulo de elasticidad elasticidad volumétrico volumétrico del del uido y el módulo módulo de elasticidad del material de la tubería; Tabla 6.8. D = diámetro exterior de la tubería [m] e = espesor de la pared de la tubería [m] Tabla 6.8: Relación de elasticidad del agua y de la tubería (Azevedo Netto, 1976)

MATERIAL DE LA TUBERÍA Acero Hierro fundido Hormigón Plásticos

K 0.5 1.0 5.0 18.0

Si el tiempo Tc de cierre de la válvula es menor a T, se producirá la sobrepresión máxima de: , expresada en metros de columna de agua ha v g

= sobrepresión sobrepresión [m] = velocidad del ujo entubado [m/s] = aceleración acel eración de la gravedad [m/s 2]

Si el tiempo Tc de cierre de la válvula es mayor a T, se producirá una sobrepresión de: (Ecuación de Michaud) Para evitar el golpe de ariete debe instalarse válvulas de cierre lento o colocar volantes de gran diámetro. Otra manera es limitar la velocidad del ujo hasta 3 m/s pero esto hace que se desaproveche la posibilidad de conducir agua a las velocidades admisibles de cada material (que generalmente son mayores a 3 m/s) y obliga, solo por este motivo, a usar diámetros mayores de tubería.

7

CAPÍTULO CAPÍTULO

ACUEDUCTOS

Figura 7.1. Acueducto de H°A° con pilas intermedias . S.R. Naranjos - Tarija

7.1. DESCRIPCIÓN Y UBICACIÓN Un acueducto es la estructura estruct ura más común para conducir agua a través de una depresión topográca como un valle, una carretera, una quebrada, un arroyo o un río. Hidráulicamente se compone de un conducto elevado, con transiciones de entrada y salida cuando su sección es distinta a la del canal. Estructuralmente se compone de una caja aérea o viga continua con sección constante en forma de “U”, dos estribos para apoyar sus extremos y, cuando es necesario, pilas intermedias con sus respectivas fundaciones. fundaciones. Entre las ventajas de un acueducto respecto de otro tipo de estructuras de cruce se pueden mencionar: • El acueducto, a diferencia del sifón invertido, puede construirse mayormente con materiales locales. • Puede servir también como puente para personas y ganado menor. menor. • Es la estructura estructur a de cruce con funcionamiento más transparente; transparente ; el ujo de agua es visible y es fácil remover cualquier obstáculo en el ujo. • La operación y mantenimiento de un acueducto es tan simple como la de un canal. Las estructuras de cruce mediante tuberías son más susceptibles al atascamiento por la presencia de material de arrastre y sólidos en el agua.


86

Figura 7.2. Componentes hidráulicos y estructurales de un acueducto


Sin embargo, el acueducto no es una solución razonable cuando los desniveles que debe vencer son muy grandes y extendidos. Por otra parte, este tipo de estructura exige buenas a excelentes condiciones de fundación.

7.2 DISEÑO HIDRÁULICO Un acueducto normalmente representa una singularidad en el perl longitudinal del canal debido a que suele diferenciarse del canal en sección, pendiente y rugosidad. Es preferible que el ujo en el acueducto sea tranquilo, de régimen subcrítico. En ese caso, la sección de control, donde se tiene el tirante normal y donde el tirante real se puede calcular en función del caudal, es la del canal de salida (sección 4 en la Figura 7.2). La singularidad hidráulica se maniesta aguas arriba de esa sección. Figura 7.3. Secciones de un acueducto para el cálculo hidráulico

87

Como datos se tienen: • • • • • • • •

El caudal Q [m3/s]. El ancho de espejo de agua en el canal T [m ]. La rugosidad del canal nc. La pendiente del canal S, [m/m]. El talud talud de de las las paredes paredes del canal canal z [m/m]. La pendiente del acueducto Sa [m/m]. La longitud del acueducto L [m]; sin tomar en cuenta las transiciones. transiciones . La rugosidad del acueducto n a.

Se siguen entonces los siguientes pasos: 1. Se elige el tipo de sección para el acueducto. Por razones constructivas y estructurales es aconsejable optar por una sección rectangular. Con una relación ancho interno / tirante, b/y de 1 a 3, se obtiene un diseño económico. 2. Se elige el ancho de la solera del acueducto b a, que debe ajustarse a: • Las funciones funciones complementaria complementariass de la estructura. Si el acueducto acueducto va a servir servir como puente peatonal, conviene darle el ancho suciente como para que una persona pueda caminar cómodamente. Esto signica una solera de por lo menos 60 cm de ancho. • Las consideraciones estructurales. estructurales. Mientras más altas sean las vigas insertas en las paredes del acueducto, mayor rigidez tendrá la estructura. Esto se traduce en un ancho pequeño para la solera. 3. Se calcula el tirante normal del canal de salida y 4 por iteraciones hasta que se cumpla la condición: (7.1) A4 = área hidráulica en la sección 4 [m 2];

(7.2) bc = ancho del canal en la sección 4 [m] y4 = tirante normal en la sección 4 [m] R4 = radio hidráulico en la sección 4 [m];

(7.3) Q = caudal [m3/s] nc = rugosidad del canal SC = pendiente del canal [m/m] 4. Con 4. Con el valor del tirante en 4, se calcula la velocidad en esa misma sección:

(7.6) v4 = velocidad en la sección 4 [m/s]



5. 5. Se verica el régimen del ujo en la sección 4, calculando el número de Froude, para asegurarse que el régimen allí, sea subcrítico: (7.5) F4 = número de Froude en la sección 4 g = aceleración de la gravedad [m/s 2] 6. Se calcula la longitud de transición transició n entre canal y acueducto tanto para la salida como para la entrada. Por facilidad constructiva se preere la transición recta. De acuerdo a experiencias de Hinds y según el USBR, el ángulo de 12.5º produce la mínima pérdida de carga por transición. Sin embargo, considerando que el incremento del ángulo de transición hasta 22.5° no incrementa signicativamente la pérdida de carga, se recomienda adoptar este último valor para reducir la longitud de transición. Luego: (7.6) LT = longitud de la transición [m] Tc = espejo del agua en el canal al tirante máximo [m] ba = ancho del acueducto [m] 7. Se calcula el e l tirante en la sección secció n 3. Tratándose de un caso c aso de ujo gradualmente variado, para el cálculo de tirantes de la curva de remanso se recomienda usar el método numérico directo por tramos, partiendo desde la sección de control, que para el caso de régimen subcrítico es la sección 4. Entonces, para determinar el tirante en la sección 3 d ebe resolverse por tanteos la siguiente ecuación, dándole valores a y3 hasta que se satisfaga la igualdad: (7.7) S3-4 = pendiente en el tramo de 3 a 4 [m/m]. Ks = coeciente de perdida por transición de salida. v3 = velocidad en la sección 3; también es función de y 3 tal que:

El término

es la perdida de carga por transición de salida.

El coeciente Ks depende de la forma de transición, como lo indica la tabla 7.1. Tabla 7.1. Coecientes Ks (pérdida de salida) para distintas transiciones

Ti po de t ra nsi ción

Ks

Cur vad a

0. 20

Cuadrant e c ilíndrica

0. 25

Simplific ficada en línea recta

0.30 .30

L ín ea r e ct a

0. 50

Extremos cuadrados

0. 75

Para minimizar las dimensiones de un acueducto, la velocidad en este punto debería ser mayor a la del canal, pero se recomienda no exceder los 2 m/s. 8. Conviene 8. Conviene vericar también el estado del ujo en la sección 3. El Número de Froude en esa sección es (para una sección rectangular): y debe ser menor a 0.8. 9. Se 9. Se determina el tirante en la sección 2, resolviendo por tanteos la expresión:

(7.8) Sa = pendiente del acueducto [m/m] na = rugosidad del acueducto L = longitud del acueducto [m], sin transiciones transicion es

Considerando que a su vez: (7.9)

(7.10)

Un problema común en el diseño hidráulico de muchos acueductos es la sedimentación. Para evitarlo, la pendiente Sa debe ser mayor a la pendiente del canal y debe prolongarse hasta más allá del nal del acueducto en un tramo del canal de salida de unos 5 metros. Así, cualquier problema de sedimentación y/o remanso por reducción de la velocidad no se manifestará manifestar á en el acueducto o cerca de éste sino en el canal de salida. Esto resguarda el estribo aguas abajo y facilita la limpieza. En este caso el cálculo es el mismo aunque el tirante normal en la sección 4 se calcula con la propia pendiente del canal de salida. Figura 7.4. Perl de un acueducto con aumento y prolongación de pendiente (pendiente exagerada para mejor ilustración)



10. Se calcula el tirante en la sección 1, resolviendo por tanteos la expresión:

(7.11) Ke = coeciente de perdida de carga de transición de entrada; Tabla 7.2. Tabla 7.2. Coecientes Ke (pérdida de entrada) para distintas transiciones

Tipo de transición

Ke

Curvada

0.10

Cuadrante cilíndrica

0.15

Simplicada en línea recta

0.20

Línea recta

0.30

Extremos cuadrados

0.30

A su vez:

(7.12) 11.Finalmente se calcula la altura del remanso a la entrada de la transición 11.Finalmente hremanso = y1 – y4 [m]

(7.13)

Con este valor, se determina el bordo libre que debe tener la entrada del acueducto para estar a cubierto del aumento en el nivel de aguas arriba provocado por el remanso. El bordo libre del acueducto deberá ser igual o mayor al bordo libre del canal para asegurar que no ocurran rebalses desde la estructura. El bordo libre del acueducto no deberá ser inferior a 20 cm y en casos de acueductos curvos deberá incrementarse ese valor en el borde exterior de la curva.

7.2.1 Ejemplo de cálculo Canal de sección rectangular, con una solera de 60 cm de ancho, pendiente de un milímetro por metro y rugosidad 0.020 que debe conducir un caudal de 250 l/s y atravesar una quebrada mediante un acueducto de 30 m de longitud con una rugosidad de 0.016. Se decide que la pendiente del acueducto sea 2 mm por metro, su sección rectangular con un ancho interno de 40 cm. Las transiciones serán rectas, del mismo material que el acueducto. 1. El tipo de sección es rectangular. 2. El ancho de solera es 0.40 m. 3. Para el cálculo del tirante normal en la sección 4 se determina previamente el valor de la expresión:

Haciendo variar y 4 hasta que la expresión A 4∙R4 2/3 dé el mismo valor de 0.1581,se obtiene el valor de 0.7382 como tirante en la sección 4. 4. La velocidad en la sección 4 es:

5. El Número de Froude en esa sección es:

6. La transición de salida, al igual que la de entrada tendrá una longitud de:

Por facilidad constructiva (longitud de encofrados), se adopta un L T de 1.00 m. 7. Después se calcula el tirante tirant e en la sección 3, proponiendo valores de y 3 hasta que se satisfaga la igualdad:

De donde resulta y 3 = 0.7254 m. Nótese que se ha dado al tramo 3-4 la misma pendiente del acueducto. Ahora se puede calcular los demás valores característicos del ujo por la sección 3:

8. El número de Froude en la sección 3 tiene un valor:

que verica un régimen tranquilo en la sección 3. 9. El cálculo prosigue proponiendo valores para el tirante en la sección 2 hasta que se satisfaga la igualdad:

91 s s a a s s o o ñ ñ a a t t n n o o M M s s a a n n o o Z Z a a r r a a p p o o g g e e i i R R e e d d s s a a r r b b O O


de donde se determina que: y2 = 0.7327 m A2 = 0.2931 m2 V2 = 0.8530 m/s 10.

Finalmente se calcula el tirante en la sección 1, dando valores a y 1 hasta que se satisfaga la igualdad:

de donde se obtiene y 1= 0.7589 m. 11. El valor de la altura del remanso en la sección 1 es entonces, h remanso= y 1 – y4 = 0.7589 – 0.7382 = 0.0207 m, que no justica un aumento del bordo libre en el canal de entrada.

7.3 Elementos Estructurales 7.3.1 Estribos Los estribos son los apoyos extremos ext remos de la caja aérea y su planteamiento planteamient o estructural estructur al dependerá de las condiciones locales del suelo de cimentación. Así, se podrá plantear un estribo tipo muro de contención para terrenos de cimentación de mediana o gran capacidad admisible de carga. En suelos de muy baja capacidad portante se suele utilizar estribos utilizando cajas de sedimentación. En el diseño de los estribos se destaca la relación interdisciplinaria entre el ingeniero estructural y el ingeniero de suelos para determinar con exactitud los parámetros de diseño del terreno posterior al muro, determinar la profundidad de cimentación y determinar la capacidad de carga del terreno. Ésta última depende no solo de las características propias del suelo, sino también del tamaño de la cimentación, de la excentricidad y de la inclinación de la resultante de las fuerzas actuantes. También cabe destacar la interrelación entre el ingeniero estructural y el ingeniero hidráulico para denir con exactitud exactitu d el nivel más adecuado de la caja aérea, así como el potencial erosionable del terreno ante una avenida extraordinaria en el período de retorno determinado por el estudio hidrológico.

7.3.2 Pila La pila es un elemento estructural que sirve de apoyo intermedio de la caja aérea (Figura 7.5). En el caso que el acueducto cruza una quebrada o río, es recomendable evitar la necesidad de emplazar pilas dentro del cauce, para así evitar el riesgo de erosión en sus fundaciones. Si por la longitud de la luz es inevitable colocar pilas, se deben tomar todas las medidas de seguridad en el diseño, como la protección de los pilas contra la socavación de sus fundaciones y contra el deterioro del fuste por las colisiones del material que arrastre el torrente. La protección con gaviones es la más aconsejable por su economía y facilidad de instalación, como por su facilidad de reposición.

Figura 7.5. Componentes de una pila


Uno de los errores más comunes y notorios en el diseño de acueductos es la insuciencia de estudios del suelo de fundación. Las características del suelo de fundación determinan las características de los elementos de fundación y condicionan la longitud de los tramos entre pilas. Cuando el diseño estructural sobreestima sobreestim a la capacidad portante del suelo, aparecen los problemas de asentamiento y consiguientes problemas de ujo en el acueducto.

7.3.3 Caja aérea Tiene la función de permitir el paso elevado de las aguas del canal. Se asemeja al tablero de un puente y para su diseño se realiza dos tipos de análisis:

Análisis longitudinal Se considera al conjunto del acueducto, idealizando la estructura como una viga simplemente apoyada, con una carga repartida equivalente a su peso propio y una carga repartida equivalente al peso del tirante del agua a lo largo de la estructura. Las paredes del acueducto y la solera actúan como vigas y se las diseña para satisfacer satisfacer el estado de carga más crítico, esto es, cuando cuando el acueducto esté lleno de agua. La experiencia recomienda evitar luces mayores a los 10 metros. El esfuerzo más importante en el análisis longitudinal es la exión en las paredes del acueducto. Éstas se diseñan por el Método de los Esfuerzos de Trabajo, para tener un mejor control del ancho máximo probable de las suras por exión. Tratándose de una estructura que debe asegurar estanqueidad, el ancho admisible de las suras es de una décima de milímetro. Una suración mayor es inadmisible porque las ltraciones de agua a través de la estructura, combinadas con el oxígeno y anhídrido carbónico de la atmósfera, atacan al hierro de la armadura y lo oxidan. Paralelamente, el volumen del óxido al formarse es unas ocho veces mayor que el del metal que lo origina, lo que a su vez da lugar a más suras (Jiménez Montoya et al, 2000). Así, el proceso de corrosión de la armadura entra en una espiral divergente. La echa originada por p or exión en un acueducto acueduc to se traduce en alteraciones al teraciones no previstas en el ujo y en estancamientos de agua cuando el canal no se encuentra en operación. Una manera de minimizar el problema de la echa es la de prever una contra echa en el encofrado. Ésta debe tener la magnitud suciente para que, una vez puesta la estructura en funcionamiento,


las cargas permanentes de peso propio y tirante de agua exionen la estructura hasta reponer su horizontalidad.

Análisis transversal Para el análisis transversal, se toma una franja de ancho unitario para analizar los esfuerzos de corte y exión transversal por la presión hidrostática en las paredes verticales y en la losa del fondo. Para ayudar en la absorción de esfuerzos transversales es benecioso colocar, de tanto en tanto, vigas superiores que atiranten las paredes ante el empuje transversal del agua. Estas pequeñas vigas de arriostre, si están espaciadas a no más de unos 80 cm entre bordes, ayudarán al acueducto a cumplir su función secundaria de puente peatonal. Figura 7.6. Sección transversal de una caja aérea con detalle de armaduras

En el cálculo estructural de los acueductos se debe tomar en cuenta la actividad sísmica que ocurre en la zona montañosa de Bolivia. La mayoración de las cargas verticales y la introducción de aceleraciones horizontales deben estar de acuerdo con la zona sísmica de que se trate. Lo usual es construir la caja aérea de hormigón armado. Existe la posibilidad de recurrir a otros materiales como madera, hormigón simple, mampostería o metal, pero esas alternativas no son prácticas. La madera tiene limitaciones de conservación y respuesta al intemperismo. El uso de hormigón simple o de hormigón ciclópeo, por su ínma resistencia a los esfuerzos de tracción, se ve limitado a tramos muy cortos. Los acueductos de mampostería se ven también limitados en su longitud debido a la forma de su respuesta estructural a las cargas, gravitatorias y sísmicas. Los acueductos metálicos tienen la mejor relación resistencia / peso propio, permiten luces mayores pero son más sensibles al intemperismo intemperis mo y son costosos, costosos , especialmente especialment e cuando se necesita necesi ta darles una rigidez acorde al uso peatonal.

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Figura 7.7. Acueducto de mampostería

Figura 7.8. 7.8. Acueducto Metálico Metálico

7.4 Aspectos Constructivos 7.4.1 Interfase canal - acueducto El cambio de tipo de estructura canal-acueducto exige la disposición de juntas constructivas cuya estanqueidad estanqueidad se controla con cintas waterstop. Las cintas waterstop son elementos fabricados de goma, de neopreno o de policloruro de vinilo (PVC, por sus siglas en inglés Polyvinylchloride), de gran resistencia y elasticidad, que incorporados en las juntas de hormigón aseguran una perfecta estanqueidad en las obras donde se quiere resistir la acción de las presiones de agua. Estas cintas están diseñadas con nervaduras múltiples que permiten una buena adherencia, acoplamiento y retención del hormigón. Tiene además un centro protuberante que ayuda a resistir la presión originada por los movimientos de las estructuras. Para lograr una junta impermeable, la cinta debe estar perfectamente embebida y adherida en el hormigón.


96

Figura 7.9. Detalles de la conexión entre canal revestido y acueducto


La jación del waterstop se realiza fácilmente; es necesario sujetar la cinta a la armadura y al encofrado a n de que no se desplace durante el vaciado del hormigón. La sujeción a los hierros de la armadura se hace mediante ataduras con alambre. En cuanto a la vinculación con el encofrado hay varias prácticas usuales, dependiendo del perl elegido, de si se va a dejar junta cerrada o abierta y también de la secuencia de hormigonado. Adicionalmente, Adicionalmente, algunas normas recomiendan recomiendan que en juntas de construcción entre estructuras de geometría y comportamientos diferentes, como en la unión de la sección del canal con una transición, se rigidicen las zonas de unión para aminorar el desplazamiento relativo entre las estructuras estructur as (Figura 7.9). Esta recomendación a veces forma parte de las exigencias de agencias nanciadoras, pero a la vista es excesiva para los acueductos que normalmente se construyen en Bolivia. Apoyos elásticos Cuando el acueducto se diseña para funcionar como viga simplemente apoyada sobre los estribos y pilas, se dispone entre vigas y apoyos unas placas elásticas, al igual que en los puentes. Lo ideal, en términos técnicos, es recurrir a una placa con espesor aproximado de 2.5 cm de Neopreno (Policloropreno). Una ventaja importante del apoyo de neopreno es su efectividad como medio para la transferencia de la carga de tal manera que ésta se transmita sobre toda la sección transversal del apoyo y no se concentre sobre sus salientes. Pero considerando que normalmente las vigas son vaciadas en sitio, es suciente aislarlas de los estribos colocando previamente u na capa de cartón asfáltico para así permitir su libre desplazamiento. El cartón asfáltico es mucho más barato que el Neopreno pero se le reconocen solamente sus propiedades aislantes y no elásticas cuando se requiere una efectiva transferencia de carga .

7.5. Situaciones que conviene evitar •

En los acueductos se puede formar una curva de remanso por causa del cambio de pendiente, de sección, de rugosidad, o una combinación de éstas. Teóricamente se puede contrarrestar esta curva inclinando las transiciones de entrada y de salida como se muestra en la Figura 7.10.

Figura 7.10. Acueducto con transiciones en pendiente


•

En la topografía montañosa los canales discurren por las laderas hasta que en cierto punto deben cruzar una quebrada. El trazo geométrico en la entrada al acueducto suele ser una curva pronunciada como se ve en la Figura 7.11, con un ángulo de deexión cercano a los 90º y similar en la salida. En estos casos debe aumentarse el bordo libre de la pared exterior a la curva para evitar rebalses que afecten a los estribos del acueducto.

• En algunos sistemas de riego se han diseñado acueductos que operan también como vertederos de caudal excedente. Si bien en determinados casos se han evaluado cuidadosamente las características geotécnicas de la roca donde se fundan los estribos y donde se vierte el agua, esta práctica puede tener efectos dañinos sobre los elementos de fundación de la estructura y provocar erosión en la zona de la cascada. Es más seguro ubicar el vertedero de excedencias aguas arriba del acueducto, cuidando de que su emplazamiento asegure una descarga de efectos controlados. Figura 7.11. Erosión del terreno de fundación de un estribo por rebalse en la curva

•

Un aspecto importante para la durabilidad y buena operación de la estructura es la distancia vertical que queda libre entre la base del acueducto y el obstáculo a salvar. Para el cruce de pequeñas quebradas, esa distancia libre puede ser de medio metro, pero en cruces de quebradas importantes y ríos, debe considerarse un mínimo de un metro y medio sobre el nivel máximo de las aguas del curso inferior. La falta de espacio puede causar rebalses de agua del cauce natural por encima del acueducto y poner en riesgo su estabilidad.


Figura 7.12. Acueducto con insuciente espacio inferior

8

CAPÍTULO CAPÍTULO

SIFONES INVERTIDOS

Figura 8.1. Salida sifón Invertido. Naranjos - Tarija

8.1 DESCRIPCIÓN Y UBICACIÓN Un sifón es un conducto cerrado que se eleva por encima de la línea piezométrica y en el cual la presión, p resión, en algún al gún punto, punt o, es inferior in ferior a la atmosférica. atmosféric a. Los L os ‘sifones ‘s ifones invertidos’ invertidos ’ no son sifones propiamente dichos, porque la presión en todos los puntos en el tubo es superior a la atmosférica. A pesar de ser un término inadecuado, su uso vino a ser costumbre, por lo que también lo empleamos en esta Guía. Los sifones invertidos son conductos cerrados que trabajan a presión y se emplean para conectar dos conductos o depósitos de agua pasando por un punto más bajo entre ellos. Se usan en el cruce de un canal con una depresión topográca como río o quebrada, un camino, otro canal, un dren u otro tipo de obstáculo que convenga sortear pasando por debajo. A diferencia de los acueductos, los sifones invertidos tienen altas pérdidas de carga por fricción y por tanto su aplicación puede causar una reducción en el área potencial de riego. Otra desventaja es su riesgo de colmatación cuando el agua arrastra material de sedimentación sedimentaci ón en cantidades considerables. co nsiderables. Este Es te riesgo exige de los usuarios usuari os una particular atención at ención para evitarl o, ya y a que remover el azolve de un sifón invertido es una tarea dicultosa dicultos a y su reparación puede ser costosa en caso de que se hubieren producido daños.



Las ventajas de los sifones invertidos son sus bajos costos de diseño, construcción y mantenimiento. Su adopción se hace necesaria cuando el terreno no ofrece suciente resistencia para las fundaciones de un acueducto y cuando la depresión que se debe sortear es muy profunda y extendida y bordearla con un canal supone una longitud demasiado larga y por ell o costosa. También, el sifón invertido es la solución pertinente cuando la diferencia de nivel entre la supercie del agua del canal y la rasante del obstáculo a cruzar es muy pequeña, como en el cruce de caminos o ferrovías, de manera que no permita la construcción de un acueducto. El sifón invertido funciona por diferencia de niveles. Esta diferencia de niveles debe absorber todas las pérdidas de carga del sifón invertido. La diferencia de niveles AZ es igual al desnivel entre la supercie del agua en la cámara de entrada y en la cámara de salida. Debe ser mayor o igual a la sumatoria de pérdidas de carga entre una y otra cámara. Figura 8.2. Corte esquemático de un sifón invertido

Los sifones invertidos medianos y pequeños, que salvan desniveles del o rden de los 50 m, normalmente constan de los componentes que ilustra la Figura 8.2: 1) vertedero de excedencias, 2) desarenador, 3) rejilla de entrada, 4) transición de entrada, 5) ducto, 6) válvula de purga, 7) transición de salida y 8) rejilla de salida. La gura incluye el desarenador y el vertedero de excedencias, aunque no son propiamente componentes del sifón invertido sino estructuras complementarias, complementarias, tratadas en los Capítulos 14 y 15, respectivamente. Figura 8.3. Perspectiva de los componentes de un sifón invertido

1. Vertedero de excedencias Es una estructura que evita que el nivel del agua suba más de lo tolerable en el canal de llegada, evacuando el caudal que no pueda pasar por el sifón invertido. Generalmente consiste en un vertedero lateral construido en una de las paredes del canal. El vertedero sirve también para derivar el agua del canal en caso que el sifón esté tapado o esté cerrada la eventual compuerta de emergencia ante la necesidad de reparaciones o mantenimiento de la tubería. Por tal motivo, el caudal de diseño del vertedero es igual al caudal de diseño del canal. 2. Desarenador Sirve para que el material en suspensión en el agua se deposite antes de la entrada al sifón invertido. Esto es necesario para disminuir los efectos abrasivos sobre el interior del tubo y para minimizar los riesgos de azolvamiento en el ducto, considerando lo dicultoso que puede ser el trabajo de limpieza de grava y arena depositadas en su tramo inferior. 3. Rejilla de entrada y compuerta de emergencia El objeto de la rejilla de entrada es el de impedir la entrada al ducto de basura (hojas secas, ramas, bolsas de plástico, etc.) y objetos extraños (como animales muertos), que obstruyan el ducto o perjudiquen su normal funcionamiento. La compuerta de emergencia es una obra optativa, su necesidad depende de la posibilidad de cerrar el canal en un punto superior. La compuerta puede instalarse sobre el marco de la rejilla de entrada para operarla como compuerta deslizante sobre ranuras paralelas a la rejilla de entrada. 4. Transición de entrada En general, la sección secció n del canal es más amplia que la adoptada en el ducto, po r lo que es necesario construir una transición de entrada convergente para asegurar un cambio de ujo gradual entre las distintas secciones. En el diseño de una transición de entrada la abertura de la parte superior del sifón invertido debe estar por debajo de la supercie normal del agua (ahogada), para evitar el ingreso de aire que perjudique el funcionamiento del sifón invertido y disminuya su capacidad de conducción. 5. Ducto Es la parte principal de los sifones invertidos. inverti dos. Su disposición geométrica geométr ica debe en lo posible ajustarse a la topografía de la depresión a salvar para minimizar los trabajos de excavación y de relleno. Es usual construir estructuras de soporte para el ducto, tanto en las laderas como en el fondo de la depresión por sortearse. Es buena práctica enterrar el ducto para protegerlo de cargas directas (pisadas de personas y animales) y cargas de impacto (piedras, granizo). Es imprescindible proteger de los rayos ultravioleta a las tuberías plásticas. Para efectos de operación y mantenimiento, puede ser conveniente construir un ducto doble o triple, porque aumenta la seguridad allí donde existan severos riesgos de taponamiento, dicultades en la limpieza o necesidades en la operación. La desventaja es que encarece la obra.


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Figura 8.4. Vista en elevación y corte transversal de una pared de soporte


6. Registros para limpieza y válvulas de purga En la parte más baja del ducto se coloca una bifurcación bifurcaci ón con una válvula de purga de las dimensiones acordes al caudal que se deberá desalojar. La válvula se usa para vaciar el tubo, evacuar material que azolve la estructura y para poder realizar trabajos de mantenimiento o reparación. En el cruce de ríos o quebradas, la instalación de la válvula de purga requiere disponer una estructura que soporte el ducto por encima del cauce. Conviene proteger la válvula válvul a de purga por medio de una cámara, una caja de ladrillo u hormigón con una tapa. La apertura de la válvula de purga debe hacerse gradualmente para evitar velocidades grandes en el ducto. 7. Transición de salida Mediante la transición de salida (normalmente divergente) se genera un cambio gradual en el ujo entre la cámara cáma ra de salida y el canal que continúa. c ontinúa. El ahogamiento de la transición tran sición de salida debe ser mínimo, tratando de que la descarga sea casi libre y no sumergida. 8. Rejilla de salida El objeto de la rejilla de salida es el de evitar el ingreso de elementos extraños al ducto, cuando por cualquier motivo el sentido del ujo se invierta, por ejemplo durante el vaciado del ducto por la válvula de purga. De manera simétrica a la rejilla de entrada, conviene disponerla luego de la transición transició n de salida para dar mayor comodidad a la tarea de limpieza.

8.2 CRITERIOS RELACIONADOS CON GESTIÓN DE RIEGO Y SOSTENIBILIDAD El diseño de los sifones invertidos depende en gran medida de criterios hidráulico - constructivos generales como se explica más adelante, sin embargo, hay algunos criterios especícos relacionados con la gestión de riego en los sistemas s istemas de montaña: Caudal de diseño y dimensión del ducto • Los sifones invertidos inverti dos suelen ser los tramos críticos crític os en cuanto a la capacidad de conducción del sistema de riego. Una vez instalados no existe la posibilidad de aumentar su capacidad a diferencia de los canales abiertos.

• En vista de que en la mayoría de los sistemas no pueden denirse los caudales de diseño con toda exactitud, es buena práctica tomar un margen de seguridad en el caudal de diseño de los sifones invertidos. En consecuencia, en el diseño no siempre se precisa la mayor optimización entre diferencia de carga, velocidad del ujo y diámetro del tubo. Sin embargo, hay que considerar cuidadosamente el aumento en costos de construcción. Desarenador • El desarenador antes de un sifón invertido es de mayor importancia en sistemas que funcionan con agua turbia. Con éste se evita el azolvamiento y el desgaste del ducto por el material de arrastre y en suspensión. • El desarenador debe estar a una distancia mínima de la entrada del sifón invertido para asegurar que en el tramo entre desarenador y sifón invertido no vuelva a entrar material sólido en el canal. • La distancia mínima también permite que se combine automáticamente la limpieza del desarenador con el uso de sifón invertido. • Si la topografía permite diseñar una estructura combinada de desarenador y vertedero de excedencias, se aconseja instalar una compuerta de fondo para el retiro fácil de material de la poza, de tal manera que el ujo de limpieza escurra hacia la estructura de salida del vertedero de excedencias. Rejilla de entrada y salida • En canales con mucho material mat erial otante, otant e, por ejemplo a causa caus a de vegetación cerca del canal, se recomienda colocar la rejilla de entrada en un ángulo de entre 30º y 40ºrespecto al fondo del canal (no en posición vertical). Esto, para que el ujo del agua empuje el material otante hacia la parte superior de la rejilla evitando la obstrucción acelerada de la entrada. • Las varillas de la rejilla deben colocarse en la dirección del ujo, nunca de forma horizontal, para permitir la limpieza con herramientas y sin que la persona que haga la limpieza tenga que entrar al agua. Las varillas deben sobresalir lo suciente con relación a las barras de apoyo hori zontales para dejar el paso fácil de los dientes de un rastrillo. • Hay menos exigencias en cuanto al diseño de la rejilla de salida. Lo más práctico es una rejilla con bisagras en la parte superior, para que al subir la rejilla el material acumulado caiga en la transición de salida.

Figura 8.5. Rejilla inclinada, permite el paso del agua por debajo del material otante



Vertedero de excedencias • En vista que los sifones invertidos suelen ubicarse cerca de quebradas inclinadas, hay que dar atención especial a la seguridad del cauce de desagüe. En caso necesario hay que diseñar el vertedero a una distancia mayor de la entrada al sifón invertido. • Es conveniente el diseño que combina el desarenador con el vertedero de excedencias en una sola estructura. Si han de estar separados, ambas estructuras deben estar alineadas entre sí a n de no generar curvas de remanso.

Figura 8.6. Vertedero antes de la entrada de un sifón invertido

Válvula de purga • En el riego de la zona montañosa, la mayoría de los sifones invertidos operan de forma intermitente. Cuando no se usa el sifón invertido, el material sólido en suspensión se deposita en el fondo del ducto. Cuando se usa agua con una mayor concentración de sólidos, es imprescindible que la válvula de purga esté en el punto más bajo del ducto y permita la autolimpieza del sifón invertido. • La gran cantidad de d e material sólido sól ido en el agua puede ocasionar o casionar taponamiento en la parte baja del ducto. Donde existe este peligro, es necesario incluir tubos removibles en la parte más baja que facilitan facilita n la limpieza, por ejemplo tubos bridados o unidos mediante juntas Gibaull.

8.3 DISEÑO HIDRÁULICO El cálculo hidráulico del sifón invertido se realiza por tanteos, haciendo variar la sección del ducto, calculando las pérdidas de carga que se presentarían y vericándolas respecto del desnivel que se quiere salvar con esta estructura. Los datos son: • • • • • •

El caudal que conduce el canal Q [m3/s]. La velocidad del agua en el canal vc [m/s]. La cota de la solera del canal a la entrada de la transición transició n Cota A [msnm]. El tirante normal del canal a la entrada de la transición si no existiera la rejilla y p [m]. La cota del nivel de agua en la sección de entrada a la transición Cota NA A [msnm]. La topografía de la depresión a salvar.

Figura 8.7. Alineamiento horizontal y vertical de un sifón según la topografía


1. Se dene la alineación vertical y horizontal del ducto, sobre la base de la topografía. De esta denición resulta la longitud L d del ducto y sus cambios de dirección o codos. 2. Sobre la base de la topografía y el punto elegido para continuar el canal luego del sifón invertido, se predetermina la cota de la solera en el punto F ó cota F. Figura 8.8. Diferencia de niveles en un sifón invertido

106

3. Se calcula la diferencia de cotas


ΔZ = Cota A— Cota F [m] ΔZ = diferencia de altura entre la Cota A y la Cota F [m] Cota A = nivel de la solera en el punto A inicio de la estructura [msnm] Cota F = nivel de la solera en el punto F nal de la estructura [rnsnm] 4. Se dene la velocidad de diseño del agua en el ducto v d [m/s] Una velocidad conveniente para evitar depósito de sedimentos en el ducto oscila entre 1.5 y 3 m/s. Velocidades menores obligarán a tomar mayores precauciones en cuanto a las facilidades de limpieza en el ducto. Si se ja una velocidad mayor a ese rango, debe vericarse con el fabricante la capacidad del material para soportar la erosión de las paredes interiores del ducto a esa velocidad. Una velocidad superior a los 3 m/s también obliga a tomar precauciones contra el golpe de ariete, tal como se describió en el Capítulo 6, Tuberías. 5. Se calcula el área interior necesaria del ducto.

(8.1) Ad = área del ducto [m2] Q = caudal [m3/s] vd = velocidad en el ducto [m/s] 6. Se dene la forma de la sección del ducto (circular, cuadrada, rectangular u otra) y el material con su rugosidad. Figura 8.9. Distintas formas de sección de tubería para sifones invertidos

La sección común es la circular por el uso de tuberías prefabricadas . En caso de construcción construcci ón en el sitio, también se aplican tuberías rectangulares. rectangulares . Cuando la carga es menos de 10 m de columna agua, se pueden usar ductos de hormigón armado de sección rectangular o cuadrada. Si la carga excede los 30 m, es conveniente decidirse por ductos de H°A° de sección circular, que también puede fabricarse en el sitio. Resulta más práctico optar por las tuberías de PVC, que pueden soportar presiones de trabajo desde 60 m hasta 150 m. Cargas mayores requieren el uso de tuberías de acero. Del tipo de material depende la rugosidad del ducto. Debe tenerse en cuenta que con el uso, la rugosidad del ducto se incrementará, aumentando las pérdidas por fricción y reduciendo la capacidad de descarga del sifón invertido. La elección del coeciente coecient e de rugosidad a emplear en los cálculos de diseño, debe ser conservadora.

107

7. Se calculan las dimensiones características caracterí sticas de la sección elegida. Tabla 8.1: Dimensiones de secciones típicas

CIRCULAR

CUADRADA

RECTANGULAR

ó

8. Se elige la sección comercial con las dimensiones características característ icas más cercanas a las calculadas en el paso 7. 9. Con el área calculada sobre la base del diámetro comercial, se calcula la velocidad a través del ducto: (8.2)

La velocidad en el ducto debería ser al menos el doble de la velocidad en el canal, no menor a 1 m/s y mejor si es mayor a 1.5 m/s. Es prudente no exceder los 3 m/s para no tener que adoptar medidas contra el golpe de ariete (Sección 6.7) 10. Se calcula la pérdida de carga por la rejilla de entrada con la fórmula de Kirshmmer (8.3) hre = perdida de carga por rejilla de entrada [m] F = factor de forma; igual a 1.79 para barras circulares y 2.42 para barras rectangulares. eb = espesor de la barra [m] (diámetro en barras circulares, ancho de barras rectangulares) Sb = espacio libre entre barras [m] vc = velocidad de aproximación en el canal [m/s] φ = ángulo que forman las barras con la horizontal. g = aceleración de la gravedad [m/s 2] 11. Se calcula la longitud de transición t ransición de entrada ent rada y de salida en función del ancho del espejo de agua del canal, la dimensión característica de la sección elegida (diámetro en caso de sección circular, lado en sección cuadrada y ancho en sección rectangular) y el ángulo de transición.

(8.4) LT = longitud de transición, transición , igual para entrada y salida [m] T = ancho del espejo de agua en el canal, para el caudal de diseño [m] D = diámetro [m], en el caso de ducto de sección circular. Si no, debe remplazarse por b. 12. Se calcula la pérdida de carga por la transición de entrada: (8.4)


108

hte = perdida de carga por transición de entrada [m]


13.Se calcula el nivel de agua sobre el punto B, donde se inicia la conducción entubada. Para ello, se parte de la Cota A más el tirante normal, que resulta en el Nivel de Agua en el punto A, NA A. Del nivel NA A se restan las pérdidas de carga por rejilla y transición de entrada. NAB = NAA – hre – hte

(8.6)

Figura 8.10. Esquema de entrada de sifón invertido (en corte y en planta)

14.Se calcula la proyección vertical del diámetro a la entrada del ducto, tomando en cuenta su ángulo con la horizontal en su primer tramo: (8.7)

Dpe = proyección vertical del diámetro del ducto a la entrada [m] α = proyección vertical del diámetro 15.Se dene el porcentaje de ahogamiento a% en la sección de entrada asumiendo un valor mayor a 10% y menor a 50%. Ese corresponde a la expresión: (8.8) Entonces el valor de la cota B será: (8.9) y el ahogamiento resulta:

(8.10) el ahogamiento mínimo de 0.15 m; un recomendable es 0.45 m.

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16. Se calcula la perdida de carga por entrada al ducto: (8.11) he = pérdida de carga por entrada [m] Ke = coeciente de pérdida de entrada, según Tabla 8.2 Tabla 8.2. Coecientes de pérdida de carga para distintas formas de entrada

Forma de entrada

Ke

Compuerta en pared delgada, contracción suprimida en los lados y en el fondo

1.000

Entrada con arista en ángulo recto Entrada con arista ligeramente redondeada

0.500 0.230

Entrada con arista completamente redondeada R/D = 0.15 Entrada abocinada circular

0.100 0.004

17.Se calcula la perdida de carga en el ducto siguiendo el procedimiento descrito en el capítulo 6, tuberías para problemas tipo ii): a) Se calcula la sumatoria de perdidas menores por accesorios: (8.12) km = coeciente de pérdida de accesorios, según Tabla 8.3 Tabla 8.3. Coecientes de pérdida de carga por accesorios

Accesorio

km

Válvula de globo, completamente abierta Válvula en ángulo, completamente abierta Válvula de retención, completamente abierta Válvula de compuerta, completamente abierta Válvula de compuerta, con 3/4 de apertura Válvula de compuerta, con 1/2 de apertura

10.0 5.0 2.5 0.2 1.0 – 1.15 5.6

Válvula de compuerta, con 1/4 de apertura Codo de radio corto (r/D =1) Codo de radio mediano Codo de radio grande (r/D =1.5) Codo de 45° Retorno (curva en U) Te en sentido recto Te a través de la salida lateral Unión Ye de 45°, en sentido recto

24.0 0.9 0.75 – 0.80 0.6 0.4 – 0.42 2.2 0.3 1.8 0.3 0.3


110

Ye de 45°, salida lateral Entrada recta a tope Entrada con boca acampanada Entrada con tubo reentrante Sa li da


0.8 0.5 0.1 0.9 1.0

b) Se calcula el número de Reynolds: (8.13) Re = número de Reynolds = viscosidad cinemática Tabla 8.4. Viscosidad cinemática del agua a distintas temperaturas

Temperatura [º C]

0

Viscosidad cinemática x 10- 6 m2/s

5

1. 79 1 . 52

10

15

20

25

30

1 . 31

1. 15

1 . 01

0 . 90

0. 81

c) Se determina el factor fricción f dándole distintos valores hasta que se cumpla la igualdad.

(8.14)

f = factor de fricción ε = rugosidad absoluta del interior del tubo [m]; depende del material interior de la tubería, según la Tabla 8.5. Tabla 8.5. Rugosidad absoluta del material interior de la tubería

MATERIAL

ε[ x 10-3 m]

PVC Asbesto Cemento Cemento Acero Hierro galvanizado Hierro fundido Hierro fundido dúctil Hormigón

0.0015 0.03 0.046 0.15 0.15 0.25 0.3 - 3.0

Acero bridado bridado

0.9 – 9.0

d). Se calcula la pérdida de carga por fricción en el ducto:

(8.15) hf = pérdida de carga por fricción [m] Ld = longitud del ducto [m]

18. Se calcula la pérdida de d e salida por po r ampliación, ampliación , calculando calculan do previamente previament e la velocidad del ujo en el canal de salida, de acuerdo con sus dimensiones. (8.16) entonces la pérdida de carga por la ampliación de la salida es: (8.17) hs = pérdida de carga por salida [m] 19. Se calcula la perdida de carga por rejilla de salida, de la misma manera que la perdida de carga por rejilla de entrada. La velocidad de aproximación es ahora la velocidad de salida: (8.18)

hrs = pérdida de carga por rejilla de salida [m] Figura 8.11. Esquema de salida de u n sifón invertido (en corte y en planta)

20. Se calcula la sumatoria total de las pérdidas de carga. hT = hte +hre +he +hf+ ∑hm + hs +hrs [m]

(8.19)

21. Se calcula la cota de la solera del canal luego de la transición, considerando que se desea tener el mismo tirante que en el canal de entrada. Para esto debe restarse la pérdida total de carga (mayorada en un 10%) de la cota de la solera del canal de entrada antes de la transición de entrada: Cota F= Cota A - 1.10 hT

[msnm]

En caso que la Cota F calculada sea menor a la cota de la salida predenida, deberá bajarse la salida hasta la Cota F o mantener la cota de salida predenida reduciendo las pérdidas. Se puede incrementar el diámetro, vericando que la velocidad en el ducto no sea inferior a la mínima admisible. Si la Cota F resulta mayor a la cota de salida predenida, las opciones son: subir la cota de salida hasta el valor de la Cota F calculada o aumentar las pérdidas por fricción reduciendo el diámetro, evitando que la velocidad en el ducto sobrepase la máxima admisible.



22. Para diseñar la estructura de salida, dependiendo del camino elegido en el punto anterior, se tendrá como tirante del canal de salida el tirante normal de entrada u otro tirante en el punto F denominado y F, asociado a la cota del Nivel de Agua en la salida sobre el punto F, Cota NAF. Cota NAF = Cota F + yF + hrs [mnsm] El cálculo del tirante normal del canal de salida dependerá de las dimensiones, el tipo de revestimiento y la pendiente de su solera, aunque lo usual es que se mantengan las mismas condiciones de escurrimiento en relación al canal de entrada. 23. Considerando las pérdidas por salida, se calcula el Nivel del Agua sobre el punto E Cota NAE = Cota NAF + hs [m] 24. Se dene el porcentaje de ahogamiento del tubo en la salida, %a s cuidando que la diferencia entre tirante y el diámetro proyectado sobre la vertical D PS no exceda el valor de un sexto del diámetro interno del ducto para que la salida trabaje con un mínimo de sumergencia o con descarga libre, minimizando las pérdidas de carga en la tubería. Luego, se calcula D/6 y se dene un valor para as [m] menor a ese cociente. 25. La proyección vertical del diámetro del ducto tendrá el valor: (8.19) DPS = proyección vertical del diámetro del ducto en la salida [m] b = ángulo que forma el ducto a la salida con la horizontal 26. Finalmente, con el valor denido para el ahogamiento as se calcula la cota del punto E: Cota E = Cota NA E - Dps - as [msnm]

8.4. Ejemplo de cálculo Dimensionar un sifón invertido entre dos canales rectangulares (b = 0.60, pendiente 0.001 m/m) con capacidad de conducir 250 l/s con un tirante normal de 0.613 m y velocidad de 0.679 m/s. La cota de la solera en el canal de entrada es 2780.300 msnm. El punto de salida está situado aproximadamente aproximadament e en la cota 2771.300 msnm considerando una longitud de tubería de 310 m. 1. La alineación horizontal y vertical se determina sobre la base de la topografía y se obtiene la longitud Ld. 2. Se predetermina la cota F en el mapa. 3. Se calcula la diferencia ΔZ. 4. Para este ejemplo, se ja la velocidad preliminar del ujo entubado en 2.5 m/s. 5. Se calcula el área de la sección transversal del ducto correspondiente:

6. Se elige una tubería de PVC con rugosidad absoluta de 2x10 -5, para este caso de sección circular. 7. Se calcula el diámetro del tubo elegido, que es:

equivalente a 14.048 pulgadas. 8. Como diámetro comercial más cercano se elige el de 14” equivalente a 0.356 m. 9. Con este valor se recalcula el área transversal del tubo y la velocidad del ujo entubado:

10. Para calcular la pérdida de carga por la rejilla de entrada, suponemos que ésta se compone de barras de 3/8” de diámetro, espaciadas 6 cm entre sí (un sexto del diámetro del tubo) e inclinadas 75° respecto de la horizontal. Luego:

11. La longitud de la transición de entrada será:

que se redondea a 0.3 m. 12. La pérdida por transición de entrada resulta:

13. El nivel del agua sobre el punto B resulta: NAB = NA A- hre- hte = 2780.913 - 0.048 - 0.120 = 2780.745 msnm 14. Suponiendo que el diseño prevé una inclinación de 45° para el tubo en su primer tramo descendente,

15. Se ja el porcentaje de ahogamiento a% en 45%. El valor de la Cota B será:



y el ahogamiento a es: a = Cota N’A B -Cota B-DPe = 2780.745 - 2780.016 - 0.503 = 0.226 m 16. Se calcula la pérdida de carga por entrada al ducto h e: , con entrada de aristas en ángulo recto. 17. Para el cálculo de las pérdidas menores en la tubería se supone emplear 2 codos de radio corto, 24 codos de radio grande, un té en sentido recto y una válvula de paso (check valve). La suma de sus coecientes resulta: km = 2x 0.9 + 24 x 0.6 + 1 x 0.3 + 1 x 2.5 = 4.3 m Las pérdidas menores suman:

Para darle valores a la expresión de Colebrook y determinar el coeciente coecient e de fricción se calcula el Número de Reynolds asumiendo una temperatura para el agua de 5°C:

Se determina ahora el valor del factor de fricción f dándole distintos valores hasta que se cumpla la igualdad:

lo que se consigue cuando f es aproximadamente 0.0136. Utilizando la planilla EXCEL, la Función Objetivo encuentra un valor de f hasta que la diferencia entre el primer término y el segundo término de la ecuación de Colebrook sea mínima.

Figura 8.12. Cálculo iterativo del factor de fricción utilizando la planilla EXCEL.

Se calcula ahora la pérdida de carga más importante:

18. Se calcula la pérdida de salida por ampliación, suponiendo que el ujo en el canal de salida tendrá las mismas dimensiones que en el canal de entrada, esto es, 0.600 x 0.613:

la pérdida de carga por la ampliación de la salida es:

19. La pérdida de carga por rejilla de salida, asumiendo un diseño idéntico a la rejilla de entrada será:

20. La pérdida de carga total es: hT = hte + hre +he + hf + hm+hs + hrs = = 0.120 +0.048 + 0.161+ 3.829 + 1.389 + 0.172 + 0.048 = 5.767 m 21. Se calcula la cota de la solera del canal luego de la transición y luego de la rejilla: Cota F = Cota A-1.10 .hT = 2780.3 — 1.10 x 5.768 = 2774.533 msnm altitud a la cual conviene jar el punto F. 22. La cota del Nivel de Aguas en la salida, sobre el punto F, Cota NA F Cota NAF = Cota F + yF +hrs = 2774.533+ 0.613 + 0.048 = 2775.194 msnm. 23. Ahora se calcula 23. Ahora calcula el nivel del del agua sobre sobre el punto E: Cota NAE = Cota NAF +hs = 2775.194 + 0.172 = 2775.366 msnm. 24. Se calcula D/6 = 0.059m y se dene un valor para as, igual a 0.05 m. 25. La proyección vertical del diámetro, asumiendo que el último tramo de la tubería forma un ángulo de 45° con la horizontal, tendrá el valor:

26. Finalmente se calcula la cota del punto E: Cota E - Cota NAE- DPS - as = 2775.366 - 0.503 - 0.05 =2774.813 msnm.

8.4 Aspectos constructivos y estructurales Las cámaras de entrada y salida deben estar completame nte cerradas para evitar que personas ajenas metan objetos grandes en el sifón invertido. Para ello, se tapan las cámaras y se colocan candados en las rejillas. • Para la protección del ducto se recomienda profundizarlo profundizarl o en el terreno. En cruces de caminos, la l a cobertura deberá ser por lo menos de 0.8 m para tuberías t uberías plásticas



y de 0.6 m para tuberías metálicas, para evitar que las cargas transmitidas por vehículos fracturen el ducto. • El diseño estructural estructura l del ducto, normalmente circular, se basa en las tensiones radiales debido a la carga hidrostática, el momento debido al peso del agua contenida en el ducto y a la reacción de la fundación que se asume en contacto con la tubería. • En tubos de hormigón armado, la resistencia resistenc ia admisible de la armadura se reduce a medida que la carga aumenta. Debe tenerse teners e conciencia del hecho de que la Ley de Hooke no resulta apropiada al considerar elementos curvos. El diseño estructural debe tener en cuenta las cargas exteriores para la situación de que el tubo se encuentre vacío. • En los cambios de pendiente y/o de dirección del ducto, es necesario construir dados macizos de hormigón para anclar la tubería al suelo y absorber las fuerzas inerciales. El cálculo de estos anclajes está descrito en el Capítulo 6, Tuberías. Los anclajes de hormigón son innecesarios cuando se emplean accesorios con uniones exibles, resistentes al arrastre de fuerza. Las uniones exibles son aconsejables en zonas de topografía muy accidentada y ante la presencia de fallas geológicas. • En el cruce de ríos, puede construirse un puente de hormigón armado o de arcos de hormigón ciclópeo, o enterrarse la tubería y embeberla en hormigón, considerando la violencia de los ríos en zona montañosa. • Los ductos de FFD deben ser protegidos contra la corrosión con un revestimiento revestimi ento de zinc y barniz bituminoso en el exterior. En su interior se aconseja que estén revestidos con una capa de mortero mor tero de cemento ce mento centrifugado centr ifugado de 5 mm de espesor.

Figura 8.13. Parte inferior de un sifón protegido con hormigón en el cruce de un río

8.5 Situaciones que conviene evitar • Con relación relación a los sifones invertidos invertidos conviene conviene evitar todas las situaciones situaciones inconvenien inconvenientes tes descritas en el Capítulo 6, Tuberías. • En el caso de un sifón invertido, el taponamiento de la tubería suele ser muy problemático. Para evitarlo, no se puede dejar la cámara de entrada abierta, ni la rejilla suelta. Así se disminuye el riesgo que personas ajenas, como excursionistas, introduzcan objetos no deseados, como botellas de gaseosa, pelotas, etc.

• Es aconsejable enterrar el ducto de un sifón invertido en toda su longitud. En especial tubos de PVC no pueden quedarse a la intemperie. La Figura 8.14 muestra el daño que el sol provoca en un sifón de PVC sin cobertura. El material quemado por los rayos UV se vuelve frágil e inservible.

Figura 8.14. Tubería de PVC expuesta, con notables marcas de degradación

• En los sifones invertidos no se debe colocar la cámara de purga en otro lugar que el más bajo del ducto. Si se la coloca fuera del punto inferior, se requiere una bomba para purgar aguas remanentes y sólidos acumulados. Organizaciones de riego no suelen tener bombas de agua ni son puntuales en la limpieza, lo que pondría en riesgo la durabilidad del sifón invertido.


9

CAPÍTULO CAPÍTULO

CAÍDAS

Figura 9.1. Serie de caídas verticales

9.1 DESCRIPCIÓN Y UBICACIÓN Las caídas son estructuras de conducción conducci ón de agua en puntos donde es necesario efectuar cambios bruscos en la rasante del canal, uniendo el tramo superior con el tramo inferior por medio de un plano vertical o inclinado. Cuando el plano es vertical, el agua salta libremente desde el nal del tramo superior y cae en el tramo inferior. La energía potencial antes de la caída se convierte en energía cinética que debe ser disipada por la estructura antes de entregar el caudal al tramo inferior. Se necesitan caídas en un sistema de riego cuando la pendiente del terreno es mayor a la pendiente máxima del canal. Sobre todo en sistemas de montaña, a menudo la topografía se opone a la necesidad de conducir el agua a velocidades controladas (para asegurar una mayor durabilidad del canal). Las caídas se ubican de tal manera de minimizar los trabajos de excavación para que la solera del canal se mantenga con la pendiente de diseño. No es aconsejable considerar el relleno de ciertos tramos; tanto el canal como las demás estructuras deben apoyarse sobre terreno excavado. Luego de un análisis de costos sobre la topografía se podrá determinar si conviene construir pocas caídas de gran altura o muchas caídas de pequeña altura. Si bien la primera opción se traduce



en mayores volúmenes de movimiento de tierra, se emplean menos materiales de construcción y viceversa. Pueden emplearse emplearse diversos tipos de caídas: verticales o inclinadas (con o sin obstáculos) y caídas entubadas. En el caso de los sistemas de riego de montaña, los caudales que se manejan y las limitaciones constructivas constructivas hacen de la caída vertical la solución más común. Las caídas inclinadas son objeto de análisis del Capítulo 10, Rápidas, y las caídas entubadas son parte de lo estudiado en el Capítulo 6, Tuberías. En canales de tierra las caídas siempre deben contar con una protección de piedras u hormigón para evitar erosión en el punto de impacto del agua. En estos casos se sugiere un desnivel de 1 m como máximo. En canales revestidos, revestidos , la altura (o profundidad) de caída puede alcanzar los 2.5 m. Desniveles mayores conviene salvarlos mediante caídas inclinadas o mediante rápidas. Las rápidas se distinguen de las caídas inclinadas por la magnitud de su pendiente y su longitud horizontal. Las caídas inclinadas se emplean cuando el desnivel a salvar es mayor al que se permite a las caídas verticales y cuando no es necesario connar el ujo turbulento en una longitud corta. Las caídas verticales son más ecientes en la connación del ujo turbulento. Una caída vertical está compuesta de los siguientes elementos: Figura 9.2. Esquema de una caída vertical

1. Transición Une gradualmente el canal superior con la estructura de caída, cuya sección, llamada de control puede tener forma y dimensiones distintas a las de la sección del canal. También es necesaria la transición cuando los canales son construidos en tierra y es necesario evitar la erosión de las paredes del canal debido al aumento de velocidad en la zona próxima a la caída.

121

2. Sección de control Es la sección a partir de donde se inicia la caída. La caída vertical se puede utilizar para medir la cantidad de agua que uye debido a que es a la vez un vertedero que hace que se establezca una relación entre el tirante aguas arriba y el caudal. La medición de caudal por medio de vertederos se trata en el Capítulo 14, Medidores de Caudal. La sección de control se hace más angosta que el canal de entrada para solucionar el problema de la aireación del ujo, evitando la cavitación sobre la pared vertical por efecto del vacío que produce el arrastre del agua. La sección más fácil de diseñar y construir es la rectangular. 3. Caída Es el tramo vertical o inclinado de la estructura, desde la solera de la sección de control hasta la solera del colchón disipador. 4. Colchón disipador Es una poza que absorbe la energía cinética del ujo en caída y amortigua el impacto del chorro de agua sobre la solera. Su longitud debe ser suciente para permitir la formación de un resalto hidráulico hasta que el ujo entregado al canal inferior alcance su tirante normal. Las dimensiones del colchón disipador de energía dependen de la altura del salto y del caudal que pase por la coronación. Por debajo de la lámina vertiente en la caída se produce un depósito de agua de altura que aporta el impulso impuls o horizontal necesario necesar io para que el chorro de agua marche hacia abajo. Si el desnivel de la caída es menos de 0.3 m, no se precisa construir un colchón, pero sigue siendo necesario proteger la solera con alguna forma de revestimiento. Al nal nal del colchón disipador, disipador, es recomendable recomendable conectar conectar su solera con la solera del canal canal de de salida salida por medio de una rampa con un talud no más empinado que 2:1. Esto facilita la auto limpieza del colchón donde suelen depositarse elementos sólidos.

9.2 DISEÑO HIDRÁULICO Los datos que se necesitan para el cálculo hidráulico de la caída son: • • • • •

El caudal del canal Q. El ancho del canal b. La pendiente del canal S. La rugosidad Manning n. El desnivel Δz.

1. Se estima el ancho de la caída o sección de control. El diseño de la sección de control consiste en determinar sus dimensiones adecuadas para que el remanso de abatimiento sea el indispensable para la buena circulación y así obtener las mejores condiciones de operación (Fernández Peláez, 1980). Al igual que en las rápidas, cerca del sitio de cambio brusco de pendiente donde el ujo pasa de subcrítico a crítico, despreciando la pérdida de carga en la transición de entrada, se verica la condición: (expresión de Bernoulli)

(9.1)



yn vn yc vc g

= tirante tirante normal normal [m] = velocidad velocidad normal normal [m/s] = tirante tirante crítico crítico [m] = velocidad velocidad crítica crítica [m/s] = aceleración de gravedad [m/s2]

2. Se calcula el tirante normal del canal de entrada y, por iteraciones hasta que se cumpla la condición:

A R Q n S

= área hidráulica hidráulica [m2] = radio radio hidráulico hidráulico [m] = caudal [m3/s] = Rugosidad = pendiente [m/m]

3. Se calcula la velocidad v n con:

b = ancho del canal [m] 4. El tirante crítico, que ocurre cerca de la sección de control se calcula con la expresión;

B = ancho de la sección de control [m], que se determina dando valores a B y reemplazando los demás valores en la ecuación de Bernoulli (9.1) hasta que se cumpla la igualdad entre el primer y el segundo término de esa ecuación. 5. La velocidad crítica se calcula con la expresión 6. Se calcula la longitud de transición usando el criterio:

LT = longitud de la transición de de entrada [m] 7. Se calcula la profundidad del colchón disipador. En vista de que no existe unanimidad de criterios sobre la profundidad e que debe tener el colchón disipador, se recomienda simplemente tomar un tercio del desnivel entre el canal de entrada y el de salida.

e = profundidad del colchón disipador [m] Δz = desnivel entre canal de entrada y canal de salida [m] 8. Se calcula la longitud del colchón disipador, sabiendo que también para determinar esta longitud existen criterios muy divergentes. Uno de ellos consiste en darle al colchón una

longitud igual al doble de la distancia horizontal que recorre el chorro en su caída libre (Fernández Peláez, 1980). Este criterio puede aplicarse donde no es necesario disipar el total de la energía en el colchón. Parte de la turbulencia generada por la caída se maniesta en los primeros metros aguas abajo en forma de ujo ondulante, sin llegar a comprometer la durabilidad de solera y paredes. Figura 9.3. Dimensiones de una caída según el criterio de Fernández Peláez

Xn

L

Así, L Xn vc t

(9.2) = longitud del colchón disipador [m] = distancia de caída del agua agua [m] = velocidad crítica [m/s]; calculada calculada con = tiempo de caída libre del agua [s]:

Otro criterio calcula la longitud del colchón para que la totalidad del exceso de energía cinética se disipe en éste, albergando completamente la formación libre del resalto hidráulico. Esto es necesario cuando a poca distancia aguas abajo de la estructura de caída se necesita contar con ujo tranquilo, como es el caso de un aforador, un repartidor o la entrada a un sifón. Para una situación así, la longitud del colchón se calcula con la expresión: L = longitud del colchón disipador [m] h = altura de la caída del agua [m]; h = Δz + e D = número de caída

(9.3)



9.2.1 Ejemplo de cálculo Dado un canal rectangular con caudal Q = 0.5 m 3/s, un ancho b = 1.00 m, pendiente S c = 0.003 m/m, rugosidad Manning n de 0.020, que debe salvar un desnivel Δz de 1 m 1. Para el cálculo del ancho de la sección de control determinamos los demás componentes de la ecuación

2. Se calcula el valor del segundo término de la fórmula de Manning:

Por iteraciones sucesivas, dándole valores a yn hasta que se cumpla la igualdad en la fórmula de Manning:

con: A = 1.00 1.00 x yn (área de sección rectangular)

El radio hidráulico de sección rectangular:

obtenemos que la igualdad se verica para y n = 0.470. El área resulta A = 0.470 m 2, el perímetro P = 1.940 m, el radio hidráulico R = 0.242 m y la energía en ambas secciones suma 0.182 m. 3. La velocidad antes de la transición será:

y la energía cinética correspondiente a esa velocidad será:

en consecuencia la energía antes de la transición suma:

4. Proponiendo valores para el ancho B se calcula v c, y su correspondiente altura de velocidad vc2/2g hasta que se cumpla yc + vc2/2g = 0.528 La igualdad se verica para los valores B = 0.765 m

5. La velocidad velocidad crítica:

6. La longitud de la transición de entrada será:

que se redondea a un valor mayor como 0.30 o 0.40 m, considerando las facilidades constructivas que ofrezca otra longitud de transición. 7. La profundidad del colchón disipador será:

8. Para el cálculo de la longitud del colchón disipador, calculamos el número de caída:

Ahora, L = (1.00 +0.35) x (12.6 x 0.0177 0.27 - 2.7x0.0177 0.425)=5.067 m, redondeada a 5 m. Con el otro criterio, el procedimiento de cálculo de la longitud habría comenzado con el cálculo del tiempo de caída del chorro de agua:

Con ese valor se calcula la distancia horizontal recorrida por el chorro de agua en su caída libre: Xn = vc ∙ t = 1.858 x 0.52 = 0.975 m. La longitud del colchón resultara L = 2 Xn = 2 x 0.975 =1.950 m, redondeada a 2 m.

9.3 ASPECTOS CONSTRUCTIVOS 9.3.1 Aireación debajo de la lámina vertiente Al caer, la lámina vertiente absorbe continuamente continuamente el aire de la cámara por debajo del chorro de agua. Para evitar la cavitación y la aparición de vibraciones en la pared vertical debe asegurarse la aireación de la cámara mediante una de las siguientes medidas: i) angostar la sección del canal por medio de una transición hacia la sección de control o por medio de una contracción brusca del ujo, ii) ensanchar el colchón disipador para que el agua no tenga contacto con las paredes y permita la entrada de aire o iii) construir oricios de ventilación en las paredes laterales que dan a la cámara. De estas tres alternativas, la primera es la más práctica y económica. La opción de ensanchar el colchón conduce a un mayor volumen de excavación y revestimiento a la par que, sobre terrenos



en ladera, se afecta más al talud natural y se aumentan los riesgos. La opción de practicar oricios oricios en las paredes obliga al permanente mantenimiento de los mismos, que tienden a ser obstruidos por lodo, hojas, ramas y otros. La práctica de ensanchar el colchón respecto del ancho del canal puede apreciarse en la Figura 9.4 que corresponde a una caída diseñada con el criterio L = 2 Xn. Figura 9.4. Caída con colchón ensanchado

9.3.2 Robustez en la construcción Es recomendable que el paramento vertical sea construido como parte de una estructura monolítica, con el anclaje y la robustez necesaria para soportar el empuje del terreno que sostiene. Se recomienda adoptar el perl de la Figura. 9.5. Figura 9.5. Vista en corte de estructura de caída vertical robusta y correctamente anclada

Cuando la pared vertical actúa como muro de contención de un terreno susceptible a la saturación de agua, deberán disponerse drenes (lloraderos ó barbacanas), para aliviar la presión hidrostática del agua contenida por el terreno. Cuando la pared vertical no sea parte de una estructura monolít ica junto con con las transiciones de entrada entrada y de salida y sus anclajes, deberá vericarse su estabilidad estabilidad al deslizamiento, al vuelco y al hundimiento, como se indica en el Anexo B (Muros de sostenimiento).

Figura 9.6. Lloraderos ó barbacanas en pared vertical de caída


Una buena práctica en el diseño de caídas en un sistema de riego es agrupar a todas las de rango parecido y uniformar sus dimensiones con la mayor. Esto si bien signica que la mayoría de las estructuras esté sobredimensionada, el costo de tener que emplear más material que el exactamente necesario, es menor al benecio de usar los mismos encofrados para todas las caídas de ese rango, ahorrando también en tiempo de construcción.

9.4 SITUACIONES QUE CONVIENE EVITAR • En caídas que no cuentan con una aireación correcta, existe una fuerte tensión de cavidad sobre la pared vertical. En la mayoría de los casos puede escucharse un ‘golpe de cavidad’ cuando la estructura funciona. • No debe introducirse introducirs e cambios de dirección entre el canal de entrada y la estructura de caída, para evitar que el chorro impacte sobre una de las paredes del colchón, ejerciendo sobre ella presiones y vibraciones no deseables, además de salpicaduras cuando los caudales son los máximos.

Figura 9.7. Caída vertical desalineada respecto del canal de entrada

10 CAPÍTULO

RÁPIDAS

Figura 10.1. Conducción hacia la zona de riego por medio de una serie de rápidas.

10.1 DESCRIPCIÓN Y UBICACIÓN Una rápida es un canal de gran pendiente que conecta dos tramos de un canal con pendiente suave entre los que existe un desnivel considerable en una longitud corta. Obliga a conducir el agua en ese tramo sobre pendientes pronunciadas y con altas velocidades. Cuando la longitud de la rápida es corta, se la denomina caída inclinada y su diseño hidráulico y estructural es el mismo que el de la rápida. En los sistemas de riego de montaña el empleo de rápidas es común debido a que en muchos casos la topografía del terreno es más inclinada que la pendiente máxima que se le quiere dar a un tramo del canal. En esos casos debe pasarse el desnivel de forma súbita. Cuando el desnivel y la distancia son considerables, suelen usarse rápidas en vez de caídas. Las rápidas son muy comunes al inicio de canales secundarios que se alimentan del canal principal que sigue una curva de nivel superior. También se usan en combinación con aliviaderos, para llevar la demasía de agua por un ducto controlado hacia un dren natural. En la zona de riego se pueden usar en toda situación donde se necesita pasar un desnivel extendido. Una ventaja de las rápidas es que es posible ajustar su pendiente a la pendiente natural del terreno y por ende requieren menos movimiento de tierra que por ejemplo una serie de caídas verticales. Su principal desventaja es que conducen el agua a gran velocidad lo que desgasta más rápidamente la solera e impide operaciones de derivación.



Figura 10.2. Rápida al inicio de canal lateral (izq.) y vista desde abajo (der.)

Una rápida se compone generalmente de: Figura 10.3. Componentes de una rápida

Transición de entrada

1. Transición de entrada entrada Es la estructura que de forma gradual cambia la sección del canal para hacerla coincidir con las dimensiones de la sección de control, evitando la formación de remolinos y ujo inestable en el canal. Su necesidad es especialmente importante en canales de tierra. 2. Sección de control Es la sección donde la conducción aumenta bruscamente su pendiente. Aquí las condiciones del ujo son las del régimen crítico. Mediante la sección de control, se intenta disminuir las altas velocidades en la entrada a la rápida producidas por el abatimiento de la supercie del agua y lograr que el efecto del remanso sea el mínimo posible. Sirve también para darle al ujo un ingreso adecuado a la rápida, con un ujo simétrico respecto del eje para evitar salpicaduras, oleaje e inclusive un salto de agua fuera del cauce. En la sección del cambio de pendiente se verica:

131

+

yn vn yc vc g hf

2

=

+

2

+

(10.1)

= tirante normal en el canal de entrada [m] = velocidad normal en el canal de entrada [m/s] = tirante crítico [m] = velocidad crítica [m/s] = aceleración de la gravedad [m/s 2] = pérdida de carga por abatimiento de la supercie del agua [m]

La forma más común de lograr las condiciones adecuadas de ujo es mediante el estrechamiento del ancho del canal, haciendo que h f sea cero. La otra alternativa es sobreelevar el fondo del canal con un escalón de altura igual a hf o combinar ambas soluciones. Se recomienda recomien da el estrechamiento de la sección del canal en lugar de una sobreelevación, para así tener una rápida de sección más angosta que la sección del canal y por lo tanto más barata. La ventaja de la conducción a régimen supercrítico debe traducirse en una economía del volumen de obras, más aún porque la rápida exige un incremento en la calidad del revestimiento. 3. Canal de de la rápida Es el tramo comprendido c omprendido entre la sección de control c ontrol y el colchón c olchón disipador. disipad or. La pendiente de sus tramos se adecua a las condiciones topográcas del terreno, pero evitando reducciones de la pendiente. El régimen de ujo en la rápida es supercrítico y la supercie del agua sigue una curva que se acerca asintóticamente al tirante normal. Se recomienda seguir una alineación recta en planta y utilizar canales prismáticos de secciones rectangulares, rectangulares, dado que el ujo a altas velocidades es muy sensible a todo cambio de sección y de dirección. El ujo es especialmente inestable cuando el régimen es cercano al crítico o sea para los valores del número de Froude entre 1 y 1.5. Cuando en la alineación al ineación horizontal hori zontal no es posible seguir segui r una alineación alineac ión recta se s e pueden adoptar las siguientes soluciones prácticas: • Construir una cámara de disipación en el punto de cambio de dirección, desde la cual se inicia otro tramo de la rápida. • Reemplazar el canal en el tramo correspondiente correspondient e por una sección cerrada que trabajará como tubería de presión. Cuando en la alineación vertical del canal de la rápida se presentan cambios de pendiente, de una más suave a otra más pronunciada, la unión entre los dos tramos debe hacerse con una curva vertical de enlace para evitar la separación entre el ujo y el cauce, lo que podría hacer saltar el agua fuera del canal y producir erosiones. La curva debe construirse construirs e de tal forma que siga la trayectoria parabólica del agua (Krochin, 1978), dada por la ecuación: (10.2) y = altura de la solera respecto de nivel nivel del del punto de partida partida de de la curva vertical [m] L = longitud horizontal de la curva vertical [m] Para determinar el bordo libre de una rápida debe considerarse: • Que el ujo incorpora burbujas de aire en directa relación a su velocidad. A medida que el aire es incorporado dentro del agua, la mezcla aumenta de volumen. La sección mojada del ujo aireado es mayor y por tanto se requiere una mayor altura de las paredes del canal



que para el ujo no-aireado. Para compensar este aumento de volumen se recomienda multiplicar el valor de la rugosidad de Manning n por un coeciente α, que está en función de la pendiente según la siguiente tabla propuesta por Nichiporovich (Krochin, 1978): Tabla 10.1. Coecientes de corrección del n de Manning

Pendiente

Coeciente

10% a 20%

1.33

20% a 40%

2.00

Mayor a 40%

3.33

• Que el ujo que escurre e scurre por la rápida rá pida es supercrítico supercrí tico con un tirante ti rante pequeño. Ante la aparición de algún obstáculo, por ejemplo de una piedra caída en el canal de la rápida, se forma un resalto hidráulico con un tirante mucho mayor. 4. Colchón disipador Se ubica en el extremo inferior del canal de la rápida. Es la estructura que absorbe el exceso de energía cinética generada en la rápida mediante la reducción de la velocidad del agua en una poza de disipación. En el colchón, el régimen del ujo pasa de supercrítico a subcrítico mediante un resalto hidráulico. La salida del colchón debe ser una rampa con una pendiente de entre 2:1 o más tendida para permitir la auto limpieza del colchón. Esto evita la acumulación de arena, grava, ramas y deshechos. 5. Transición de salida Cambia en forma gradual la sección del colchón disipador para hacerla coinci dir con las dimensiones del canal de salida. Conviene incluir la transición en el mismo colchón para incrementar los efectos de la disipación mediante su ensanchamiento y ayudar a conseguir un tirante conjugado de menor elevación.

10.2 DISEÑO HIDRÁULICO Los datos básicos para el cálculo de la rápida son: • • • • •

El caudal Q [m3/s]. El coeciente de rugosidad de Manning del canal n. La pendiente del canal de entrada S canal [m/m]. El ancho b del canal (se supone sección rectangular) [m]. El desnivel Δz [m], la longitud L [m] y la pendiente de la rápida So [m/m]. Figura 10.4. Esquema del ujo en una rápida

1. Se calcula el ancho B de la sección de control. Cerca del sitio de cambio de pendiente donde el ujo pasa de subcrítico a crítico, se verica la condición:

Despreciando pérdida de carga entre una sección y otra. Se calcula el tirante normal norma l del canal de entrada y, por iteraciones hasta que se cumpla la condición.

A R

= área hidráulica hidráulica [m2]; A = b∙ yn = radio hidráulico [m]:

Q = caudal [m3/s] n = rugosidad del canal de entrada Scanal = pendiente del canal de entrada [m/m] La velocidad se calcula con:

El tirante crítico se calcula con la expresión:

La velocidad crítica se calcula con la expresión:

2. Se calcula la longitud de transición entre la sección del canal y la sección de control:

b = ancho del canal de entrada [m]. B = ancho de la sección de control [m]. 3. Se determinan los tirantes a lo largo de la rápida, mediante las ecuaciones del ujo no uniforme. Tratándose de una curva de remanso tipo S 2, se recomienda el método numérico de tramos jos con la asistencia de una planilla de cálculo, con tantas las como tramos en que se desee dividir la longitud de la rápida (Villón, 1995). El método es más exacto cuanto mayor sea el número de tramos en que se divida la longitud de la rápida, dando valores al tirante desconocido y 2 en cada sección hasta que se satisfaga la igualdad:

(10.3) So = pendiente del fondo del canal de la rápida [m/m]


134

Δx = distancia [m] desde la sección de características características conocidas conocidas hasta la la sección donde se quiere conocer el tirante y 2 ∙Δx es positivo si el cálculo se efectúa hacia aguas abajo


E = energía del ujo en una determinada sección [m]

promedio de energía entre dos secciones continuas [m]:

4. El bordo libre que necesita cada tramo se puede calcular con la siguiente expresión empírica en función del tirante y la velocidad y en el tramo dado:

(10.4)

Este criterio asegura un bordo libre mínimo de 0.61 m que puede ir variando a lo largo del canal de la rápida según la velocidad y el tirante que tenga el ujo. Para rápidas cortas es recomendable mantener constante la altura de las paredes de la rápida tomando el mayor valor de h = y + BI. 5. Se calcula la profundidad del colchón disipador. Hay la necesidad de elevar la solera cuando el tirante conjugado a la salida de la rápida, luego del resalto hidráulico, es superior al tirante normal del canal de salida. Para asegurar que el colchón disipador tenga la profundidad suciente, se calcula con la expresión: e =1.15 ∙ y2 - yn yn = tirante normal del canal de salida [m] Bd = ancho del colchón disipador [m] 6. Se determina la longitud del colchón disipador. Para este cálculo se considera que la disipación del exceso de energía cinética se producirá exclusivamente por la formación de un resalto hidráulico, por lo que se recomienda usar la fórmula de Sieñchin: Lp = K ∙ (y2 –y1) –y1)

(10.5)

Lp = longitud del colchón disipador [ml K = coeciente de sección, igual a 5 para secciones rectangulares 7. Se calcula la transición de salida, que conviene ubicarla entre la salida de la rápida y la entrada al canal inferior. El ensanchamiento de la sección disminuye la velocidad del ujo que sale de la rápida y colabora con la disminución del tirante conjugado. Puede usarse la misma fórmula fórm ula para la transición de entrada.

10.2.1. Ejemplo de cálculo Sea un canal de H°C° de 1.00 m de base y paredes verticales que conduce 500 l/s con una pendiente de 0.003 m/m y que debe enfrentar una ladera con una rápida de 73.45 m de longitud

hasta el tramo inferior del canal salida con iguales características al de entrada, pero ubicado 14.629 m más abajo. 1. Calculamos el valor del tirante normal y, en el canal de entrada por tanteos hasta que se cumpla la igualdad,

De donde yn es igual a 0.4698 m. Su carga de velocidad es

La energía del ujo en el canal superior es entonces:

El ancho de la sección de control se obtiene por tanteos, dándole valores a B hasta que se cumpla la igualdad:

de donde resulta que B es 0.765 m, ancho que también se adopta para la solera de la rápida. El tirante crítico que se presenta en la sección de control es

La velocidad critica alcanza a:

2. La longitud de transición de entrada será:

3. Cálculo de tirantes con la ayuda de una planilla, sobre la base de un número de tramos igual a 10. Conocidas las características hidráulicas en la sección de control y la longitud del tramo Δx, en la la O para un y conocido (igual al tirante crítico calculado en el paso 1), se calculan los valores de las siguientes columnas. Las tres últimas columnas no se pueden calcular para la primera la porque a ese punto no se pueden obtener promedios. A partir de la segunda la, para un y supuesto se calculan los valores de las columnas siguientes, y se ajusta por tanteos el valor de y hasta que se satisfaga en grado aceptable la igualdad entre el valor E+ SE med ∙ Δx de una la y el valor E + S o ∙Δx de la la anterior.



Figura 10.5. Planilla de cálculo de los tirantes para el ejemplo desarrollado

TRAMO

x

Δx

E + So ΔX

SE

SE m e dΔx

E+SE m e dΔx

0

0,000

7,345

0,1992 0,352 1,858 0,528

1,9906

0,0065

1

7,345

7,345

0,1992 0,125 5,216 1,512

2,975

0,1241 0,0653

0,4796

1,9917

2

14,690

7,345

0,1992 0,111 5,872 1,869

3,3318

0,1775 0,1508

1,1075

2,9764

3

22,035

7,345

0,1992 0,108 6,041 1,968

3,4309

0,1934 0,1854

1,3619

3,3298

4

29,380

7,345

0,1992 0,107 6,086 1,995

3,4579

0,1978 0,1956

1,4364

3,4314

5

36,725

7,345

0,1992 0,107 6,097 2,002

3,4647

0,1989 0,1983

1,4567

3,4586

6

44,070

7,345

0,1992 0,107 6,097 2,002

3,4647

0,1989 0,1989

1,4609

3,4627

7

51,415

7,345

0,1992 0,107 6,097 2,002

3,4647

0,1989 0,1989

1,4609

3,4627

8

58,760

7,345

0,1992 0,107 6,097 2,002

3,4647

0,1989 0,1989

1,4609

3,4627

9

66,105

7,345

0,1992 0,107 6,097 2,002

3,4647

0,1989 0,1989

1,4609

3,4627

10

73,450

7,345

0,1992 0,107 6,097 2,002

3,4647

0,1989 0,1989

1,4609

3,4627

So

y

v

E

SE m e d

Nótese que casi casi a la mitad mitad de la rápida, rápida, el tirante es normal normal y constante hasta el el nal, así como la velocidad de ujo. 4. Cálculo del Bordo libre. Con los valores del tirante y la velocidad en cada nal de tramo de la rápida, aplicamos la expresión empírica:

Así se obtiene la siguiente tabla donde además se consignan los valores de h, la altura de la pared en cada caso: Tabla 10.2. Cálculo de bordo libre y altura total de la pared

Y 0.352 0.125 0.111 0. 108 0.107 0.107 0.107 0.107 0.107 0.107

BI 0.651 0.679 0.683 0.684 0.684 0.684 0.684 0.684 0.684 0.684

h 1.003 0. 8 0 4 0. 7 9 4 0.792 0.791 0.791 0.791 0.791 0.791 0.791

Aquí se aprecia que es conveniente mantener una altura de 0.80 a partir del nal del primer tramo, en el que la altura puede rebajar linealmente de 1.00 m a 0.80 m. La transición de salida se calcula igual que la de entrada. Como los valores son idénticos, la longitud de transición de salida será L = 0.30 m. 5. Para el cálculo de la profundidad y longitud del colchón disipador se determina el tirante conjugado luego de la transición:

137

Con ese valor se calcula la profundidad del colchón: e =1.15 ∙ y2 - yn= 1.15 x 0.6380 – 0.4698 = 0.2639 m, que se redondea a 0.30 m. 6. La longitud del colchón será: L = 5 ∙ (y –y1) = 5 x (0.638 – 0.1072) = 2.654 m. Que puede redondearse a 2.7 m 2

10.3 ASPECTOS CONSTRUCTIVOS A diferencia de las caídas verticales, en las caídas inclinadas y en las rápidas, la solera no está sometida a empuje de tierras debido a que su inclinación normalmente concuerda con la inclinación natural del terreno o con su talud en reposo. Esto signica menores exigencias para el revestimiento, revestimiento, cuyo espesor debe determinarse únicamente para resistir los efectos erosivos del ujo a gran velocidad, considerando además, la carga de material sólido arrastrado por el agua, incluyendo piedras que puedan ingresar al canal desde las laderas. La Tabla 10.3 aglutina recomendaciones para espesores y tipos de revestimiento, de acuerdo a la velocidad en el canal de la rápida. Tabla 10.3. Recomendaciones sobre materiales y espesores en rápidas

VELOCIDAD

Hasta 3 m/s

Hasta 6 m/s

MATERIAL

ESPESOR

Mampostería u Mayor a 30 cm H°C° Hormigón simple

10 a 15 cm

ESPECIFICACIONES COMPLEMENTARIAS Mortero de cemento aglutinador con relación 1:5. La supercie húmeda anada con una capa de 3 cm de mortero de cemento 1:3 Resistencia característica a la compresión 250 kg/cm2 a los 28 días

Las piedras del hormigón ciclópeo deben ser ahogadas en una capa inferior de hormigón simple para que resistan la fuerza tractiva del agua de gran velocidad una vez que queden expuestas por el desgaste de la capa superior de hormigón. Cuando el terreno es rocoso, se puede diseñar una rápida sin revestimiento, como el de la Figura 10.6 de una rápida excavada en roca, que funciona similar a una serie de pequeñas caídas.



Figura 10.6. Rápida en roca construida por excavación simple

10.4 SITUACIONES QUE CONVIENE EVITAR • Un ujo supercrítico supercrítico es es particularmente particularmente sensible sensible a los cambios cambios de dirección. dirección. Una curva antes o dentro de una rápida provoca resalto oblicuo y sobreelevación del nivel del agua en el borde exterior, además de oleaje y salpicaduras. Nótese la marca que ha dejado el agua en la curva en el ingreso a una rápida (Figura 10.7, izq.) y el oleaje provocado por la curva en medio de otra (Figura 10.7, der.).

Figura 10.7. Curva al inicio de una rápida (izq.) y cambio brusco de dirección en medio de otra rápida (der.)

11 CAPÍTULO

RÁPIDAS ESCALONADAS 11.1 Descripción y ubicación Una rápida escalonada es una estructura de conducción de pendiente mucho más empinada que la del canal, normalmente en el orden del 30%, hasta 50% o más, con solera en forma de grada. Su existencia en un sistema de riego deriva de la necesidad de conectar dos tramos de canal de cotas muy distintas mediante una estructura de conducción abierta. Por su topografía esta necesidad es bastante habitual en el entorno andino. Se opta por las rápidas escalonadas cuando la pendiente es tan grande que recurrir a la rápida lisa supone velocidades de ujo demasiado elevadas o cuando no se dispone del espacio suciente para instalar una poza de disipación al nal de la estructura.

Figura 11.1. Rápida escalonada en operación

El uso hidráulico de las rápidas escalonadas fue desarrollado por civilizaciones antiguas desde hace más de 3500 años, persiguiendo principalmente dos propósitos: disipar de una manera segura y controlada la energía cinética del ujo cuando éste debía ser conducido por terrenos de pendiente pronunciada y para airear el agua. También las civilizaciones andinas preincaicas e incaicas, diseñaban rápidas escalonadas para la conducción del agua: el canal de Quishuarpata, en Perú, incluía dos tramos con escalones pequeños a lo largo del tramo (de 1 a 3 cm de altura), y escalones altos cerca de la salida (Chanson, 2000 y 2001).



Las rápidas escalonadas han ganado nuevo interés en el mundo de la hidráulica, especialmente en el diseño de vertederos de presas, a raíz de la aparición de nuevas técnicas constructivas como el RCC (hormigón compactado con rodillo) y de nuevos materiales como los gaviones de alambre recubierto con polímero. Chanson ha desarrollado una gran parte de la teoría actual sobre rápidas escalonadas escalonadas por lo que este capítulo se reere insistentemente a sus investigaciones. investigaciones. Una rápida escalonada normalmente requiere mayores volúmenes de movimiento de tierra y mayores volúmenes de material de construcción respecto de una rápida, pero es en ciertos casos la forma menos riesgosa para conducir el agua desde un canal a otro a través de pendientes elevadas, especialmente cuando éstas alcanzan valores de un 40% o mayores. En las rápidas lisas, la diferencia de energía potencial entre el tramo de canal superior y el tramo inferior, menos las pérdidas por fricción, se convierte en energía cinética que debe ser disipada por una fosa al nal de la rápida. Allí, la disipación ocurre exclusivamente por la formación de un resalto hidráulico. En las rápidas escalonadas, la energía se disipa a lo largo del desarrollo de la estructura y la necesidad de una fosa de disipación al nal de la misma es casi nula. La gura siguiente muestra una rápida lisa y una rápida escalonada, ambas del mismo sistema de riego y operando con el mismo caudal, es notoria la diferencia entre magnitudes del resalto que se forma al nal de una y otra estructura. La evaluación del criterio del menor riesgo contra el de menor costo es lo que decidirá en cada caso la elección de una rápida lisa o una rápida escalonada.

Figura 11.2. Una rápida lisa y una rápida escalonada, operando con el mismo caudal

En función al caudal y a la geometría de los escalones (ancho, altura y longitud) el ujo puede ser de régimen saltante o de régimen rasante. Existen estados intermedios, como el ujo saltante sin la formación de resalto hidráulico, pero su comportamiento no ha sido aún bien estudiado. Figura 11.3. Presentación esquemática de ujo saltante (izq.) y ujo rasante (der.)

La transición de ujo saltante a ujo rasante es una función del caudal, la altura del escalón y su longitud. El régimen de ujo se vuelve rasante si: yc h l

(11.1)

= tirante crítico [m] = altura del escalón [m] = longitud del escalón [m]

Esta condición se cumple para secciones prismáticas rectangulares y para relaciones h/l en el rango 0.2 - 1.4. A su vez, dentro del ujo saltante conviene destacar al ujo con formación completa de resalto hidráulico en cada escalón, lo que ocurre cuando se cumple:

(11.2)

A lo largo de una cascada escalonada con ujo saltante, las condiciones de ujo crítico ocurren cerca del nal de cada escalón, seguido por una napa en caída libre y un impacto de chorro en el escalón aguas abajo. En cada escalón, el impacto de chorro es seguido por un resalto hidráulico, una región de ujo subcrítico y un ujo crítico cerca al borde del escalón (Chanson, 2002). En estas condiciones, la pérdida de carga en cada escalón intermedio es igual a la altura de este último. La disipación de energía ocurre debido al impacto (rompimiento y mezcla del chorro) y por la formación de un resalto hidráulico en cada escalón. Esto implica que al nal de la estructura no es necesario disponer un colchón disipador, como en las rápidas lisas. Las características básicas de este tipo de ujo y las ecuaciones que las gobiernan son las mismas que las descritas en el Capítulo 9, Caídas. La pérdida total de energía se calcula con la expresión:

(11.3)

ΔH Δz yc

= diferencia entre la máxima altura de carga disponible H 1 y la altura de carga al extremo aguas abajo de la rápida [m] = diferencia de altura entre cresta del primer escalón y piso del último [m] = tirante crítico [m]

Para caudales grandes, el ujo saltante se convierte en ujo rasante. La supercie del agua al inicio de la rápida escalonada es clara y transparente. Más adelante se desarrolla desde el fondo una lámina de ujo turbulento que va ganando espesor hasta alcanzar la supercie libre. A partir de ese punto, llamado punto de incepción, aparecen burbujas de aire connadas por las fuerzas centrífugas del remolino asociado al escalón y luego todo el ujo se llena de burbujas de aire aumentando considerablemente el tirante. Aguas abajo, el ujo es gradualmente variado hasta un punto en que uye en equilibrio uniforme (Chanson, 2001). En este último tramo la componente del peso en la dirección del ujo iguala la fricción del fondo y se cumple que:



(11.4) vn g f yn θ

= velocidad normal [m/s] = aceleración de la gravedad [m/s 2] = factor de fricción de Darcy, igual a 0.2 = tirante normal 1m] = ángulo de la estructura con la horizontal

Figura 11.4. Esquema y foto de aireación en una rápida escalonada a ujo rasante (Mateos et al.)

Para un diseño preliminar de rápidas escalonadas con régimen rasante puede usarse la Figura 11.5 (basada en Chanson, 2001), que expresa la relación v/v max, (velocidad media del ujo en el extremo aguas abajo de la rápida / velocidad máxima del uido ideal en el extremo aguas abajo de la rápida) en función de la altura total de energía aguas arriba H 1 y del tirante crítico y c. Para el ujo de un uido ideal, sin pérdidas por fricción, la velocidad en el extremo aguas abajo de la rápida se deduce de la ecuación de Bernoulli como , con H 1 igual a la altura total de energía respecto del pie de la rápida escalonada, d igual al tirante aguas abajo y θ igual al ángulo que forma la rápida con la horizontal.

Figura 11.5. Gráca para el diseño preliminar de rápida escalonada con régimen rasante. La curva se reere a una rápida a 45° y con un f de 0.2

11.2 Consideraciones sobre el riesgo asociado a las rápidas escalonadas Del análisis de accidentes y fallas registradas en el mundo, Chanson (2001) agrupa en tres los tipos de problemas que surgen del diseño de una rápida escalonada: 1) Rápidas escalonadas que operan muy cerca de la transición entre ujo saltante y ujo rasante. Ese ujo intermedio se caracteriza por uctuaciones transitorias entre un régimen y el otro que inducen a un comportamiento inestable y peligroso del ujo, que deviene en uctuaciones de las presiones y hasta vibraciones sobre la estructura. Se recomienda enfáticamente evitar que la rápida opere para ujos intermedios entre el saltante y el rasante. 2) Rápidas construidas con baja calidad, es decir, con materiales pobres en calidad, trabajo pobre en calidad, o ambas cosas. Los esfuerzos que soporta una rápida escalonada son mucho mayores a los que soporta una rápida lisa. En el ujo saltante la presión de impacto del chorro sobre la solera es por lo menos 10 veces la presión hidrostática. En el ujo rasante, el esfuerzo de corte promedio sobre la solera es como 30 veces mayor al producido por el ujo sobre una rápida lisa. 3) Falta de mantenimiento. Cuando el caudal supera al de diseño, es posible que ocurran daños en la estructura. Repararlos a tiempo asegura evitar el progreso de las fallas que pueden llevar a la rápida escalonada hasta el colapso. La experiencia registra rápidas escalonadas que en gran parte gracias a su cuidadoso mantenimiento soportan las exigencias de su operación desde hace más de un siglo.



11.3 Diseño hidráulico En los sistemas locales de riego, donde el caudal de la fuente varía mucho durante el año, el presupuesto es limitado y generalmente hay poco control de la calidad de la construcción, las consideraciones del apartado 11.2 conducen a encarar el diseño de rápidas escalonadas de tal manera que el ujo sea siempre saltante, para evitar la transición entre regímenes saltante y rasante. Por esto, el diseño hidráulico deberá remitirse simplement e a la vericación vericaci ón de la condición:

(11.5) yc h l Q g b

= tirante tirante crítico [m] = altura del escalón [m] = longitud del escalón [m] = caudal [m3/s] = aceleración de gravedad [m/s 2] = ancho del canal, igual a ancho de los escalones

En consecuencia, el diseño consiste en:

11.3.1 Cálculo de la pendiente máxima Dados el caudal de diseño Q, el ancho B y la altura h de cada escalón, calcular la pendiente máxima que puede tener la rápida escalonada con ujo saltante, con formación completa de resalto hidráulico. (11.6) Ejemplo 1 Se tiene un canal de 60 cm de ancho que conduce un caudal de 200 l/s. Calcular la pendiente máxima que debe tener una rápida con altura de escalón de 50 cm. 1. Se calcula el tirante crítico:

2. La pendiente máxima será:

luego, la longitud de los escalones debe ser por lo menos:

11.3.2 Cálculo del ancho mínimo Dados el caudal Q, la altura h de cada escalón y la pendiente de la rápida, calcular el ancho B mínimo para que el ujo sea saltante, con formación completa de resalto hidráulico. Para ello sirve

145

la expresión:

Ejemplo 2 Calcular el ancho que deberá tener una rápida escalonada con un ángulo de 42° (90%) respecto de la horizontal y con escalones de 50 cm de altura, para conducir un caudal de 200 I/s bajo régimen saltante con formación completa de resalto. 1. Cálculo de la longitud de cada peldaño:

2. Cálculo del ancho mínimo de la rápida escalonada:

11.1.3 Cálculo de la altura de los escalones Dados el caudal Q, el ancho B y la pendiente de la rápida, calcular la altura h mínima de cada escalón, para que el ujo sea saltante, con formación completa de resalto hidráulico. La expresión de cálculo será: (11.8) Ejemplo 3 Calcular la altura mínima que deben tener los escalones de una rápida que debe conducir un caudal de 200 l/s, bajando con una pendiente del 80%. El ancho de la rápida es 60 cm. 1. Cálculo del tirante crítico:

2. Cálculo de la altura mínima:

11.3.4 Cálculo del caudal máximo Dadas las características geométricas de la rápida escalonada (B, h, l), calcular el caudal Q máximo que admite un régimen saltante con formación completa de resalto hidráulico. La expresión a utilizar es: (11.9)



Ejemplo 4 Calcular el caudal máximo que admite una rápida con ancho de 60 cm, pendiente de 90%, y escalones de 50 cm de altura, para conducir el agua con régimen saltante y formación completa de resalto hidráulico en cada escalón.

11.4 Aspectos constructivos Para el diseño estructural de los escalones, al igual que en las caídas verticales debe considerarse a los elementos verticales como muros de sostenimiento que resistirán el empuje del terreno al que puede sumarse una presión hidrostática del mismo debido al agua que pueda ltrar desde más arriba. La relación entre la altura de caída y la longitud de cada cajón, es decir la pendiente de la rápida escalonada, por lo general no coincide con la pendiente del terreno en toda o parte del desarrollo de la estructura. Las adecuaciones del terreno al diseño geométrico de la rápida deben hacerse mediante la excavación del terreno y no mediante el relleno del mismo. La gura siguiente (Krochin, 1978) ilustra este concepto. Figura 11.4. Alineamiento vertical de rápida menos y más empinada que el terreno

12 CAPÍTULO

REPARTIDORES

1. Figura 12.1. Repartidores con compuertas

1.

12.1 Descripción y ubicación Los repartidores tienen la función de distribuir un ujo de entrada hacia uno o varios canales de derivación. Los repartidores se instalan en los puntos de bifurcación entre canales, desde donde se distribuye el agua hacia los distintos sectores del sistema. Puede dividirse el caudal entrante en varios ujos salientes o dirigirse el caudal entero hacia solo uno de los canales de derivación. Las reglas de la distribución se basan en los derechos de usufructo de los usuarios en los diferent es sectores. En vista que estas reglas pueden variar en el transcurso del año, de acuerdo con los períodos de mayor disponibilidad disponibil idad y escasez del agua, en la mayoría de los sistemas los repart idores deben contar con una cierta exibilidad que permita distintos escenarios de operación. Los repartidores rústicos son simplemente aperturas en el borde del canal, que se acomodan con piedras, tepes y tierra hasta que los caudales de derivación a los distintos tramos sean los caudales deseados.



Figura 12.2. Repartidor rústico Figura 12.3. Componentes de un repartidor insertar

Componentes de un repartidor Los repartidores mejorados constan de: 1. Canal de entrada En el canal de entrada debe existir un régimen de ujo subcrítico (velocidad moderada) para permitir un buen control y reparto del ujo sin que haya turbulencia, rebalses o salpicaduras. En caso de que el canal de entrada cuente con una sección distinta a la del repartidor, debe hacerse una transición entre ambas secciones. 2. Estructura de control de nivel de agua Para una efectiva división del agua, se debe asegurar una determinada carga de agua en el canal principal. Cuando el caudal conducido no tiene un tirante suciente para satisfacer esta condición, se instala una estructura de control del nivel de agua. Como estructuras de control pueden funcionar: Vertederos Si no hay un nivel de agua exacto por mantenerse, se puede instalar cualquier tipo de vertedero, como por ejemplo un simple muro transversal. La sensibilidad de un muro es relativamente baja, por lo que las variaciones en el caudal ocasionan uctuaciones de altura de carga, que hacen

variar el caudal derivado. Para aumentar la sensibilidad de los vertederos y así mantener el nivel de agua casi constante, se instalan vertederos prolongados (por ejemplo “pico de pato”, vertedero longitudinal, longitudinal , vertedero en Z). Estos vertederos apenas generan uctuaciones en el caudal derivado. Los vertederos tienen como desventaja que generan acumulación de sedimento. Para evitarlo, se instala una pequeña compuerta de fondo en la parte baja del vertedero, que se abre cuando hay caudales mayores o cuando no se precisa mantener el nivel de agua (por ejemplo cuando el caudal entero pasa hacia agua abajo del canal principal). Aun así, los vertederos requieren casi siempre una limpieza regular. Compuertas transversales transversales Las compuertas transversales transv ersales son las estructuras estruct uras de control que más se aplican en los sistemas de riego. Una variante son las vigas transversales sueltas de madera ó perles metálicos (compuertas de agujas). Cuando las compuertas tienen una altura menor a la altura del canal, se conocen como compuertas transversales bajas.

Figura 12.4. Compuertas transversales

Las compuertas transversales bajas cuando están abiertas dejan pasar todo el caudal, cerradas represan el agua hasta la altura de su hoja, con lo que garantizan la derivación de un caudal determinado hacia el canal lateral. lat eral. Cuando aumenta el caudal en el canal principal, el agua adici onal rebalsa sobre la hoja, que funciona como vertedero. Estas compuertas previenen problemas de rebalses cuando por mal manejo ambas compuertas de un repartidor estén cerradas y evitan problemas de sedimentación excesiva.

Figura 12.5. Compuerta transversal baja: abierta (izq.) y cerrada rebalsando (der.)



Poza hundida en la solera en combinación con compuerta de salida La poza hundida es una profundización profundizació n en el canal de entrada, que se combina con una compuerta o tubo hacia un canal de derivación. La solera del canal de derivación está por debajo del canal principal. La función de la poza es asegurar el desvío del caudal necesario, sin tener que generar una altura mínima de carga en el canal. La profundidad de la poza depende del caudal por deriva rse. Las pozas hundidas son muy susceptibles a la colmatación con sólidos, sobre todo en el momento que no se deriva agua y la poza hace de desarenador. Una vez llena, el principio de derivación ya no funciona y hasta puede tapar completamente la derivación del agua. Por esta razón, solo se las puede usar en redes con agua limpia. 3. Estructura de derivación o captación Hay un gran número de estructuras de derivación 1. En general se dividen en estructuras para: 1. Derivar caudales menores que el caudal de entrada, que aquí se llamarán tomas. El desvío de caudales menores se da en sistemas mayores donde las primeras zonas de riego toman su agua directamente del canal principal. 2. Derivar caudales del mismo orden que el caudal de entrada, conocidas como cámaras de distribución. En los sistemas campesinos de Bolivia, la mayoría de los repartidores son del segundo tipo: derivan caudales similares al caudal de entrada. En sistemas con distribución por turnos, es necesario que el repartidor también pueda desviar el caudal entero hacia el canal de derivación. Estructuras para derivar caudales menores que el caudal de entrada Toma directa de tubo Consiste en un tubo colocado en el fondo del canal o algunos centímetros encima. Para cerrar el ingreso al tubo se instala una compuerta de fondo o válvula, que sirve para regular el caudal de salida. A la salida del tubo, se construye un disipador para evitar erosión al inicio del canal lateral. Directamente después de la salida del tubo, se puede instalar un medidor para controlar el caudal aprovechado por la toma.

Figura 12.6. Toma directa de tubo, a la derecha con medidor de caudal

1 La publicación FAO FAO 26/1 presenta un inventario extenso de posibles repartidores. Contiene fórmulas hidráulicas y comentarios para el diseño estructural

Compuerta lateral (de fondo) Para el desvío de caudales menores también puede instalarse una compuerta lateral de la altura entera del canal o una compuerta de fondo. Si el caudal por desviarse es muy pequeño con relación al tirante en el canal principal, las dimensiones de una compuerta entera son poco económicas, por lo que se sugiere una compuerta de fondo. La desventaja de las compuertas es que siempre presentan ltraciones, sobre todo cuando hay mayor tirante en el canal principal. Es común que los usuario s que se aprovechan de las ltraciones, a propósito aumentan la apertura indebida, presentando su robo como una falla técnica. También es común que los regantes perjudicados en su afán de cerrar la compuerta herméticamente, la cierran con tanta fuerza que la dañan. Estructuras para derivar caudales del mismo orden que el caudal de entrada Los repartidores que derivan caudales del mismo orden suelen llamarse cámaras de distribución, por tener una forma de cámara con un canal de entrada y dos o más de salida. En las cámaras de distribución pueden usarse como estructuras de reparto: Compuerta lateral En las cámaras de distribución, las compuertas laterales son de uso más común; son fáciles de operar y en combinación con una compuerta transversal transvers al en el canal principal generan la posibilidad de establecer cualquier combinación de caudales de salida. Las combinaciones de caudales requeridos se logran mediante un juego entre las dos compuertas. En general no hay posiciones jas que representan caudales de salida jas. Si se quiere divisiones exactas, es necesario instalar un medidor de caudal en los tramos salientes. Para mejorar las condiciones de operación de las compuertas, se las instala a una distancia como de 1 m aguas abajo del punto de distribución. En repartidores de salida perpendicular, se aconseja redondear las esquinas de las paredes y aumentar el colchón de agua cortando la esquina hacia el canal de salida para mejorar las condiciones de reparto. Figura 12.7. Instalación de compuertas con buenas condiciones de ujo para el reparto

La distribución de agua funciona aun mejor en las condiciones de ujo que se generan en repartidores de tipo ye.


152

Figura 12.8. Repartidor en ye


El mecanismo de operación de la compuerta puede ser de bastón o de gusano. La compuerta de bastón, se jala manualmente. En el bastón se perforan agujeros para jar la compuerta en determinadas alturas. La compuerta de gusano, opera mediante una rosca sin n. La selección entre compuertas de bastón y de gusano depende principalmente del presupuesto disponible y del tamaño de la plancha. El precio de las compuertas de gusano es alrededor de 5 a 6 veces mayor que el precio de las de bastón. bastó n. Sin embargo, las compuertas compuert as de bastón solo pueden usarse hasta una dimensión dimensi ón máxima de 0.50 x 0.50 m, porque mayores se vuelven inoper ables por su peso propio y la presión de agua. Para dimensiones de hoja mayores, se usan compuertas de gusano, hasta un ancho máximo máxi mo de 1 m. Para anchos mayores, hay que dividir dividi r la sección del canal en partes, separadas por un muro y con compuertas independientes. El muro intermedio sirve para colocar las ranuras de las compuertas, da estabilidad a la construcción y a la vez permite colocar una tabla de operación. Un problema de las compuertas es su necesidad de mantenimiento, sobre todo en el caso de compuertas de gusano (engrasado, pintado). Otra desventaja es su susceptibilidad a daños por manipuleo inadecuado por parte de los regantes. Distribuidor proporcional jo El distribuidor proporcional divide el ujo entrante en dos o más partes predeterminadas. Se usa en los repartidores que siempre dividen el caudal en proporciones jas. Los cambios en el caudal entrante se traducen de forma automática en cambios proporcionales en los ujos salientes. Los distribuidores proporcionales pueden usarse en los puntos de repartición entre canales principales que no funcionan con turnos. La ventaja de estos repartidores es su alto grado de transparencia. Para mejorar la proporcional idad en la división del caudal, se recomienda que en el lugar del separador el ujo de agua esté en régimen supercrítico o en una caída libre, así se impide que cualquier obstáculo en el ujo aguas abajo afecte las proporciones requeridas. La proporcionalidad es más exacta cuando se instala un separador delgado (por ejemplo una tabla metálica como en la Figura 12.9). Opcionalmente Opcionalment e pueden instalarse compuertas de seguridad en los canales de salida, para cerrarlos en caso de emergencia. Estas compuertas son del tipo ‘cero-cien’, porque no tienen una función en el reparto del agua.


Figura 12.9. Distribuidor proporcional con separador delgado y compuertas

Canal de salida y derivación Los canales de salida y derivación parten del repartidor. En caso de tomas de porciones de caudal menores, uno de los canales de salida es la continuación del canal de entrada y en general mantiene la misma sección. Si el canal de salida deriva una porción importante del caudal principal, puede aplicarse una reducción de sección en el tramo de salida del canal principal, lo que genera un diseño telescópico de la red de canales. Los canales de salida deben contar con una sección adecuada para conducir todos los posibles caudales de reparto. En caso necesario, se construye una transición paulatina desde la salida del repartidor hacia la sección del canal. Se debe tener cuidado especial cuando se trata de una transición de repartidor revestido hacia un canal en tierra. Antes del cambio a tierra, el agua debe tener un ujo tranquilo para evitar problemas de erosión. Si se quiere medir los caudales repartidos, hay que asegurar que en el primer tramo del canal de salida existen las condiciones de ujo para el correcto funcionamiento de un aforador.

12.2 Repartidores en el contexto de la distribución de agua 12.2.1 Repartidores de comprobada ecacia en el riego campesino Para una rápida selección de repartidores, la Tabla 12.1 aglutina los repartidores de comprobada ecacia para los esquemas de distribución más comunes en los sistemas de riego campesino. Tabla 12.1. Selección de repartidores según esquemas de distribución

Esquema de distribución Época de de ab abundante ag agua

Época de de es escasez

Tipo de repartidores

Riego libre

Turnos de distribución del caudal entero, `monoujo’

Cámara de reparto con combinación de compuertas

Riego libre

Riego simultáneo por Caudal derivado << caudal sectores, caudales unitarios de salida: tubería de fondo en canal principal según supercie


Riego libre

Riego simultaneo por Caudal derivado - caudal de sectores, caudales unitarios salida: cámaras de reparto con según supercie combinación de compuertas

Combinación de fuentes

Riego simultáneo por sectores con reparto de fuentes de agua

Cámara de reparto con combinación de compuertas

Riego libre

Distribución proporcional proporcional por sectores

Repartidores proporcionales, con compuertas ‘cero-cien’

Cámara de reparto con combinación de compuertas Los repartidores más comunes son los de una combinación de compuertas. Éstos permiten el funcionamiento de ‘cero-cien’ que caracteriza los sistemas de monoujo. Además permiten instalar todo tipo de combinaciones de caudales, para las épocas de menor escasez o en sistemas de reparto de agua de diferentes fuentes. Por razones de manejo o por simple jerarquía de canal, suel en instalarse las compuertas compuer tas de gusano en el canal de salida y las compuertas de bastón en el canal de derivación. Sin embargo, es más lógico tener compuertas de gusano en los canales de derivación, para poder derivar con mayor precisión los caudales determinados. Las compuertas de bastón no ofrecen esta posibilidad. Tubería de fondo en canal principal Estas tomas solo se aplican en sistemas de ‘multiujo’, con una distribución de ujos simultáneos. La toma de tubería permite derivar un caudal máximo, de acuerdo con el diámetro del tubo. Su operación es sumamente fácil. La estructura no permite que los regantes del canal de derivación tomen agua demás o intercepten el ujo en el canal principal. Si se la combina con un aforador en la salida, el control por parte de otros usuarios es sencillo. Si se requiere un determinado nivel de agua en el canal que no siempre se garantiza con el tirante normal, debe combinarse la toma con un vertedero prolongado, con compuerta de limpieza de fondo. Repartidores proporcionales, con compuertas ‘cero-cien’ En sistemas con sectores que siempre reciben porciones jas de cualquier caudal que entra, el repartidor proporcional es la estructura más indicada, por su sencillez y por no requerir operación alguna. Se recomienda usar repartidores en ujo supercrítico, porque aseguran la proporcionalidad deseada. En algunos sistemas, los repartidores proporcionales deben combinarse con la posibilidad de funcionar con un régimen de ‘cero-cien’, para lo que se precisan compuertas sencillas inmediatamente detrás del repartidor.

12.2.2 La selección de repartidores Si el diseñador quiere comprobar otros repartidores en el diseño, puede elegir una combinación de estructuras de control y de distribución. La selección de estas estructuras depende de: • • • •

La función de los repartidores en el sistema. El comportamiento comportamient o hidráulico de los repartidores: sensibilidad y exibilidad. El transporte de sólidos por la red. El equilibrio entre los requerimientos de uso y las capacidades de gestión de los regantes.

Función de los repartidores en el sistema La función de los repartidores en el sistema (‘lo que tienen que hacer’) depende de las reglas de distribución que se manejan. En la mayoría de los sistemas varían las reglas de distribución a lo largo del año y así también varían los caudales por derivarse, lo que hay que tomar en cuenta al

momento de describir la función de la obra. Parte del trabajo de diseño es determinar para cada repartidor las combinaciones de caudales de entrada y salida que debe regular, basándose en el esquema de distribución del sistema (Capítulo 4). Comportamiento hidráulico de los repartidores: sensibilidad y exibilidad Los ujos de agua en las redes de riego siempre son uctuantes o cambiantes. En el diseño de los repartidores se considera la propagación de las uctuaciones de caudal a lo largo del sistema. Para determinar esta propagación se aplican los conceptos de sensibilidad y exibilidad (Horst, 1998). Ambos conceptos se basan en la fórmula genérica de las condiciones de ujo por una estructura:

Q c y u

= caudal [m3/s] = constante [m2/s] = tirante [m] = coeciente, cuyo valor depende de la forma de la estructura: estructura : vertederos u = 1.5 oricios u = 0.5 canales u = 1.6 - 1.8

La sensibilidad S es el grado de respuesta de una estructura a cambios en el caudal en el canal de entrada.

Sustituyendo Q = c ∙ y u. se observa que la sensibilidad es el grado de reacción de una estructura a un cambio en la altura de carga en el canal:

Los cambios en el nivel de agua a consecuencia de un cambio en el caudal, también pueden expresarse como:

De esta fórmula se deducen las implicancias de la selección de una estructura. En caso de un cambio ΔQ en el caudal Q de un canal con un determinado nivel de agua y, el cambio en la altura del agua, Δy, en un oricio es 3 veces mayor que en un vertedero. Los requerimientos de sensibilidad dependen de los objetivos de la estructura: •

•

Para minimizar las uctuaciones aguas arriba de la estructura de control, la sensibilidad debe ser alta. La estructura debe tener un factor u/y máximo: u grande

vertedero (u = 1.5)

y pequeño

vertedero largo (tipo Z o ‘pico de pato’)

Para minimizar cambios en el caudal derivado, la estructura de distribución debe tener una sensibilidad mínima, mínima , así que cambios en el nivel de agua no se traduzcan en cambios en el caudal derivado. En este caso el factor u/y debe ser mínimo.



•

u pequeño

oricio (u = 0.5)

y grande

entrada angosta

Para mediciones, la sensibilidad sensibi lidad también debe ser mínima para asegurar que un pequeño cambio en el caudal se traduzca en un cambio considerable en el nivel del agua, lo que facilita la lectura de los caudales.

La reacción de un repartidor a cambios de caudal y tirante depende de la combinación de sensibilidades de la estructura de control (en el canal continuo) y de la estructura de derivación. La proporción de sus respectivas sensibilidades se dene como la exibilidad hidráulica F, que se expresa como:

Sder = sensibilidad de la estructura de derivación Scont = sensibilidad de la estructura de control en el canal continuo Tabla 12.2. Propagación de uctuaciones en distintas condiciones de exibilidad hidráulica

Estructura de control

Estructura de derivación

Flexibilidad hidráulica

Efecto

F << 1

Fluctuaciones apenas afectan el caudal derivado, cambios propagan hacia nal del sistema

Vertedero S alta

Tubo de fondo (oricio angosto) S muy baja

Compuerta (oricio) S baja

Tubo de fondo (oricio angosto) S muy baja

F<1

Compuerta S baja

Compuerta S baja

F=1

Compuerta (oricio) S baja

Vertedero S alta

F>1

Fluctuaciones Fluctuaciones afectan a ambos, pero mayor parte del cambio se propaga en canal continuo Fluctuaciones Fluctuaciones se propagan por igual entre canal continuo y canal de derivación Cambios en el caudal se propagan hacia el canal lateral

Transporte Transporte de sólidos por la red de canales La mayoría de los sistemas de zona montañosa conducen agua con una alta concentración de sólidos en suspensión y de arrastre. Para evitar que los sólidos se entrampen en los repartidores, éstos deben tener la capacidad de conducirlos hacia los canales de salida. Donde hay agua con sólidos, se recomienda no diseñar repartidores con gradas o pozas hundidas, porque se llenan en poco tiempo y sus estructuras de derivación dejan de funcionar. Tales estructuras solo pueden aplicarse en sistemas con agua limpia. Si en el canal principal se construyen vertederos para mantener el nivel de agua, estos siempre deben combinarse con compuertas de fondo para su limpieza.

Equilibrio entre los requerimientos de uso y las capacidades de gestión de los regantes Los repartidores no solo deben funcionar bien, sino también ser entendibles y transparentes para los usuarios. En vista de que sería demasiado costoso construir medidores en cada lugar de reparto, se recomienda construir repartidores cuyas aperturas dan una buena indicación de la relación entre los caudales de salida. En un repartidor que deriva caudales del mismo orden, es aconsejable colocar compuertas del mismo tipo y especialmente del mismo ancho para facilitar la comparación de caudales. A lo largo de una red deben instalarse compuertas similares en todos los puntos de reparto de determinada jerarquía, para para mantener mantener transparencia transparencia en todo el sistema. sistema. Los repartidores deben tener pocos requerimientos de mantenimiento o limpieza, lo que es otra razón para evitar obstáculos en el ujo como pozas hundidas.

12.3 Criterios de diseño con relación a la gestión de riego y sostenibilidad Resumiendo las observaciones de las secciones anteriores, los principales principales criterios de diseño, con relación a la gestión y sostenibilidad sostenibilidad son: 

Los repartidores deben diseñarse tomando en cuenta las diferentes proporciones de reparto del agua a lo largo del año.



Para cada caso, debe diseñarse el repartidor más sencillo posible: - Donde siempre se necesita una división proporcional, se instala un repartidor proporcional y no una combinación de compuertas. - Donde deben darse caudales de salida jos, se combinan tubos de salida con un tirante constante en el canal de entrada. - Solo en los casos donde frecuentemente frecuentemen te se modica la proporción entre los caudales de salida, se instalan compuertas graduables.



La repartición debe tener el máximo grado de transparencia. Los repartidores de operación más transparente son los proporcionales, pero no son aplicables en sistemas con muchos cambios en las proporciones por repartirse. En caso de repartidores con compuertas y caudales similares, se recomienda usar compuertas de las mismas dimensiones.



El diseño del repartidor debe contar con un funcionamiento ‘por defecto’, que garantiza el desagüe seguro en caso de operación errónea. Las compuertas transversales de altura baja son una buena opción para evitar rebalses en el caso que tanto la compuerta como la contracompuerta estén cerradas.



Los repartidores deben contar con componentes fáciles de manejar y de mantener.



Los componentes móviles deben ser robustos, en vista de que siempre habrá abuso por parte de usuarios que los abren y cierran con una fuerza exagerada.



En sistemas con una alta cantidad de sólidos en suspensión y de arrastre, los repartidores también deben dividir la carga de sólidos. Implica que los canales de entrada y salida deben contar con soleras al mismo nivel.



En caso de agua con una alta carga de sólidos, no se deben diseñar pozas hundidas o gradas en la estructura de reparto.



12.4 Aspectos constructivos La calidad de la construcción de las compuertas es fundament almente un tema de buena cerrajería en la construcción de la plancha y de las guías empotradas en las paredes del canal. La plancha debe ser de suciente grosor para aguantar el maltrato de los usuarios y la corrosión. Por corrosión se pierde alrededor de 2 mm en 5 años. El espesor de la plancha depende principalmente de la disponibilidad de material en el mercado local. Para aumentar la fuerza de la hoja de compuertas de tamaño mayor, se aplican rigidizadores horizontales y verticales. Los últimos sirven también como guías para el movimiento de la plancha dentro de las ranuras transversales. Figura 12.10. Dibujo constructivo de una compuerta de bastón y compuerta de vástago ó gusano.

Ninguna compuerta garantiza un hermetismo total. Se puede aumentar su impermeabilidad con una goma en la ranura del canal, pero aumenta el costo de las compuertas en alrededor de 30%. En cada proyecto hay que evaluar la importancia de eventuales ltraciones frente al costo de un cierre hermético. En la mayoría de los sistemas, no hay problemas en tapar una eventual rendija con tierra.

12.5 Situaciones que conviene evitar •

En el canal de entrada de una cámara de distribución no puede haber un régimen supercrítico, porque la gran velocidad del agua impide que el caudal se desvíe hacia el canal bifurcante. En caso de instalar una contracompuerta en el canal de entrada para asegurar la derivación del agua, esta sufre de golpes fuertes como efecto de la energía cinética del agua. En la Figura 12.11 se muestra una compuerta en régimen supercrítico; se observa salpicadura a ambos lados del canal.

159

Figura 12.11. Repartidor funcionando en régimen supercrítico

• La insuciente robustez de las compuertas es una de las principales causas de su rápido deterioro, primero porque por frágiles pierden su funcionalidad y en consecuencia deben ser operadas con torpeza, lo que empeora su condición.

Figura 12.12 Compuertas inoperables por mala calidad de construcción y uso inadecuado

• Hay que evitar pozas hundidas en sistemas que se alimentan con agua turbia, porque se colmatan rápidamente y dejan de funcionar. Las pozas hundidas solo pueden aplicarse en sistemas con agua limpia.

Figura 12.13. Poza hundida colmatada, tapando la toma de la derecha.



• A corta distancia después de muchas cámaras de distribución distribuci ón existe un cambio de canal revestido a canal de tierra. Hay que evitar que en esa transición haya un ujo demasiado turbulento y rápido, que erosione el primer tramo del canal de tierra.

Figura 12.14. Repartidor con problemas de erosión en la transición de hormigón a tierra

13 CAPÍTULO

ESTANQUES

Figura 13.1. Estanque de hormigón

13.1 Descripción y ubicación Los estanques son estructuras de almacenamiento de agua destinadas a la acumulación temporal de un cierto volumen de agua, para usarse en un momento distinto al momento de su entrega dentro del esquema de distribución del sistema. La necesidad de contar con un estanque dentro de un sistema de riego puede deberse a las siguientes razones: •

Regulación de caudal: cuando el caudal con el que se necesita regar es distinto al caudal que entrega el canal. El caudal de riego puede ser menor o mayor al de entrega, haciendo necesaria, en el primer caso, la acumulación de una parte agua que llega en un gran caudal durante un período corto para usarla con un caudal menor y durante un periodo más larga. O, en el segundo caso, la acumulación acumul ación del volumen de agua que llega en un caudal reduci do, para poder aplicarla con un caudal mayor.

•

Regulación de intervalo: muchos mucho s agricultores no reciben sus turnos de riego con los intervalos más adecuados para sus cultivos. Para mejorar los intervalos, reservan el agua guardándola durante algunos días en un estanque.

•

Acumulación Acumulación nocturna: cuando la entrega del canal es continua y el agricultor quiere acumular su turno de noche para poder utilizarlo durante el día, evitando las incomodidades y las pérdidas asociadas al riego nocturno.



En la zona montañosa, la necesidad de acumulación nocturna es frecuente por cuanto el reparto del agua se realiza mediante el sistema de turnos continuos, tanto de día como de noche. Las dicultades en el acceso nocturno a las estructuras de control del ujo, el frío, la falta de iluminación iluminación y sobre todo la mayor inseguridad para mujeres que salen de noche, justican la construcción de reservorios para la acumulación nocturna. Existen cuatro tipos básicos de estanques: tipo represa, de excavación, mixto (excavación y relleno) y australiano. australiano. represa consisten en una pared de tierra dispuesta en forma transversal Los estanques tipo represa al lecho de una quebrada o depresión natural del terreno. De esta manera, con un movimiento limitado de material es posible almacenar una buena cantidad de agua. Su forma es irregular, lo que diculta su impermeabilización, impermeabilizac ión, que solamente puede lograrse con arcilla, suelo-cement o o con láminas de polietileno. Este tipo de estanque funciona como una fuente de agua independiente y normalmente no forma parte part e de un sistema de riego mayor. En muchas zonas no son recomendable s los estanques tipo represa por el elevado riesgo que implica su rotura y por la gran cantidad de material sólido que transportan los torrentes de montaña, reduciendo rápidamente la capacidad de embalse de la represa. Los estanques de excavación excavación se construyen haciendo una fosa en un terreno relativamente plano. Su forma es normalmente de pirámide trunca invertida con una profundidad de 1 a 3 metros. Se pueden revestir con polietileno, hormigón simple, hormigón armado o mampostería. Al ser enteramente enterrados, estos estanques necesitan una bomba para extraer el agua. mixtos se construyen aprovechando el material de excavación para elevar los Los estanques mixtos bordes de la fosa. A esta clase corresponden lo que en Bolivia se conoce como “atajados”, que son estanques con una capacidad de entre 500 y 3000 m3, construidos en terrenos con pendientes entre 4% y 15% para atrapar el agua de lluvia o de otras fuentes como vertientes, quebradas y cunetas. Las particularidades del diseño y construcción de los “atajados” están desarrolladas en una guía especíca (Tammes et al, 2000). australiano son reservorios construidos sobre el terreno, elevando paredes Los estanques tipo australiano son de hormigón armado, hormigón ciclópeo o planchas metálicas. La ubicación del estanque depende del área de inuencia, la fuente de agua, la topografía del terreno y el método de riego. Se recomienda construir el estanque en el punto de mayor cota en relación con el lugar donde se recibe el agua para tener un mayor potencial de área servida, para minimizar el costo de energía en instalaciones de riego presurizado y disminuir las pérdidas por conducción entre la fuente de agua y el estanque. Al ubicarlo debe prestarse especial atención a las consecuencias que puedan derivar de su colapso. La estructura de acumulación puede tener los siguientes componentes:

Figura 13.2. Componentes de una estructura de acumulación


1. Repartidor para el llenado Generalmente el agua llega a la zona de riego por un canal de conducción. Mediante un repartidor en el canal se deriva el agua hacia el canal que lleva el agua al estanque. 2. Sedimentador Es una estructura donde el agua uye a menor velocidad, para que el material sólido sedimente en ella y no en el estanque, donde la limpieza es más dicultosa. El sedimentador puede ser limpiado fácilmente con la ayuda de una pala. En zonas montañosas, el alto contenido de materiales sólidos en el agua reduce la ecacia de los sedimentadores, considerando que no es posible construirlos del tamaño suciente para que todo el material sedimente (Capítulo 15, Desarenadores). Los sedimentadores suelen captar solo las partículas más gruesas y en la mayoría de los estanques es prácticamente inevitable el ingreso de una gran cantidad de material no, lo que obliga a organizar limpiezas regulares del estanque.

Figura 13.3. Estanque con canal de en trada y sedimentador


3. Estanque Es la cavidad donde se acumula el agua. Normalmente tiene planta rectangular. 4. Disipador de energía de entrada Al ingresar al estanque, estanque, el agua no debe erosionar erosionar las paredes paredes del mismo, mismo, especialmente especialmente cuando cuando éstas no tienen revestimiento. Para ello, se prevé la construcción de pedraplenes, pedraplenes, rápidas o gradas. Las gradas además de disipar la energía del ujo de ingreso, sirven como acceso al estanque para reparaciones, mantenimiento y limpieza. 5. Tubo de salida Para sacar el agua del estanque se instala una tubería cerca del fondo, cuyo diámetro está en relación con el caudal de salida. En sistemas donde se espera el ingreso de material sólido al estanque, la tubería debe colocarse por encima del piso para evitar que la salida se tape por el material depositado. En sistemas de agua limpia se aconseja instalar la tubería al ras del piso para poder aprovechar toda el agua acumulada. Conviene instalar la tubería de descarga con una ligera pendiente, de 1% a 2% para favorecer su autolimpieza. 6. Válvula de control El control del ujo se hace por medio de una válvula instalada aguas afuera de la estructura. Para controlar la descarga del agua y proteger la llave de paso de regulación se construye una cámara de protección de hormigón ciclópeo con una tapa metálica. Las dimensiones recomendadas son las de un cubo de 0.50 m de lado y 0.15 m de ancho de paredes. Es aconsejable que la válvula de control se encuentre dentro del perímetro cercado del estanque. 7. Filtro En el acceso del tubo de salida se instala un ltro que evite el paso de bolsas plásticas, lama y hojas del estanque hacia la tubería. Una obstrucción del tubo de salida puede originar problemas y solucionarlos suele ser una tarea complicada, que además requiere vaciar el estanque. Una malla de media pulgada de abertura o una rejilla simple puede ser suciente para este propósito. 8. Vertedero de seguridad Esta estructura tiene como nalidad asegurar un nivel máximo de agua dentro del estanque y evitar su desborde por sobre los muros, lo que en algunos casos causaría la erosión y el colapso del estanque. El vertedero debe estar emplazado en el coronamiento del estanque. En caso de ingresar mucho agua más allá del nivel máximo del estanque, el exceso es evacuado por un canal lateral. El caudal de diseño del vertedero y su canal de desagüe dependen de la ubicación de estanque en el sistema de riego. En general hay que prever el desagüe de un caudal igual al caudal máximo del canal de entrada. Para atajados se sugiere cuatro veces el caudal previsto para el ingreso para tomar en cuenta probables escorrentías superciales no controladas en períodos de lluvias torrenciales (Tammes et al, 2000). Para evitar la erosión de las paredes del estanque por la energía del agua que sale del mismo, se prevé una protección de salida con hormigón o pedraplén. 9. Disipador de energía de salida Es recomendable disipar la energía del agua que sale del tubo de salida mediante una cámara que a la vez puede servir como lavandería, abrevadero y/o para el aseo personal. El disipador de energía puede combinarse con la cámara de la válvula.

13.2 Diseño hidráulico En general, el volumen de un estanque de regulación se calcula del lado de la oferta de agua, rara vez del lado de la demanda. Entonces, el volumen a acumular se calcula midiendo el caudal de entrada Q, multiplicándolo por la sumatoria del tiempo a acumular t, de acuerdo con la siguiente ecuación:

Vu = volumen útil de agua acumulada [m 3] Q = caudal [m3/s] T = tiempo [h] El tiempo a acumularse depende de la función del estanque. Para estanques de acumulación nocturna suele tomarse un período de horas sin luz de 6 a 8 horas. En estanques construidos para aumentar el caudal, el periodo de acumulación puede ser más largo (hay sistemas de reservorio donde se acumula el agua de uno o varios días, para regar con ella durante unas horas). Para el diseño de un estanque acumulador se debe considerar también el volumen libre y que corresponde al bordo libre del estanque. Su objetivo es proteger la estructura de la acción de olas que se forman por el viento. Su magnitud está en función del tipo de estanque, del material con que fue construido y de la supercie del espejo de agua. En general se recomienda un bordo libre de 0.30 a 0.50 m 1. También se debe sumar el volumen muerto o de aguas muertas Vm, correspondiente al agua almacenada que se encuentra bajo la cota del tubo de salida y cuyo objetivo es el de permitir la acumulación de sedimento sin obstruir el tubo de salida. En estanques con entrada de agua turbia, se recomienda dejar una altura de 30 cm para las aguas muertas. El volumen total V del estanque es entonces: V = Vu + Vl + Vm V Vu Vl Vm

= volumen total del estanque [m3] = volumen útil de agua acumulada [m 3] = volumen libre [m3] = volumen de aguas muertas [m 3]

Una vez denido el volumen total requerido, un estudio de la topografía del terreno donde se ubicará el estanque demostrará su factibilidad técnica y las mejores opciones para su conguración. En el terreno se denen las posibles medidas del estanque, haciendo iteraciones con las dimensiones de los lados L 1, L2 y la altura H hasta obtener el volumen total, que en el caso de un estanque en forma de pirámide truncada invertida se calcula con la expresión:

V = volumen del estanque [m3] L1 = largo de la base del estanque [m] L2 = ancho de la base del estanque [m] H = altura del bordo [m] z = talud talud interior interior del estanque [m/m] Esta misma expresión puede utilizarse para graduar la regla con la que se medirá el volumen del agua almacenada. El vertedero de excedencias se puede calcular con la fórmula de Francis: 1 Martínez B., (2003) recomienda un bordo libre de 10 a 15 cm en estanques pequeños con revestimiento. revestimiento. En estanques grandes, con revestimiento de sus paredes el bordo libre debe ser entre 30 y 50 cm. En estanques de tierra sin protección, el bordo libre varía entre 60 y 90 cm.



Q = C∙L∙h3/2 Q= caudal [m3/s] C= coeciente del tipo de vertedero; para vertederos rectangulares se usa el valor de 1 .7 L= longitud de cresta del vertedero [m] h = carga sobre el vertedero (espesor del chorro medido sobre la cresta) [m]

13.3 Aspectos constructivos 13.3.1 Muros: materiales, taludes, estabilidad En el caso que deba construirse el estanque excavando una parte del terreno y rellenando otra, el peso de los muros de tierra del relleno debe ser mayor que la fuerza que ejerce el agua sobre éstos. La forma de dichos muros es de tipo trapezoidal (más anchos en la base que en el extremo superior), ya que la mayor fuerza del agua se ejerce en el fondo del estanque. Las dimensiones del muro están en función del tipo de material utilizado en su construcción, el grado de compactación del material, la altura del agua sobre el fondo y el tipo de revestimiento. Un estanque revestido puede tener paredes de menor grosor que uno sin revestir, ya que la posibilidad de que aparezcan puntos de ltración es menor. En estanques de tierra, el talud aguas adentro debe ser 2:1. El talud aguas afuera debe ser 2.5:1 en estanques sin revestir y de 1.5:1 a 2:1 en estanques con algún revestimiento. En estanques tipo australiano con paredes de hormigón, los taludes y espesores del muro se calculan vericando su estabilidad como muros de sostenimiento (Anexo B). En cuanto al movimiento de tierra, es deseable tener un equilibrio entre el volumen de corte y el volumen de relleno para construir las paredes. Como regla general, el volumen de corte debe ser un 30% mayor que el volumen de relleno, debido a que la densidad del suelo en estado natural es menor que la densidad del material compactado. La compactación de los muros se hace con suelo húmedo para obtener mejores resultados. En el caso de usar revestimiento con geomembrana es importante que durante la compactación se eliminen todos los desechos, desechos , como piedras y restos de palos que pudieran romper el revestimiento. Para proyectar muros de altura mayor a 4 m se recomienda determinar los taludes de aguas arriba y aguas abajo sobre la base de la clasicación obtenida de la naturaleza de los materiales que se utilizarán en la construcción de los terraplenes, así como su homogeneidad, considerando que estos embalses están sujetos a vaciados rápidos. Para estos muros de embalses, también se recomienda vericar su estabilidad mediante el método de Terzaghi - Peck (1973) u otro método similar.

13.3.2 Previsiones contra la erosión La parte exterior de los muros es susceptible de erosionarse por acción del agua de lluvia, el agua que eventualmente pueda rebalsar el estanque y por acción del viento. La erosión hídrica y eólica puede controlarse protegiendo los taludes exteriores con un enrocado supercial o la siembra de algún cobertor vegetal como pasto o paja. El lado exterior del muro puede ser más estable y resistente a la erosión si se lo conforma con terrazas de muros de piedra.

13.3.3 Ancho de coronamiento El ancho del coronamiento del muro b se puede calcular utilizando la fórmula siguiente: b = 0.8 + 0.5 H b = ancho de la corona [m] H = altura de la pared [m]

Aparte del cálculo teórico, para establecer el ancho del coronamiento coronamiento se tomará en cuenta el método de construcción y las características de la maquinaria que se utilizará para la construcción del muro (trocha del tractor).

13.3.4 Revestimiento El revestimiento otorga impermeabilidad a la estructura. Puede ser de mampostería de ladrillo, mampostería de piedra, hormigón ciclópeo, hormigón armado o material sintético. También se construyen estanques sin revestimiento en lugares donde el material de relleno y excavación contenga una mezcla de arcilla con arena gruesa o grava. En estos casos la impermeabilidad del estanque aumenta conforme el material de sedimentación va colmatando los conductos naturales de ltración. En caso de revestimiento con hormigón, la impermeabilidad de la estructura con hormigón dependerá de factores como: • • • •

•

• • • •

Obtener una cantidad lo menor posible de aire atrapado en la mezcla. Un cemento con mínima retracción y con la menor tendencia posible a la suración. La curva granulométrica de los áridos situada en la zona recomendable de la norma que se adopte. Partículas nas: para obtener una impermeabilidad elevada, el concreto debe contener una cantidad mínima de partículas nas entre O y 0.2 mm. Esta cantidad no debe ser inferior a 400 kg/m3, cemento incluido, para un concreto de 40 mm de tamaño máximo. Relación agua / cemento, la más baja posible, nunca mayor de 0.6 preferible menor a 0.5. En concretos expuestos a ambientes muy agresivos, la relación agua cemento no debe ser mayor a 0.4. Encofrados impermeables que impidan la formación de nidos de piedra por pérdida de lechada. Juntas en concreto reducidas al mínimo. Compactación óptima. Curado cuidadoso para evitar suras.

Varias de estas características pueden conseguirse más fácilmente recurriendo a aditivos impermeabilizantes, plasticantes y desmoldantes cuyo empleo debe ajustarse estrictamente a las recomendaciones del fabricante.

Figura 13.4. Estanque revestido con hormigón

13.3.5 Juntas en estanques revestidos con hormigón En las paredes de hormigón de estanques con frecuencia se forman grietas, debido a la ausencia de juntas de dilatación adecuadamente dispuestas. dispuest as. Por eso, el hormigón ‘busca’ sus zonas de



dilatación de una forma más o menos errática. Las reglas internacionalmente conocidas dicen que hay que prever una junta de dilatación cada 5 metros lineales. Es recomendable impermeabilizar las juntas con un método de impermeabilización supercial exible en vez de recurrir a métodos de impermeabilización rígida. Durante su vida útil las estructuras pueden estar expuestas a deformaciones, y de allí que requieren necesariamente de impermeabilizaciones exibles que sean capaces de absorber las deformaciones y mantener la estanqueidad. Para una impermeabilización exible se recurren a los materiales asfálticos o a las láminas exibles, por ejemplo waterstop. En cuanto a los materiales asfálticos actualmente se usan principalmente aplicaciones en frío, constituidas por asfaltos modicados con polímeros o cauchos sintéticos y reforzados con bras. Este método permite simplicar el trabajo de colocación al no tener que fundir el material a elevadas temperaturas, como es el caso de los asfaltos de aplicación en caliente. Así se evita el consiguiente riesgo del calor para las personas encargadas de la aplicación del producto, como la alteración del material, por temperaturas excesivas o irregulares. Las láminas exibles están compuestas compuest as por materiales sintétic sintéticos os como el cloruro de polivinilo (PVC), su espesor varía entre 0.8 y 3 mm. Conviene emplazarlas en la parte inferior del revestimiento uniendo dos paños de hormigón. Recomendaciones más detalladas sobre el tratamiento de juntas en estructuras de hormigón se encuentran en la norma ACI-504 del American Concrete Institute.

13.3.6 Revestimiento con láminas plásticas2 En casos en que el tipo de suelo de fundación no sea sucientemente compactable o sea pedregoso y permeable puede impermeabilizar el estanque con lámina plástica de polietileno de alta resistencia (PEAD) o una geomembrana de PVC. Es un revestimiento económico y efectivo. La lámina de polietileno, conocida comercialmente como vinimanta, viene en espesores de 0.5, 1.0 y 1.5 mm y tiene las ventajas de un menor costo inicial y un menor peso. Sus desventajas son: baja conabilidad de las juntas, piezas de tamaño reducido, es necesario enterrarla para evitar que ote y es muy rígida en espesores mayores. La lámina de PVC viene en espesores de 0.5, 0.8, 1.0 y 1.2 mm. Tiene un mayor costo unitario que el PEAD pero es más exible y fácil de trabajar; además admite reparaciones mediante ‘parches’ localizados en la zona dañada, lo que reduce el costo de mantenimiento. Su desventaja mayor aparte del costo y el peso, es el rápido envejecimiento al sol si no contiene aditivo anti-UV. Se dice que una lámina de PVC en condiciones normales dura un año por cada décima de milímetro de espesor. Debe tenerse en cuenta que en la zona andina los valores de la radiación UV son elevados y que por ello los materiales plásticos son más propensos a degradarse. En todo caso, siendo ésta una técnica en actual evolución, convendrá vericar con el fabricante las propiedades de cada producto en particular. Los estanques revestidos con geomembrana presentan las siguientes ventajas: Impermeabilización total, ya que el revestimiento con la lámina no admite pérdidas por suras ni juntas de dilatación. • Bajo costo con relación a otros estanques de igual capacidad pero construidos en hormigón o mampostería. (estudios conables han estimado esta diferencia en un 50% menos). • Simplicidad en su construcción, que se reduce a excavar, compactar y colocar la geomembrana. •

Entre las desventajas podemos notar: • •

Menor durabilidad. Mayor costo de mantenimiento.

2 Sección basada basada en Rojas, Rojas, 2001

Para este tipo de revestimiento debe anarse cuidadosamente la capa supercial, ya que de esta tarea depende la vida útil de la lámina plástica. La carpeta debe sobrepasar 1.0 a 1.5 metros el borde del estanque. Parte de la supercie sobrante se debe enterrar para evitar movimientos que pudiesen erosionar la carpeta. Cualquier perforación limitará seriamente la vida útil del revestimiento plástico y se recomienda repararlo de inmediato cuando se observen las primeras perforaciones.

Figura 13.5. Estanque revestido polietileno

13.3.7 Estanques no revestidos Es una práctica común en los valles interandinos construir estanques de almacenamiento sin revestir. Muchos de ellos, en sus primeros años de operación, enfrentan considerables ltraciones, que disminuyen con el tiempo porque el material no suspendido en el agua progresivamente obstruye los conductos. Este tipo de estanques requiere una compactación cuidadosa y una selección del material de compactación para evitar las fugas por la base del terraplén o por los costados de la tubería de desfogue. Estanques construidos constr uidos con alta proporción de material granular normalmente no logran la estanqueidad, ni aun después de varios años.

Figura 13.6. Estanque no revestido

13.3.8 Seguridad Es indispensable proteger el estanque contra cont ra el ingreso de personas ajenas y animales que pueden caer en él con el riesgo de ahogarse. Además de correr riesgos, personas y animales pueden dañar los terraplenes. Por ello, se instala una cerca perimetral de protección a unos metros de distancia del pie del terraplén exterior, encerrando también la llave de paso. Dentro del estanque, se coloca una escalera metálica empotrada para la entrada y salida de personas. En los estanques con disipador escalonado, éste puede cumplir esta función.



Figura 13.7. Protección de estanque con postes de madera y alambre de púas

13.3.9 Evacuación de sedimentos El barro que se acumula por decantación de las partículas no atrapadas por el sedimentador se debe remover cada cierto tiempo para permitir el buen funcionamiento de la estructura. El volumen muerto está en función del aporte de sólidos en suspensión del agua a almacenar. El tubo de salida del estanque debe estar lo sucientemente alejado de la capa de barro para así evitar que se obstruya. Además, cuando el agua se utiliza en riego presurizado, los sólidos en suspensión que aporta el sedimento pueden alterar el buen funcionamiento del sistema de ltros.

14 CAPÍTULO

MEDIDORES DE CAUDAL

Figura 14.1 Aforador – Totora Khocha

14.1 Descripción y ubicación Los medidores de caudal o aforadores son estructuras que permiten medir o aforar el ujo de agua en un conducto. Existe una variedad de medidores, tanto para conductos abiertos, como para cerrados. En este capítulo se describen los criterios de diseño y construcción de algunos de ellos para canales abiertos, que tienen comprobada ecacia en los sistemas de zonas montañosas y autogestionados por sus usuarios. La selección e instalación de aforadores en un sistema de riego depende en primer lugar de los objetivos de las mediciones que se quiere efectuar. De antemano hay que indicar que en los sistemas de riego con un esquema de distribución de ‘monoujo’ no hay razón para instalar medidores. En tales sistemas, la medición de los caudales más bien puede complicar la vida de los usuarios, porque muestra las uctuaciones del caudal y da lugar a discusiones sobre recompensa para días de menor caudal de agua que otros. La medición de los ujos es imprescindible en los sistemas donde la distribución se basa en la entrega de caudales determinados a distintos usuarios o sectores (reparto del ujo total) o donde



se mezclan las aguas de distintas fuentes que posteriormente deben separarse en la zona de riego. En tales casos, la medición de los caudales en los puntos de reparto ayuda a distribuir el agua de acuerdo a las normas establecidas. De igual manera es conveniente medir los caudales de agua en la salida de un embalse con el n de poder entregar a los usuarios el caudal determinado y, sobre todo, evitar que se entreguen caudales mayores a los denidos, para no poner en riesgo la disponibilidad de agua en largadas posteriores. En otros países, también se instalan medidores para estimar los volúmenes de agua usados por los usuarios, con nes de cobranza, cobranz a, o para determinar las láminas óptimas con relación relac ión a la producción agrícola. En resumen, los objetivos comunes para medir el ujo de agua en los sistemas de riego andino, son: Regular la salida de agua de una fuente de regulación, presa o reservorio. Controlar el caudal de entrada en una obra de captación de acuerdo con los derechos de agua con relación a otros sistemas que toman del mismo curso. • Repartir el agua de una fuente de acuerdo con un esquema de distribución de ‘multiujo’ entregar los caudales acordados y controlar el reparto de agua entre sectores o usuarios. • Separar ujos de agua de distintas fuentes que se mezclaron en la conducción y deben dirigirse a distintos grupos de usuarios en la zona de riego. • •

De acuerdo con estos objetivos, se identican como posibles puntos de medición: • • •

En la salida de una fuente de regulación. Después de una obra de captación. En los puntos de distribución. Por su costo, solo se construyen medidores en los repartidores principales.

Para el caso de medidores relacionados con repartidores, se recomienda instalar un medidor en solo uno de los canales de derivación. El procedimiento de la medición para el reparto es: 1) aforar el caudal entero; 2) calcular los caudales que corresponden a cada canal sobre la base de las proporciones jadas, y 3) ajustar las compuertas hasta que el caudal en el canal del medidor coincida con el caudal calculado. Preferiblemente no se instalan dos aforadores en cámaras de distribución, porque las inexactitudes en la suma de los caudales pueden generar confusión y conicto entre los usuarios. Solo en canales donde se mezclan un mayor número de aguas (más de 3 caudales), puede ser aconsejable instalar instal ar un aforador en cada canal de salida. En tales casos, se recomienda instalar medidores de tipo y dimensiones idénticas para evitar susceptibilidad entre los usuarios sobre los niveles de agua y sus caudales correspondientes. Eventualmente Eventualment e puede requerirse la medición de caudales para otros objetivos (por ejemplo detectar y cuanticar pérdidas de agua a lo largo de un canal), para lo que pueden instalarse aforadores en puntos estratégicos del canal o recurrirse al uso de aforadores portátiles.

14.1.1 Principio de medición de caudales El funcionamiento funcionamient o de los aforadores se basa en el principio de un ujo tranquilo que posteriorment e sufre una aceleración hasta pasar por la velocidad y tirante críticos, con lo que se asegura una relación ja entre el nivel de agua y el caudal correspondiente. En los canales se puede generar el ujo crítico al reducir la sección del ujo por una contracción de la solera o de las paredes. La sección reducida se conoce como la sección de control (Bos et al, 1986). Aguas arriba de la sección de control, en el canal de entrada se instala una regla limnimétrica que permite determinar el nivel del agua. Los medidores pueden funcionar bajo condiciones de ujo libre (modular) o sumergido (nomodular):

Bajo condiciones de ujo libre, el caudal no es afectado por las variaciones que pueden ocurrir aguas abajo de la sección de control, de manera que puede determinarse el caudal al solo conocer el tirante aguas arriba en el aforador cerca de transición de entrada. • En las condiciones de ujo sumergido, el tirante de agua aguas abajo genera una resistencia al ujo que hace disminuir la velocidad del agua y aumentar el tirante aguas arriba del aforador. Para determinar el caudal con un aforador operando bajo condiciones de ujo sumergido se requiere conocer los tirantes aguas arriba y 1 y aguas abajo y 2 del medidor. Cada tipo de aforador tiene su propio límite de sumersión o límite modular (y 2/y1). Si el ujo tiene una relación y 2/y1 por encima del límite modular es indicador que el aforador funciona bajo condiciones sumergidas. •

Para la selección de los tipos de medidores más adecuados para los sistemas de riego campesino, puede indicarse que en los sistemas de montaña y autogestionados: Para facilitar el uso de los medidores por parte de usuarios sin capacitación técnica, se aconseja que los medidores siempre funcionen bajo condiciones condici ones de ujo libre. Así, se precisa leer una sola regla limnimétrica. • Casi siempre hay una gran variación en los caudales que en el transcurso del tiempo pasan por el canal. A consecuencia, los medidores deben medir un rango amplio de caudales, lo que limita la selección a medidores tipo vertederos por su mayor sensibilidad (sección 14.2.1). Medidores tipo oricio generarían uctuaciones exageradas en el tirante aguas arriba del medidor. •

Los medidores tipo vertedero que cumplen con estas condiciones, en general cuentan con los siguientes componentes: Figura 14.2. Medidor de caudal con contracción de paredes

1. Canal de aproximación El canal de aproximación es necesario para generar las condiciones de ujo normal y simétrico y desarrollar una supercie de agua tranquila cuya elevación puede determinarse con exactitud. Para la ubicación adecuada de los medidores, se prescriben los siguientes aspectos hidráulicos 1: •

Aguas arriba del aforador, aforador, el canal debe ser recto y poseer una sección transversal razonablemente uniforme en una longitud igual a: - 10 veces el ancho de la sección de control, si el ancho de la sección de control es mayor que 50% del ancho del canal de aproximación.

1 Basado en Bos et. al. (1985)



- 20 veces el ancho de la sección de control, si el ancho de la sección de control es menor que 50% del ancho del canal de aproximación. • El canal de aproximación debe tener una pendiente de solera constante • El número de Froude no debe ser superior a 0.5, en una distancia de al menos 30 veces y 1, aguas arriba del aforador. Siempre que sea posible se debe reducir el número de Froude a 0.2. En muchos canales en zona montañosa no existen estas condiciones de ujo, por lo que se las tiene que generar mediante una reducción local de pendiente. Esto signica construir una caída con colchón disipador en el canal de entrada a una distancia de al menos 30 veces el tirante máximo. • Debe evitarse la sedimentación aguas arriba de la obra, por lo que debe disponerse de suciente altura de carga en el tramo de canal elegido. 2. Transición de entrada Es el tramo entre la sección normal del canal y la sección más estrecha de control. El estrechamiento puede consistir en la elevación de la solera, la contracción de las paredes o ambos. La función de la transición de entrada es generar una aceleración tranquila del ujo al inicio de la sección de control, por lo que debe tener un desarrollo gradual, con un ángulo recomendado de 22.5°. La transición se construye con supercies planas. 3. Sección de control La sección de control de medidores tipo vertederos consiste en un resalto y/o estrangulamiento del conducto, donde el ujo pasa por la profundidad crítica. Los vertederos de resalto se dividen en vertederos de cresta delgada, corta y ancha, dependiente de la longitud y forma de la cresta en la sección de control. En los vertederos de estrangulamiento la sección de control consiste en una contracción de las paredes, hasta formar una garganta. La garganta puede ser angulosa o redondeada. También existe un vertedero sin garganta, en el que el estrangulamiento es directamente seguido por el ensanchamiento. La Tabla 14.1 ilustra los medidores tipo vertedero más comunes, con algunas de sus características hidráulicas (basado en Bos, 1996). Tabla 14.1. Características de algunos medidores comunes

Tipo De Resalto

Cresta Ancha

Croquis

Qmin m3 /s

0.0064

Qmax ó Qmax m3 /s ó m2 /s

q = 5.07 H1=2.0 m

Qmin/ Qmax

35

Transporte Transporte Límite modular de de (y2/y1) ó perdida dólidos material de carga en de suspensión arrastre

+/-

--

--

--

0.66 a 0.38 Perdida de

Cresta Delgada Rectangular

Cresta delgada triangular

Cresta Delgada Ciclopetti

0.00997

0.0008

Q=0.0082 b=0.30 m

q = 0.813

Q = 0.39

q = 0.864

24.5 Si b>1.2

Carga H1+0.05 m

>> 500

Perdida de carga > H1

--

--

36.4

Perdida de carga H1+0.05

--

--

175

Con garganta de curvas angulosas

Depende de 0.0066 la longitud del b=0.30 m cuello

35

0.70 a 0.95

++

++

Sin garganta redondeado

0.0050 b=0.20 m

190

0.50

++

++

q = 4.82 H1=2.0 m

La sección de control tiene dos características hidráulicas importantes para la elección de medidores: la relación de sumersión y la pérdida de carga. La relación de sumersión o ahogamiento es la relación de y 2/y1. Cuando aumenta el y 2 con relación al y1 se llega a una situación en que se da la transición entre el ujo libre y sumergido. Esa relación y2/y1 se llama el límite de sumersión o límite modular. Un aumento en la relación y 2/y1 por encima del límite modular resulta en la sumersión del ujo, perdiéndose la condición de ujo libre. Consecuentemente, para medir el caudal debe conocerse tanto el tirante aguas arriba, como aguas abajo del medidor. La pérdida de carga en la estructura depende de la forma de la sección de control y su límite modular. En vertederos de cresta ancha, la pérdida de carga suele ser baja. Se la expresa como una porción del tirante de agua sobre el nivel del vertedero. La pérdida de carga puede disminuirse aplicando transiciones graduales entre la cresta y la solera del canal. Los vertederos delgados, para mantener un ujo modular, necesitan de una caída libre, por lo que su pérdida de carga es mayor que el tirante sobre la sección de control. En los sistemas de riego autogestionados, los medidores deben diseñarse para condiciones de ujo libre, porque solo requieren la lectura del nivel de agua aguas arriba del medidor. Signica que la relación y 2/y1 debe mantenerse debajo del limite de sumersión. Se considera que en la gran mayoría de los sistemas la mayor pérdida de carga necesaria para mantener el ujo libre, no genera un impedimento en vista de las condiciones topográcas de la zona andina. La fórmula de descarga del ujo por la sección es: (14.1) Q B y1 u u C

= caudal [m3/s] = ancho de la sección de control [m] = tirante de agua, agua, aguas aguas arriba arriba de la cresta cresta [m] = exponente: para sección rectangular u=1.5; para trapecial u =1.7 - 2.3; para triangular = 2.5. = constante, constante, vertederos vertederos de cresta ancha, ancha, c=1.7; c=1.7; vertederos vertederos de cresta delgada, delgada, si ujo separa de la cresta, c=1.9; vertederos con cresta redondeada, si ujo no separa, c=2.1

4. Transición y canal de salida La transición y el canal de salida son una parte integral del diseño de un aforador. El diseño de la transición es importante solo en caso de que se requiera recuperar una parte de la energía cinética en energía potencial (tirante de agua), por ejemplo con la nalidad de no disminuir el área por regarse después del aforador. Para la recuperación máxima se aplican transiciones de 6:1 en vista de la alta velocidad del ujo a la salida del medidor. En cuanto al canal de salida, hay que asegurar que rija una altura de agua tal que el aforador funcione con ujo libre, por lo que el grado de sumersión debe quedar debajo del límite modular. En caso que no existan problemas para perder altura de carga, se recomienda construir una caída vertical o inclinada directamente después de la sección de control. El impacto de la energía del



agua sobre el fondo del canal de salida, debe disminuirse con un disipador de energía (Capítulo 9, Caídas). En caso de canales de tierra debe revestirse el canal sobre una longitud de por lo menos 1.5 m. 5. Escala o regla limnimétrica En los aforadores que funcionan bajo condiciones de ujo libre, se coloca una escala limnimétrica graduada aguas arriba de la sección de control. En la escala se mide la diferencia de altura entre la supercie del agua y la solera de la sección de control. Se recomienda marcar las escalas en litros por segundo, porque facilita el uso y control por parte de los regantes. La regla se coloca a una distancia suciente de la sección de control donde el nivel del agua aun no sufre efecto de la aceleración del ujo, pero tampoco muy lejos para evitar que la pérdida de carga por fricción tenga inuencia en la medición. Se recomienda emplazarla una distancia de 2 a 4 veces el tirante máximo, aguas arriba de la transición. La distancia entre la escala y la sección de control es parte del diseño hidráulico del aforador. En canales de tierra, las reglas pueden montarse verticalmente sobre un soporte que se coloca en el mismo cauce. En los canales revestidos de hormigón, se las coloca directamente sobre el bordo del canal. Si el bordo es inclinado, hay que corregir la longitud indicada sobre la escala según la inclinación de la pared. En lugares donde existe un ujo con supercie ondulante, puede instalarse un pozo remansador, conectado con el canal mediante un pequeño tubo. El tubo del pozo requiere una limpieza regular, sobre todo cuando se conduce agua con sedimentos.

Figura 14.3. Medidor de contracción de fondo con pozo remansador

En canales donde se quiere tener mediciones continuas del caudal, se instala un limnígrafo automático, por ejemplo para posteriormente calcular volúmenes de salida de una presa.

14.2 La selección de los medidores de caudal 14.2.1 Consideraciones en la selección de los medidores Requerimientos de exactitud de la medición Los aforadores de la zona de riego se usan principalmente para jar el reparto en varios caudales de distribución, que se dirigen hacia dos o más sectores / usuarios. En tales casos no se precisan mediciones exactas, sino equidad en la relación entre los caudales de salida. La exactitud es un

tema de mayor importancia en las tomas directas de un canal principal. Demasías en los caudales de salida afectarían negativamente en la disponibilidad de agua para los canales inferiores.

Costo El costo de las obras de medición debe ser relativamente bajo. Sin embargo, debe considerarse que en los puntos de distribución el uso de un buen aforador puede disminuir considerablemente los costos de operación, por dar una respuesta inmediata en cuanto a la justa distribución o separación de ujos.

Gama de caudales En la zona montañosa de Bolivia la mayoría de los sistemas que conducen una gama amplia de caudales a lo largo del año, con uctuaciones entre 15 y 400 l/s. En los sistemas con grandes uctuaciones de caudal, solo se instalan vertederos. En sistemas con caudales muy variados, debe considerarse con cuidado el tema de la sumersión.

Pérdida de carga Los vertederos de cresta ancha precisan una mínima pérdida de carga para funcionar de forma modular. Los vertederos de cresta delgada necesitan una mayor pérdida de carga. La posibilidad de pérdida de carga depende de la topografía y el emplazamiento vertical del canal en el que se instala el aforador. En la mayoría de los casos, los sistemas de montaña no presentan límites en cuanto a pérdida de carga. Además, los tirantes en los canales no son muy grandes, por lo que la máxima pérdida, igual al tirante del agua sobre la sección de control, no sobrepasará el 0.50 m. En los casos excepcionales donde la pérdida de carga es una restricción, se elige una estructura con un límite modular elevado y se diseñan transiciones graduales.

Capacidad de paso de sedimento y material ﬂotante Considerando las grandes cantidades de material otante y material sólido en suspensión o de arrastre de fondo, es imperioso elegir aforadores con una buena capacidad de transporte de sólidos y material otante.

Requerimientos de mantenimiento y limpieza El tema del mantenimiento se limita a la limpieza regular del canal de aproximación y la sección de control. Es aconsejable elegir aforadores que tengan requerimientos de limpieza mínimos y en cuyas mediciones la falta de limpieza no tenga inuencia mayor. De igual forma, la estructura debe ser robusta para evitar daños en la sección de control. A los regantes hay que instruir que regularmente controlen la integridad de la construcción, para evitar que pequeños daños generen errores en las mediciones. En el caso de limnígrafos automáticos, deben seguirse seguirse las instrucciones del fabricante del aparato. Si bien no suelen requerir acciones complejas, hay que ver si la organización de usuarios tiene la capacidad de mantenerlos funcionando.

Facilidad de construcción Es tal vez una de las consideraciones más importantes, en vista de la limitada capacidad local para construir obras de precisión. Es aconsejable diseñar estructuras sencillas, sin componentes complejos. Preferiblemente son estructuras de hormigón. En caso de usarse partes metálicas, éstas deben ser de formas y dimensiones elementales y no requerir destrezas especiales en su fabricación.



Deben seleccionarse aforadores aforador es que se puedan calibrar después de la construcción, basándose en sus dimensiones resultantes, que suelen no coincidir completamente con las medidas de diseño. Potencial vandálico También por los problemas de vandalismo, el medidor debe ser robusto y preferiblemente no contar con elementos móviles. En caso de limnígrafos automáticos, estos deben colocarse en cajas aseguradas.

14.2.2 Medidores sugeridos para sistemas de riego campesino Sobre la base de los criterios presentados, se recomiendan principalmente dos tipos de medidores para las distintas situaciones de medición: Medidores de contracción de pared en los canales principales y en canales laterales después de cámaras de distribución. • Vertederos de cresta delgada en la salida de las tomas de tubería. •

Medidores de contracción de pared: en canales principales y después de cámaras de distribución Las condiciones principales para medir los ujos en los canales principales y después de las cámaras de distribución (distribución de caudales del mismo orden) son: • • •

• • •

En los canales principales se requiere una razonable exactitud en la medición. Después de las cámaras de distribución, la exactitud debe estar en la equidad en las fracciones instaladas y no tanto en los caudales absolutos. La frecuencia de las mediciones medicione s es baja; se usa el medidor después de un cambio del caudal total o en los momentos de cambio en la distribución que obliga a ajustar las compuertas en un repartidor. En la mayoría de los casos, las condiciones topográcas permiten una cierta pérdida de carga en el canal. En casos esporádicos es un criterio para tomarse en cuenta. El agua suele llevar una gran cantidad de sólidos en suspensión y de arrastre. Los caudales son relativamente pequeños: oscilan entre 15 y 250 l/s.

Para estas condiciones, los aforadores más aptos son los medidores de contracción de pared, preferiblemente en combinación con una caída después de la sección de control. Figura 14.4. Medidor de contracción de paredes y caída vertical

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Sus ventajas: Pueden medir una amplia gama de caudales. Dejan pasar el material otante, en suspensión y de arrastre. Son robustos y poco sensibles a daños o desgastes. Son baratos. Tienen dimensiones sencillas, por lo que son fáciles de construir. Es sencillo calibrarlos después de la construcción basándose en las dimensiones reales en campo. • Una caída después de la sección de control asegura el ujo libre en la estructura. • • • • • •

Sus desventajas: En el canal de aproximación, a causa de la poca velocidad del agua, puede depositarse material de fondo que afecta la medición. • Cuando el diseño es para una gama de caudales, en la lectura de los caudales pequeños se pierde precisión. •

Medidores RBC (Replogle Bos Clemmens) En Bolivia existe una amplia aceptación del medidor tipo RBC, que es otro tipo de medidor vertedero de cresta ancha. A diferencia de los medidores de contracción lateral, tienen una contracción de solera, creada por la construcción de un resalto. Sobre el resalto se genera el aumento de la velocidad, que permite establecer una relación única entre el nivel del agua en el punto de la escala limnimétrica y el caudal. El RBC tiene en gran parte las mismas ventajas que el medidor de contracción de paredes: es fácil de diseñar, fácil de construir y fácil de calibrar después de la construcción sobre las base de las dimensiones reales. Una desventaja con relación al vertedero de contracción de paredes es la acumulación de sedimentos y piedras en el canal de aproximación, lo que afecta las mediciones del caudal. La otra desventaja es que aguas arriba del medidor suele detenerse agua a causa del frecuente atascamiento de los tubos de desagüe. Figura 14.5. 14.5. Medidor tipo RBC

Vertederos de cresta delgada después de las tomas directas Después de las tomas directas, las principales condiciones para la medición del caudal son:



• • • • • •

El objetivo de la medición es el de entregar un caudal determinado al canal de derivación. Se requiere una buena exactitud en la medición, para evitar el reparto de agua demás, lo que afectaría la disponibilidad de agua para los usuarios en los sectores inferiores. Los caudales por medirse son más pequeños; oscilan entre 3 y 25 l/s. Se ubican al inicio de canales secundarios, que suelen estar en dirección de la pendiente, por lo que no hay problemas de pérdidas de carga. Se combinan con una estructura de salida de poca sensibilidad, lo que genera pocas uctuaciones en el caudal. El agua suele contener una alta carga de sólidos en suspensión, pero poco arrastre de fondo y no lleva material otante.

Los aforadores más aptos para las tomas directas son los vertederos de cresta delgada (triangulare s o Cipoletti). Sus ventajas: Pueden medir caudales pequeños. Son de fácil comprensión y control. Tienen buena exactitud en la medición. Por su forma, los triangulares permiten medir con exactitud caudales de distinto orden. Son fáciles de construir e instalar. También es sencilla copiarlos para ser instalados en sitios adicionales. • Son baratos. • • • • •

Sus desventajas: Acumulan sólidos sólidos aguas aguas arriba de la sección de control, control, en la poza poza de disipación disipación a la salida salida de la toma directa. Hay que avisar a los usuarios de la toma que esta colmatación disminuye el caudal de salida (con la misma lectura reciben menos agua), por lo que es en el interés de los usuarios de la toma, limpiarla regularmente. • No pueden aplicarse en sitios donde no se permite pérdida de carga o con abundante material otante en el agua. •

Figura 14.6. Toma directa con medidor triangular

14.3 Diseño hidráulico Durante mucho tiempo, el cálculo hidráulico de los aforadores ha sido un trabajo complejo y laborioso, que requería de muchas iteraciones, sobre todo para congurar la regla limnimétrica. Para evitar los cálculos extensos, se estandarizaron las medidas hidráulicas de varios tipos de aforadores, lo que resultó en la necesidad de construirlos en sitio con mucha precisión. Actualmente existen programas programas computacional computacionales es que calculan calculan todos todos los elementos elementos hidráulicos hidráulicos de los aforadores y producen como resultado las dimensiones del aforador y la calibración de su escala. Estos programas permiten que el diseñador proyecte un aforador de acuerdo con las condiciones que afronta en el sistema en cuestión. Además, permiten calibrar la estructura, conociéndose sus medidas exactas después de la construcción. Los posibles errores de calibración ascienden a solo 3% de la medición. Para el diseño de los vertederos de cresta larga como los de contracción de paredes, se aconseja el uso del programa WINFLUME. El programa permite la entrada de todos los datos necesarios para el diseño: caudales por medirse, grado de exactitud, sección y pendiente del canal de aproximación, alto del resalto o ancho de estrangulamiento, ángulo de aproximación y de salida, etc. Calcula los medidores según los datos introducidos y da sugerencias para mejorar su diseño. Figura 14.7. Pantalla de WINFLUME para diseñar medidor de contracción de pared

14.4 Aspectos constructivos La construcción de los vertederos debe seguir, en lo máximo, las dimensiones del diseño hidráulico, para evitar problemas en la calibración. Después de su construcción, se revisan las dimensiones resultantes y se efectúa la calibración denitiva.



Fotografía 14.8. Encofrado para construcción de medidor de contracción de paredes

La construcción de los medidores de contracción de pared, se hace mediante un simple encofrado con las dimensiones previstas en el diseño. Por lo demás, rigen las siguientes recomendaciones: La ubicación del vertedero debe adecuarse al cumplimiento de las condiciones del ujo de aproximación. Si se instala un aforador en un canal existente, a veces debe adecuarse el diseño del canal a estas condiciones, lo que generalmente implica construir una caída con colchón disipador para reducir la pendiente de aproximación. • Las supercies de las contracciones deben ser rectas y lisas, para evitar rozamientos mayores. • En caso de contracciones angulosas, se recomienda instalar ángulos de acero en las esquinas de la pared, para disminuir problemas de desgaste por material otante o abuso de la estructura. •

En cuanto a la construcción de los vertederos de cresta delgada, hay que tomar en cuenta que: La ubicación del vertedero debe adecuarse al cumplimiento de las condiciones del ujo de aproximación. • En el caso de los vertederos Cipoletti la supercie de la tabla metálica debe estar horizontal. En caso de vertederos triangulares el bisector del ángulo debe ser vertical. • La tabla se empotra en las paredes laterales del canal de aproximación. • La supercie de la tabla tabl a metálica debe tener tene r un grosor de 1 a 2 mm para evitar que el ujo uj o se pegue a la tabla. Si la tabla es más gruesa, en su límite superior hay que reducir su grosor, al lado aguas abajo, hasta las medidas indicadas. •

15 CAPÍTULO

DESARENADORES

Figura 15.1 Desarenador con vertedero

15.1 Descripción y ubicación Los desarenadores son estructuras hidráulicas que sirven para decantar el material sólido no deseable que lleva el agua de un canal. Ese material sólido no es deseable en un sistema de riego porque a partir de ciertas cantidades y tamaños de partículas en suspensión: Se depositaría en el fondo de los canales disminuyendo su sección reduciendo su capacidad de conducción. Esto obligaría a realizar tareas de mantenimiento regulares, lo que se traduce en elevados costos y produce molestosas interrupciones en el servicio del canal. • Erosionaría las paredes de canales y en especial de tuberías de conducción y sifones invertidos (efecto de abrasión). • Obstruiría tuberías de conducción, sifones invertidos, medidores y otras obras de arte. •

La presencia de abundante material sólido en el agua de riego es una de las principales características característi cas de los sistemas de montaña. Tiene relación directa con la gran susceptibilidad a la erosión de los suelos andinos por la conuencia de factores como precipitaciones de alta intensidad, pendientes de terreno pronunciadas y sostenidas y la falta de cobertura vegetal. En consecuencia, el agua que escurre supercialmente supercialmente lleva partículas sólidas a los ríos. Estos erosionan sus orillas y fondo



y transportan este material hacia abajo. Este procedimiento es tanto más intenso cuanto mayor es la gradiente. El diámetro del material sólido arrastrado es aproximadamente proporcional a la sexta potencia de la velocidad del agua. El transporte de sedimentos es un proceso complejo, para simplicar su estudio se han dividido los sólidos, de cierta forma arbitraria, en sólidos que ruedan por el fondo y en sólidos en suspensión. Mientras que en ríos de llanura los arrastres de fondo generalmente no llegan al 10% de los suspendidos, en ríos de montaña pueden acercarse al 50% del total (Krochin, 1978). La cantidad de sedimentos que pasa por unidad de tiempo se llama caudal sólido. Los sólidos presentes en ríos de montaña son grandes en tamaño como en todo ujo que escurre en las cabeceras de una cuenca. Las cantidades de material sólido llevados por un río se miden ya sea en m 3/año por km2 de cuenca, en gramos por m 3 de agua o en porcentaje del caudal. La última forma conviene más a los nes del cálculo de una obra de decantación. Para ríos que se originan en las montañas, un valor típico para una creciente puede ser 4% a 6% en volumen del caudal. El desarenador más importante de un sistema de riego se ubica entre la obra de toma y el inicio del canal principal. La capacidad de transporte del canal aguas abajo del desarenador debería ser constante para garantizar la no-decantación del material sólido que logra pasar hacia el canal. La mejor aproximación numérica para asegurar la conducción del material de arrastre es: y1/2∙S = constante o no decreciente (Dahmen, 1994) y = tirante normal [m] S = pendiente del canal [m/m] Por seguridad, también es recomendable emplazar desarenadores adicionales al principal, inmediatamente antes de que el ujo ingrese en conducciones cerradas como tuberías, sifones invertidos y canales tapados o en estanques. De acuerdo a su tipo de operación de limpieza, los desarenadores pueden ser: De lavado continuo, cuando puede realizar la sedimentación y la evacuación del material sedimentado, simultáneamente. • De lavado discontinuo o intermitente, cuando almacena el material sedimentado y luego lo expulsa, en una operación diferente. La operación de lavado se procura realizar en el menor tiempo posible para minimizar la pérdida de agua. • De lavado enteramente manual. Cuando la operación de evacuación del material sedimen tado no es efectuada por la operación de la estructura, sino por los usuarios. •

Los elementos que componen un desarenador se presentan en la gura 15.2. Figura 15.2 Componentes de un desarenador

185

1. Transición de entrada Sirve para conducir de una manera gradual al agua que viene del canal hacia la cámara de sedimentación. Esta transición minimiza la formación de turbulencias que perjudican a la sedimentación. Para ello, se asegura que la transición tenga un ángulo de divergencia suave, no mayor de 12°30’. 2. Cámara de sedimentación Es donde por aumento de la sección se logra una disminución de la velocidad del ujo, que hace que las partículas sólidas se precipiten al fondo. La forma de la sección transversal puede ser cualquiera aunque generalmente se escoge la trapecial por ser más eciente y económica ya que concentra el material decantado en el centro, facilitando el trabajo de limpieza. La pendiente del fondo debe estar entre 2% y 6% para facilitar la evacuación de los materiales depositados. 3. Vertedero Se construye al nal de la cámara de sedimentación para captar el agua limpia de las capas superiores y entregarla al canal. La velocidad del ujo a través del vertedero debe ser también limitada (hasta 1 m/s es aceptable) para no provocar turbulencia en la cámara de sedimentación. Para esa velocidad, la altura del agua sobre la cresta del vertedero no debería sobrepasar los 25 cm. Cuando la profundidad de la cámara de sedimentación es mayor que la del canal puede simplicarse simplicar se el diseño simplemente disponiendo un escalón al nal de la cámara de sedimentación, hasta alcanzar el nivel de solera del canal de salida. 4. Compuerta de fondo Normalmente, los desarenadores también incluyen una compuerta de lavado y un canal directo por el cual se da servicio mientras se lava el desarenador abriendo la compuerta. Figura 15.3 Posición de la compuerta de fondo

La compuerta de fondo no es siempre aplicable por las siguientes razones: Los canales en ladera de montaña se apoyan en terreno muy erosionable. La velocidad del agua que debería desalojar el material sedimentado es demasiado elevada (de 3 a 5 m/s) y podría ocasionar serios efectos erosivos sobre las laderas. Conducir esa agua hacia lugares menos susceptibles a la erosión, signica elevar considerablemente los costos de la estructura. • La práctica del lavado de la cámara de sedimentación implica pérdida de agua. En muchos sistemas de riego no puede permitirse ese derroche, y menos aun en sistemas de turnos, •



donde un usuario en particular tendría que sacricar su volumen de agua asignado para efectuar la limpieza en benecio de todos. En consecuencia los usuarios preeren limpiar el desarenador manualmente, por lo que la compuerta de fondo normalmente es prescindible. 5. Vertedero de excedencias El desarenador no puede funcionar con exceso de agua y turbulencia s provocadas por el ingreso de un caudal superior al previsto en su diseño. El vertedero de excedencias puede construirse antes de la transición de entrada o se puede usar una de las paredes de la cámara de sedimentación como vertedero, descargando el caudal de exceso a un canal paralelo que conduzca de manera controlada el ujo que rebalse la capacidad de la cámara de sedimentación. La estruct ura combinada desarenador-vertedero de excedencias es práctica cuando las condiciones topográcas aseguran una descarga segura del caudal excedente.

Figura 15.4 Desarenador con vertedero que descarga hacia el cauce natural

En los sistemas de montaña no siempre existe la posibilidad de disponer un canal paralelo para evacuar las excedencias por restricciones de la topografía y en vista de que la cámara de sedimentación ya es más ancha que el canal. Lo más recomendable es prever la descarga del caudal en exceso antes de que ingrese a la cámara hacia un colchón disipador y un canal hacia donde el escurrimiento no provoque daños. Las características y el cálculo del vertedero lateral se explican en el Capítulo 16, Vertederos laterales.

187

15.2 Diseño hidráulico


Figura 15.5 Desarenador; vista en planta y en cortes longitudinal y transversal

Los factores a tener en cuenta en el análisis y el diseño de un desarenador son: a) La temperatura del agua b) La viscosidad del agua c) El tamaño de las partículas de arena a remover d) La velocidad de sedimentación de la partícula e) El porcentaje de remoción deseado Como dato se tiene el caudal de agua Q que viene de la toma o del canal. Para el diseño deben tenerse en cuenta consideraciones como: f) Las partículas se toman como distribuidas distribuid as uniformemente. uniformemente . g) El ujo alrededor de las partículas es laminar. 1. Se determina el diámetro de partículas a decantar. Los materiales en suspensión se clasican según su tamaño de acuerdo a la siguiente tabla 1. Tabla 15.1. Clasicación de partículas

Material Arcilla Limo Arena Grava

Diámetro [mm] 0.00024 a 0.004 0.004 0.004 a 0.062 0.062 a 2 2 a 64

En general, las materias en suspensión se componen de partículas de diferentes tamaños de grano. En ríos de llanura y montañas de media altura, las partículas coloidales pueden abarcar un amplio rango granulométrico desde la fracción de limo hasta la fracción de arena, mientras que en los ríos de montaña con pendientes fuertes los tamaños de grano pueden llegar hasta 2 o 3 mm. 1 La clasicación de las partículas según su tamaño es arbitraria. Aquí se adopta una clasicación de sedimentos en embalses extraída de PRONAR (2002).


En los sistemas andinos de riego es tal la carga de sediment os en el agua que las expectativas de eliminarlos no pueden ser muy ambiciosas teniendo en cuenta las limitaciones presupuestar ias. Lo recomendable es diseñar un decantador de partículas con diámetros desde 1 mm. De todas maneras, un desarenador no podrá ser 100% efectivo y no hay un criterio exacto para la capacidad de transporte en el diseño de canales de riego que conducen agua recargada de sedimentos. La cantidad de materias en suspensión es expresada por la concentración de materias en suspensión C [kilogramos [kilogramos de materia en suspensión por metro cúbico de agua]. En general, las concentraciones de materias en suspensión son: C = 0.1 a 1.0 kg/m3 en ríos de terreno llano C = 2.0 a 10 kg/m3 en ríos y torrentes t orrentes de montaña montaña Los valores de los ríos en Bolivia pueden ser superiores e inferiores, de acuerdo con las características de las cuencas (topografía, geología, vegetación natural, intensidad de uso de suelo, degradación de laderas, etc.). 2. Se determina la velocidad de escurrimiento v d La velocidad horizontal de la corriente no debe sobrepasar un valor máximo para que: • • • •

La materia en suspensión pueda depositarse. depositarse . Las materias en suspensión ya depositadas no sean arrastradas nuevamente. Las materias en el proceso de descenso no sean puestas nuevamente en otación. Se minimice con un ujo lo más laminar posible, la aparición de turbulencias. turbulencias .

Esta velocidad considerada como valor límite puede ser comparada con la ‘velocidad crítica’ conocida en las teorías del acarreo o sea del ujo de sólidos en suspensión. Según Camp, esta velocidad crítica es:

vd = velocidad de escurrimiento escurrimiento [cm/s] D = diámetro del grano a decantar [mm] a = coeciente que depende de D. según la Tabla 15.2 Tabla 15.2. Valores del coeciente de decantación ”a”

Diámetro D D < 0.1 mm 0.1 mm < D < 1 mm D > 1 mm

Coeciente a 51 44 36

Para un diámetro de partícula de 1 mm, por ejemplo, la velocidad recomendada por este criterio sería 36 cm/s ó 0.36 m/s. 3. Se determina el ancho de la cámara de sedimentación. Considerando las limitantes que opone la topografía de montaña, éste es un valor que muchas veces debe jarse de antemano, de acuerdo con las posibilidades del lugar. Normalmente no es factible económicamente jar un ancho de cámara muy distinto en exceso al ancho del canal, pero debe tratarse de usar el máximo ancho posible para no exigir una altura de cámara muy grande. 4. Se determina la altura de la cámara de sedimentación. Considerando que el material de sedimentación debe poder ser removido manualmente, la altura será un factor que

determine el grado de dicultad de ese trabajo. Por ello, conviene jarla en un valor no mayor a 1.20 m.

en el caso de sección rectangular H Q vd B

= altura de la cámara de sedimentación sedimentaci ón [m] 3 = caudal [m /s] = velocidad de escurrimiento escurrimiento [m/s] = ancho de la cámara de sedimentación [m]

Por condiciones de pared y considerando la formación de líneas de corriente, es recomendable vericar la relación:

5. Se calcula la velocidad de sedimentación. La velocidad de sedimentación está en función principalmente del diámetro de la partícula debido a que el peso especíco µ s de las tierras minerales es prácticamente invariable: entre 2.60 y 2.65. La tabla de Arkhangelski expone las velocidades de sedimentación para varios diámetros de partícula (Krochin 1978): Tabla 15.3. Velocidad de sedimentación según diámetro de partículas

D [mm] 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.70 0.80 1.00 2.00 3.00 5.00

vs [cm/s] 0.178 0.692 1.560 2.160 2.700 3.240 3.780 4.320 4.860 5.400 5.940 6.480 7.320 8.070 9.440 15.290 19.250 24.900

Si por determinadas circunstancias se debe considerar al ujo como turbulento (Re > 2000), la fórmula para calcular la velocidad de sedimentación en tales condiciones es la expresión de Newton:



=

vs gs g D C

(

1)

4 3

= velocidad de sedimentación sedimentaci ón [cm/s] = peso peso especíco especíco de las las partículas partículas [g/cm3] = aceleración de la gravedad [m/s 2] = diámetro de las partículas [cm] = coeciente de resistencia resistenc ia de los granos; c=0.5 para granos redondos

6. Se calcula el tiempo de retención. El tiempo que demorará la partícula en caer desde la supercie al fondo (el caso extremo) será: =

ts = tiempo de retención [s] 7. Se calcula la longitud de la cámara =

L = longitud de la cámara [m] K = coeciente de seguridad K es un coeciente de seguridad usado en desarenadores de bajas velocidades para tomar en cuenta los efectos de la turbulencia y depende de la velocidad de escurrimiento de acuerdo a la siguiente tabla: Tabla 15.4. Coecientes de seguridad K

Velocidad de escurrimiento (m/s) 0 . 20 0 . 30 0 . 50

K 1. 25 1. 50 2. 00

8. Se calcula la transición de entrada. La transición debe ser hecha lo mejor posible considerando que la eciencia de la sedimentación depende en gran medida de la laminaridad del ujo y de la uniformidad en la distribución de velocidades en la sección transversal. Para el cálculo de su longitud se puede utilizar el criterio de Hinds:

LT = longitud de la transición transició n [m] T2 = espejo de agua en la cámara de sedimentación [m] T1 = espejo de agua en el canal de entrada [m]

15.2.1 Ejemplo de cálculo Un canal rectangular de 0.6 m de ancho, transporta agua desde la toma con un caudal de 0.5 m 3/s. Diseñar un desarenador para atrapar atra par el material en suspensión que excede exced e el diámetro de 1.5 mm.

1. 2. 3. 4.

El diámetro de la partícula más pequeña que se desea atrapar es 1.5 mm La velocidad de escurrimiento escurrimient o V d será igual a Se elige un ancho de cámara igual B = 1.00 m La altura de la cámara de sedimentación, sedimentació n, cuya sección se ha decidido sea rectangular, será:

La relación B/H queda en 1.00/1.15 = 0.87 5. La velocidad de sedimentación para el diámetro de 1.5mm es, de acuerdo a la tabla:

6. El tiempo de retención será:

7. La cámara deberá tener entonces una longitud mínima de:

el valor de K ha sido tomado de la tabla, interpolando entre los valores de 0.30 y 0.50 de velocidad de ujo:

8. La transición transició n de entrada tendrá una longitud mínima de:

15.3 Situaciones que conviene evitar 

El desarenador, teniendo en cuenta la magnitud del caudal sólido que conducen las fuentes en los sistemas de montaña, es la estructura que necesita mayor frecuencia de limpieza. La falta de limpiezas regulares provoca su pronta inoperabilidad.



Figura 15.6. Desarenador inoperable por falta de limpieza 

En desarenadores con compuerta de fondo, debe evitarse que la descarga pueda provocar erosión a su paso hacia el cauce natural. Esa erosión normalmente perjudica también a la propia estructura, comprometiendo su estabilidad.



En sistemas con captación directa de una fuente torrencial, como es el caso de los sistemas que aprovechan el agua que eventualmente corre por una quebrada para embalsarla en estanques o atajados, no tiene sentido práctico emplazar un desarenador inmediatamente después de la toma. La cantidad de material sólido sól ido que ingresa es capaz de copar la capacidad del desarenador en unas pocas horas. Es preferible en esos casos ahorrar en esa estructura y considerar al canal en su primer tramo como una primera trampa del material sólido que no debe ingresar en los estanques. Luego, antes de cada estanque deberá emplazarse un pequeño desarenador cuya manutención podrá ser mejor realizada por el usuario o grupo de usuarios que aprovechan ese estanque.

16 CAPÍTULO

VERTEDEROS LATERALES

Figura 16.1 Vertedor lateral lateral en funcionamiento

16.1 Descripción y ubicación Un vertedero lateral consiste en una escotadura hecha sobre la pared de un canal para evacuar el exceso de agua mediante un ujo transversal hacia una estructura de drenaje. Ese exceso de agua puede tener su origen en crecidas imprevistas de la fuente, captación de agua adicional captada desde las laderas, obstrucciones en el canal y problemas en la operación de compuertas. Para evitar los daños que en el sistema pueden provocar los caudales en exceso, especialmente en sistemas de montaña donde las pronunciadas pendientes del terreno en combinación con el agua que rebalsa de los canales pueden producir efectos devastadores, se disponen estructuras de desfogue como los vertederos laterales en puntos críticos como:     

Aguas abajo abajo de la obra de toma, particularmente particularmente cuando cuando el agua agua es captada por gravedad gravedad de los ríos. En puntos intermedios del canal principal y de los secundarios, especialmente en canales con gradientes elevadas y aguas abajo de quebradas que pueden aportar un caudal adicional. Aguas arriba de estructuras estructuras que tienen una capacidad capacidad limitada de conducción conducción como canales tapados, acueductos, tuberías de conducción y sifones invertidos. Aguas arriba de sectores riesgosos del canal, como un tramo construido sobre un relleno elevado. Aguas arriba de las las bifurcaciones, si no existen medios medios para regular o bloquear bloquear el ujo hacia los canales que siguen.


194

Figura 16.2. Vertedero lateral en perspectiva y en corte


Aparte de vertederos laterales puede usarse vertederos - sifón para el desagüe de un caudal excedente. Estas estructuras reaccionan más rápidamente a los incrementos de nivel de agua, porque aprovechan la diferencia de altura entre el nivel de agua del canal y el nivel del dren. Los vertederos comunes solamente reaccionan al nivel del agua sobre la cresta, pero son obras más robustas y que no requieren un cuidado especial. Figura 16.3 Vertedero–sifón

El vertedor-sifón consiste en un conducto cerrado en forma de U invertida, un tubo de ventilación y un cuenco disipador. La sección del conducto puede ser rectangular. Cuando el nivel de agua del canal excede el nivel de la cresta del sifón, la descarga inicial es la de un vertedero lateral. Cuando el nivel del agua del canal alcanza la entrada del tubo de ventilación, obstruye el ingreso de aire por allí, y el sifón empieza abruptamente a trabajar a pleno. Esa es precisamente una ventaja de este tipo de aliviaderos: operan automáticamente evacuando un gran caudal. Otra ventaja es que comienzan comienz an a operar con solo un pequeño incremento del nivel nive l de agua en el canal y luego mantienen una descarga casi constante e independiente del nivel de agua en el canal. Esto permite un bordo libre mínimo que se constituye en una ventaja económica del vertedero sifón por el ahorro de altura en las paredes del canal (Yoder, 1994). Los problemas del sifón son su mayor dicultad constructiva y la alta velocidad de salida del ujo evacuado 1, factor clave en el manejo de ujos de drenaje en zonas montañosas, muy susceptibles a la erosión. Por ello, en lo que sigue solo se tratan los vertederos laterales. 1 La velocidad de salida de un sifón sifón está gobernada por la expresión v=(2gh) v=(2gh)0,5, es decir, para una altura de 1 m por ejemplo, la velocidad alcanza aproximadamente los 4.5 m/s.

En algunos sistemas puede optarse por eliminar el bordo libre en algún acueducto con el objeto de convertir sus paredes en vertederos laterales de gran capacidad. Sin embargo, hay que asegurar que los sobreujos se evacuen directamente a las quebradas o ríos. El empleo de esta solución debe ser cuidadosamente evaluado, considerando riesgos de erosión en el lecho receptor y sus consecuencias sobre las fundaciones del acueducto. Es posible aprovechar la estructura del vertedero para instalar una estructura de derivación total del agua con la ayuda de una compuerta transversal y otra lateral. De esta forma el aliviadero puede ser aprovechado para interrumpir el servicio en el sistema en caso de ser necesario, ya sea para reparaciones o casos de emergencia.

Figura 16.4 Vertedero de excedencias con compuerta de emergencia en obra de toma

16.2 Diseño hidráulico El diseño hidráulico de un vertedero consiste en determinar la altura de la cresta del vertedero dada una cierta longitud, o bien calcular la longitud del vertedero lateral para que derive un caudal determinado. Este es un problema de ‘ujo espacialmente variado’ que implica dicultades en su desarrollo analítico con la aplicación de las ecuaciones de Energía y Cantidad de Movimiento. Por ello se recurre a fórmulas semi-empíricas utilizando el criterio de ‘energía especíca’ constante. Aquí se presenta un método con la advertencia de que para su correcto empleo deben considerarse considerarse las siguientes restricciones: • • • • •

El régimen del canal es subcrítico, inmediatamente antes e inmediatamente después del vertedero. La cresta del vertedero lateral es horizontal. El canal es rectangular y de ancho constante. La energía especíca en el canal a lo largo del vertedero es constante. El perl de la lámina vertiente es lineal.

Para el cálculo deben conocerse las siguientes variables: • • • • • •

Caudal máximo en el canal inmediatamente antes del vertedero, Q. Caudal que debe evacuar el vertedero, Qv. Ancho del canal, canal, b Pendiente del canal, S. Rugosidad Manning del canal, n. El coeciente Cd, de descarga del vertedero.



Figura 16.5 Vertedero lateral en régimen subcrítico

1. Se calcula el tirante en el canal antes del vertedero. El tirante normal se determina dando valores a yn1 hasta que coincidan los valores de las expresiones:

A R Q n S yn1

= área hidráulica hidráulica [m2] = radio hidráulico [m] = caudal [m3/s] = coeciente de rugosidad = pendiente de la solera de canal [m/m] = tirante normal aguas arriba del vertedero [m]

2. Se verica el estado del ujo antes del vertedero. El tirante normal antes del vertedero debe cumplir:

g = aceleración de la gravedad [m/s 2] 3. Se calcula el tirante en el canal luego del vertedero. El tirante normal se determina dando valores a yn2 hasta que coincidan los valores de las expresiones:

Qv = caudal caudal por verterse [m3/s] 4. Se verica el régimen luego del vertedero. El tirante normal después del vertedero debe cumplir:

yn2 = tirante normal aguas abajo del vertedero [m]

5. Se calcula el tirante y1. El tirante en el comienzo del vertedero se consigue dándole valores a y1 hasta que se satisfaga la ecuación de la energía entre los extremos del vertedero:

y1 = tirante tirante abatido al inicio del vertedero [m] 6. Se calcula la altura de la cresta del vertedero. Para una determinada longitud L. la altura de la cresta del vertedero se calcula mediante iteración, dándole valores a s hasta que se verique la igualdad:

S = altura de la cresta [m] Cd = coeciente de descarga descarga de la cresta; Cd = 1.84 para cresta aguda, 1.9 para cresta de borde rectangular (caso más común), 2 para perl Creager L = longitud l ongitud de cresta [m] 7. Se calcula la la longitud de de la cresta. Si la la incógnita es es la longitud dada una cierta cierta altura de cresta s, el cálculo consiste en valorizar la expresión:

16.2.1 Ejemplo de cálculo Determínese la altura de la cresta de un vertedero lateral en un canal que debe conducir un máximo de 200 l/s y para el que se espera que ingrese un caudal en exceso de hasta 100 I/s. El canal tiene un ancho de 0.5 m, una pendiente de 1 por mil y una rugosidad n = 0.015. Por limitaciones topográcas, la longitud de la cresta no puede exceder de 1.5 m. Considerar borde de cresta rectangular. 1. Se determina el tirante normal aguas arriba del vertedero dándole valores a yn1 hasta que la expresión:

sea igual

esto se consigue con y n1 =0,8515 m aproximadamente. 2. Se verica que el régimen es subcrítico subcrític o en vista que:



3. El tirante normal aguas abajo de vertedero se determina dando valores a yn2 hasta que coincidan los valores de las e xpresiones:

lo cual se consigue con yn2 =0.6026 aproximadamente. 4. El tirante normal después del vertedero debe cumplir:

5. El tirante en el comienzo del vertedero se consigue dándole valores a y1 hasta que se satisfaga la ecuación de la energía entre los extremos del vertedero:

de donde resulta y1 =0.5682 m , aproximadamente 6. Se dan valores a s hasta que se verique la igualdad:

de ahí, s = 0.4478 m aproximadamente, que se redondea a 0.45 m. 7. Si se hubiera elegido una altura de cresta s de 0.4478 m, el cálculo luego del paso 5 debiera haber sido:

16.3 Situaciones que conviene evitar •

En los sistemas de montaña es peligrosa la falta de atención para incluir vertederos de excedencia, especialmente en los canales en los que ingresa agua que escurre por las laderas de las montañas. En consecuencia, algunos canales en ladera reciben más agua que la que pueden conducir, lo que resulta en rebalses, especialmente en las curvas y en tramos donde hay una reducción de pendiente o un aumento de la rugosidad.

199

Figura 16.6. Canal llevando agua hasta el borde (izq.), con rebalses en las curvas (der.) A lo largo del canal hay problemas de erosión que ponen en riesgo la estabilidad del mismo

•

Donde existen vertederos, muchas veces no se presta la atención suciente a crear una ruta segura de desagüe. Como suelen ser instalaciones en ladera, la insuciente protección del caudal de desagüe ocasiona procesos de erosión, que a menudo ponen en riesgo la estabilidad del canal entero. En especial se observan deciencias en el desagüe antes de acueductos o sifones, donde el mínimo descuido en el trayecto de las excedencias puede comprometer las fundaciones de las estructuras.

• En muchos sistemas, los usuarios no entienden la racionalidad de incluir vertederos en el diseño. Los ven como puntos de desperdicio de agua, en vez de estructuras de seguridad. Para evitar los ‘desperdicios’ anulan el vertedero aumentando la altura de su pared. Es necesario capacitarles capacita rles en cuanto al funcionamiento de los vertederos y de las consecuencias de anularlos. La experiencia demuestra que es útil demostrarles los efectos con ejemplos de rebalses controlados.

Figura 16.7 Vertedero tapado por usuarios para aumentar el caudal en el canal


17 CAPÍTULO

PASOS DE QUEBRADAS

Figura 17.1 Paso superior sobre canal

Los canales de riego en sistemas de montaña normalmente siguen el contorno de las laderas y tienen que cruzar muchos drenes naturales como arroyos y quebradas que aportan agua al el sistema. En la región andina, normalmente esa agua escurre con excesiva velocidad y lleva una cantidad de material de arrastre en épocas durante las que la captación desde las fuentes normales es más que suciente. El agua excedente es una amenaza para la integridad de las obras del sistema de riego. Por ello, en el riego de montaña se necesitan estructuras de drenaje transversal, que conduzcan esas aguas por debajo o por encima del canal, con el n de evitarle daños al sistema.

17.1 Pasos Superiores 17.1.1 Descripción y ubicación. Un paso superior 1 es una estructura que conduce el agua no deseada por encima del canal. Se compone de paredes y base de connamiento del ingreso, paredes y losa sobre el canal, paredes y base de connamiento del egreso y disipador. Las paredes de connamiento del ingreso guían el torrente hacia el punto de cruce y la base guía al torrente al nivel de la losa sobre el canal.

1 Se adopta este nombre a falta de un término español estandarizado que dena lo que en inglés se conoce como superpassage.



Figura 17.2 Paso superior en perspectiva, en planta y en corte transversal

La losa sobre el canal protege a éste del torrente a la vez que puede funcionar como puente para personas y animales de crianza. Debe ser calculada para esas solicitaciones además de su peso propio y el material de arrastre que pueda depositarse encima. Es recomendable que la losa mantenga una pendiente suciente (del orden del 10% o igual a la del lecho del torrente natural) descendiendo hacia aguas abajo, para evitar la disminución de la velocidad del torrente en ese punto, lo que ocasionaría el depósito de material de arrastre sobre la losa. La Figura 17.3 muestra un paso superior construido de troncos y ramas. Su operación misma le ha dado con el tiempo una conguración continua respecto de la pendiente de la quebrada. Eso es lo que se espera de un buen diseño de obra. Las paredes y base de connamiento del torrente que egresa, guían a éste en dirección y nivel para entregarlo otra vez al cauce natural no sin antes disminuir su velocidad por medio de un disipador a n de disminuir sus efectos erosivos. Adicionalmente Adicionalmente a la estructura misma, misma, en laderas laderas que que no cuentan cuentan con una una quebrada quebrada bien denida se excavan zanjas de coronación que concentran el agua hacia el paso superior, para evitar que el agua entre en el canal en un lugar no deseado.

Figura 17.3 Paso superior rústico

203

17.1.2 Diseño hidráulico El ancho b de la losa sobre el canal debe ajustarse a la capacidad de la estructura de ingreso de guiar la totalidad del torrente hacia el punto de cruce. Existen quebradas más anchas que otras y eso determina las dimensiones en planta del paso superior. Es decir, el ancho del paso superior y su alineamiento deben ser lo más cercano posible al ancho y alineamiento del cauce de la quebrada. La altura de las paredes sobre la losa estará en función de la cantidad de agua y material de arrastre arrast re que se prevé pueda llegar a uir luego de la lluvia más torrencial que se espe re. Para determinar ese dato, debe evaluarse la cuenca de cada torrente en particular considerando su supercie, pendiente y susceptibilidad a la erosión. En general, los pasos superiores se diseñan para cruzar el ujo de cuencas pequeñas, las que se denen como cuencas con un tiempo de concentración menor o igual a seis horas. Este tiempo de recorrido del ujo, canalizado por una red de cauces denidos, se puede estimar con la fórmula: (17.1) T = tiempo de concentración [s] L = longitud del dren principal de la cuenca [m] S = pendiente media de la cuenca [m/m] Para calcular el caudal máximo de una cuenca pequeña se aplica el Método Racional: (17.2) Q C i Ac

= caudal pico a la salida de la cuenca [m3/s] = coeciente de escorrentía = intensidad de la lluvia [mm/h] = supercie de de la cuenca [km2]

C es el coeciente de escorrentía, que es la relación entre la parte de la precipitación que escurre supercialmente y la precipitación total. El escurrimiento supercial es menor que la precipitación total al descontar factores como evaporación, evapotranspiración evapotranspiración y almacenamiento. almacenamiento. El valor de C está comprendido entre 0 y 1 y depende de la morfometría de la cuenca (principalmente su área, longitud del cauce principal, forma, pendiente del cauce y pendiente de las laderas) y de su cobertura. Para una misma cuenca depende además de la duración de la lluvia: para las lluvias largas el coeciente es superior al de las lluvias cortas. Para el caso de los torrentes andinos C oscila entre 0.20 y 0.30 para lluvias cortas, pero se recomienda asumir un c igual a 0.50 para lluvias largas. La intensidad i se dene como el volumen de precipitación por unidad de tiempo, expresado en milímetros por hora (mm/h). Se estima sobre la base de los registros de la zona, pero teniendo en cuenta la variabilidad del régimen climático entre una microcuenca y otra (una de las características característ icas de la zona andina), conviene conrmar esa información con la consulta a los residentes en el área. Asumido un caudal Q y una velocidad y para para el ujo, ujo, el el alto alto de las paredes se ajustará ajustará simplemente simplemente con la expresión:

h = altura de las paredes laterales [m] b = ancho del paso superior [m] v = velocidad velocidad del ujo [m/s]



A la altura calculada, hay que añadir un bordo libre de h/3. Por razones de seguridad se recomienda recomienda una altura mínima de las paredes de 0.40 m.

17.1.3 Aspectos constructivos El aspecto más crítico a tener en cuenta para el diseño y construcción de un paso superior, es la capacidad erosiva erosiv a de los torrentes de montaña. La violencia violenci a con que el agua y el material de arrastre impactan estas estructuras exige un buen anclaje de sus fundaciones y una suciente resistencia a los esfuerzos de corte. Los problemas que se han detectado en este tipo de estructuras presentes en casi la totalidad de los sistemas de riego en los valles interandinos, se deben a la subestimación del poder erosivo del agua en las quebradas transversales al canal que se desea proteger. Además, debe tenerse en cuenta que una obra de drenaje lateral como el paso superior, superior, representa un obstáculo puntual en el ujo del torrente, por lo general cambiando su pendiente a una menor y provocando después un desnivel entre el agua que egresa de la estructura y el lecho del cauce natural al que se devuelve el ujo. Este salto necesita ser disipado ecientemente para evitar daños en la base de la estructura de connamiento de egreso. La estructura de disipación más recomendable es el colchón de agua, cuya profundidad y longitud pueden estimarse sobre la base de los mismos criterios que se recomiendan recomiendan para las estructuras de caída vertical (Capítulo 9).

Figura 17.4 Paso superior (visto desde aguas abajo) con disipador y encauce de salida

Los gaviones son otra solución económica y efectiva para guiar el ujo torrencial hasta el ingreso y el egreso de la estructura de paso. También de gaviones puede construirse el colchón disipador. Sin embargo hay que tener presente que la facilidad con que las piedras que arrastra el torrente afectan el enmallado de alambre. No es recomendable recubrir el engavionado con una capa de hormigón por cuanto se combinarían una estructura exible (gavión) con una estructura rígida (hormigón) haciendo esta última muy propensa a la rotura. Para mitigar el daño que provocan las piedras sobre el alambre conviene cubrir las partes del engavionado más expuestas, atando al enmallado, troncos, ramas, o hatos de paja que amortigüen y distribuyan la energía del impacto de las piedras sobre la estructura. Esta solución soluci ón es fácil y muy económica, pero requiere mantenimiento regular por parte de los usuarios.

205

Figura 17.5 Paso superior con paredes de gaviones gaviones

17.1.4 Situaciones que conviene evitar •

No debe descuidarse la limpieza del encauzamiento hacia el paso superior ni de su salida. Cualquier obstáculo (arbustos, piedras grandes, etc.) puede provocar el desvío del torrente hacia lugares distintos del paso superior.

Figura 17.6 Paso superior con cauce de ingreso y de egreso parcialmente obstruidos

•

Al construir un paso superior por encima de un canal cuyas paredes se elevan por encima del terreno, se genera automáticamente una caída vertical al nalizar el paso superior. Hay que construir una estructura de disipación que evite erosión de la ladera aguas abajo.

Figura 17.7 Daño aguas abajo de un paso superior



17.2 Alcantarillas 17.2.1 Descripción y ubicación Una alcantarilla, es una estructura que conduce el agua no deseada proveniente de una quebrada o una ladera, por debajo del canal. Generalmente este tipo de estructura reduce el cauce de la corriente ocasionando un represamiento del agua a su entrada y un aumento de su velocidad dentro del conducto y a la salida.

Figura 17.8 Alcantarilla de hormigón

Debido a que el diámetro de la alcantarilla con relación al ancho del cauce del torrente suele ser reducido, se necesita una estructura de transición que disminuya los cambios de velocidad y prevenga la erosión. Dependiendo del material del que se construya la estructura de transición, se ja la velocidad admisible a través de la tubería. Figura 17.9 Alcantarilla en corte longitudinal, planta y corte transversal

Cuando se trata de quebradas importantes, la solución adoptada es nalmente un acueducto, pero cuando debe salvarse una depresión de poca profundidad pero sí extensa en longitud transversal, es más conveniente disponer de tubos dispuestos debajo del canal, transversalmente a éste.

Figura 17.10 Alcantarilla de tubo

En laderas con saturación de agua y/o un ujo de drenaje interno perpendicular al canal, en caso de canales revestidos o de hormigón, se recomienda aplicar un sistema de drenaje por debajo del canal para permitir la salida libre del agua y así evitar que la presión hidrostática empuje las paredes del canal. El drenaje se logra construyendo el canal encima de una cama de piedras (a la manera de una vía férrea sobre material de balasto) o colocando, a distancias regulares, tubos por debajo del canal. La alcantarilla es una estructura compatible con el vertedero lateral. Ambas estructuras deben descargar de manera segura y controlada, caudales no deseados para el sistema de riego. La Figura 17.11 muestra una conguración de este tipo.

Figura 17.11 Alcantarilla combinada con vertedero de excedencias

17.2.2 Diseño hidráulico De igual manera que para los pasos superiores, se estima el caudal que escurrirá hacia el canal en cierto lugar de una cuenca, teniendo en cuenta la intensidad y duración de la máxima precipitación probable, además del área de la cuenca. Una vez estimado el caudal se calcula el número de tubos que hace falta para conducirlo al otro lado del canal.



Antes es necesario tomar la decisión sobre el diámetro de los tubos a emplear. Uno o dos tubos de diámetro grande pueden ser mejores (si se adaptan a las condiciones topográcas) que varios tubos de diámetro menor, porque los tubos grandes facilitan la limpieza y el mantenimiento. Para elegir el diámetro de las tuberías, hay que tener en cuenta la velocidad del ujo permisible a la salida, que depende del tipo de transición. La velocidad admisible para transiciones de tierra es 1.0 m/s y para transición de hormigón 1.5 m/s. Usando estos valores, se determinan los caudales de paso para tuberías de distinto diámetro, resumidos en la Tabla 17.1. Tabla 17.1 Caudales de paso para tubos de distinto diámetro (Villón, 2000)

Transición de tierra vmax= 1.06

Transición de hormigón vmax = 1.52

Caudal [m3 /s] 0.00 - 0.07 0.07 - 0.12 0.12 - 0.17 0.17 - 0.23 0.23 - 0.31 0.31 - 0.39 0.39 - 0.48 0.48 - 0.59 0.59 - 0.70 0.70 - 0.82 0.82 - 0.95 0.95 - 1.09 1.09 - 1.24 1.24 - 1.40 1.40 - 1.57 1.57 - 1.75 1.75 - 1.94 1.94 - 2.14 2.14 - 2.35 2.35 - 2.57

Caudal [m3 /s] 0.00 - 0.11 0.11 - 0.17 0.17 - 0.25 0.25 - 0.34 0.34 - 0.44 0.44 - 0.56 0.56 - 0.69 0.69 - 0.84 0.84 - 1.00 1.00 - 1.17 1.17 - 1.36 1.36 - 1.56 1.56 - 1.77 1.77 - 2.00 2.00 - 2.25 2.25 - 2.51 2.51 - 2.78

Diámetro de la tubería Pulgadas 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 63 66 69

Centímetros 30.4 31.8 45.7 53.3 60.9 68.5 76.2 83.8 91.4 99.0 106.6 114.3 121.9 137.1 144.7 152.4 160.0 167.6 175.2 182.8

Con el diámetro D elegido se calcula el área A de la tubería:

(17.4) A = área de la tubería tubería [m2] D = diámetro diámetro de la tubería [m] Además debe jarse la altura de agua permisible a la entrada, que es igual al diámetro del tubo más una y media veces la altura de velocidad en la alcantarilla:

209

Con este valor y con el nivel del agua a la entrada de la alcantarilla (NA EA), se calcula la cota que debe tener la elevación del fondo de la tubería al inicio de la alcantarilla (Cota B): COTA B = NAEA - Hmax Se recomienda darle a la alcantarilla la misma pendiente que el cauce natural del torrente. En ningún caso esta pendiente deberá ser inferior a 5 por mil, para garantizar su autolimpieza.

17.2.3 Aspectos constructivos Al igual igual que lo indicado indicado en en el capítulo de Tuberías Tuberías deben observarse ciertos detalles detalles constructivos, como la disposición de una cama de asiento de material granular no, un ancho de trinchera relacionado con el diámetro del tubo, una altura de cubierta relacionada con el tipo de cargas exteriores y la resistencia del tubo, y un cierto grado de compactación del material de relleno. Estas características, esquematizadas en la Figura 17.12 son provistas por los fabricantes para cada tipo de tubería en especial. Figura 17.12 Esquema de colocación de tubo debajo de un canal

Normalmente se exige que la cama de asiento sea rellenada con material seleccionado compresible no, tal como arcilla limosa o greda y compactado en capas que no excedan los 15 cm de espesor. Cuando se deban colocar tubos con uniones tipo espiga-campana, se dejarán hendiduras en el material de fundación, de un ancho suciente para acomodar la cabeza (campana) del tubo. La compactación del relleno lateral debe ser efectuada en forma simultánea a ambos lados del tubo. La protección del encamado contra la acción erosiva del torrente está a cargo de los cabezales, normalmente construidos de mampostería de piedra o de hormigón ciclópeo. En la mampostería de piedra debe cuidarse que las piedras tengan un diámetro medio de 30 cm, que las piedras frontales sean labradas de modo que se obtengan líneas de asiento y juntas, que las supercies de juntas en las piedras frontales formen un ángulo no inferior a 45° con las supercies de asiento y tengan espesores no inferiores a 20 cm.



17.2.4 Situación que conviene evitar •

El problema más frecuente es el azolvamiento de la alcantarill a por el depósito de material en la zona de transición de entrada, dentro del paso mismo o en la zona de salida. Normalmente ese taponamiento es resultado de un deciente manejo de las pendientes en la estructura, principalmente en la salida de la misma.

Figura 17.13 Alcantarilla azolvada

17.3 Estabilización de torrentes La energía de un ujo de agua concentrado por una cuenca está en directa relación con las pendientes de los lechos sobre los que escurre. Esa energía del ujo es sinónimo de erosión en la cuenca y en todo obstáculo que se opone a su paso. Si los torrentes, por su pronunciada pendiente y gran caudal, erosionan su cauce y ponen en riesgo la estructura de paso de quebrada, es necesario controlar la energía del agua, empleando elementos que disminuyan su velocidad y disipen gran parte de su energía en lugares determinados y protegidos. Cualquier tratamiento de manejo de aguas debe iniciarse en las cabeceras, para evitar que el agua procedente de las partes altas se siga concentrando en la quebrada y ocasione la ampliación de la misma. Los trabajos de manejo de aguas tienen el objetivo de reducir el escurrimiento supercial del agua en las laderas, a través de zanjas de inltración o de desviación (a base de piedras o a base de callapos) y muros de piedra que también permitirán la retención del material en arrastre. Estos se ubican de manera intercalada de acuerdo con la pendiente y las características hidrológicas de la quebrada (PRONAR, 2002). En la zanja misma, los trabajos tendrán por objeto disminuir la velocidad del agua mediante diques transversales de contención, colocados en forma escalonada a lo largo de las quebradas. Este sistema consiste en construir una secuencia de presas permeables en las gargantas de las cuencas para propiciar la retención de sedimentos. Las presas no solo retienen los sedimentos, sino que además reducen la pendiente promedio del cauce, disminuyendo considerablemente la capacidad del torrente para transportar sedimentos y piedras de gran tamaño, como muestra la Figura 17.14. Los diques pueden construirse de piedra, de gaviones, o de madera, tipo Krainer, simples o dobles (PRONAR, 2002).

Figura 17.14 Estabilización de un torrente con presas escalonadas


En aquellas quebradas donde los torrentes transportan peñones grandes, se suele construir una primera presa abierta que solamente retiene los peñones y deja pasar los sedimentos, los cuales son retenidos en las presas aguas abajo. Dadas las grandes cantidades de peñones depositados por los ujos torrenciales, se propone aprovechar este material para hacer las presas de gaviones. Figura 17.15 Presa de gaviones con disipador de energía para la corrección de torrentes

Cuando la obra de gaviones corresponda a un dique, los gaviones deben ser enterrados entre 0.25 y 0.6 metros y empotrados en los taludes laterales entre 0.4 y 0.6 metros, según el tipo de suelo. Para aumentar la capacidad de retención de sedimentos, la cara aguas arriba de los paralelepípedos se puede cubrir con un tipo de “malla de sombra” de polietileno (mínimo 80% de cobertura) u otra de similar calidad. Para proteger la estructura de un eventual socavamiento, se construye un pequeño terraplén en su parte posterior. Para evacuar la descarga, de acuerdo con el caudal máximo estimado, y amortiguar el golpe de las aguas vertidas, se construye un vertedero de sección trapezoidal o rectangular cuya longitud debe ser lo mayor posible para evitar la concentración de energía en poco espacio, lo que le daría mayor capacidad de erosión al chorro que cae luego de pasar sobre el vertedero. Si se tiene el cuidado de que la estructura esté bien fundada, a una profundidad del orden de la propia caída, puede prescindirse de construir el colchón disipador, porque éste se formará solo por la acción del agua hasta encontrar su propio equilibrio.

A

213

ANEXO ANEXO

LA FUNCIÓN BUSCAR OBJETIVO DE EXCEL EN LA SOLUCIÓN DE PROBLEMAS HIDRÁULICOS Los problemas de cálculo en hidráulica tropiezan con la dicultad de tener que resolver ecuaciones complejas y/o no explícitas por métodos numéricos iterativos. iterativos. Por ello, antes de la aparición de las computadoras, varios investigadores desarrollaron distintas ecuaciones empíricas, diagramas y ábacos de uso muy popularizado en la práctica ingenieril. Las herramientas que provee el uso de máquinas calculadoras y computadoras, computadora s, al encargarse de los cálculos engorrosos y las iteraciones, permiten utilizar las ecuaciones mejor fundamentadas y así lograr mayor exactitud en el cálculo. Es posible encontrar soluciones a los problemas de cálculo iterativo recurriendo al empleo de fórmulas cuya valoración dependa de una casilla, la incógnita del problema, en la que puede digitarse varias veces el número que a la vista de los resultados, irá sugiriendo el resultado que se busca. Dos ejemplos ilustran su uso.

A.1 Cálculo del tirante normal de un canal Para encontrar el valor del tirante normal que tiene una conducción abierta, es necesario encontrar un valor de y tal que se cumpla la fórmula de Manning, que puede expresarse como:

A, es el área transversal del ujo; que en el caso de una sección rectangular es igual a b por y. R, es el radio hidráulico, para una sección rectangular igual a:

El segundo término de la ecuación depende de variables conocidas: el caudal Q, la rugosidad del canal n y la pendiente de la solera S, por lo que, el segundo término es de un valor conocido. El problema entonces, consiste en encontrar un valor de y con el que pueda conseguirse que la casilla primer término sea igual a la casilla segundo término. En la hoja de cálculo 1 de la Figura B7 hasta que la casilla diferencia A.1, esto se logra sencillamente sencillamente dándole valores a la casilla B7 (B13) entre (B13) entre un término y otro sea despreciable. Por ejemplo, si se tiene que encontrar el tirante normal para un canal rectangular de 0.60 m de ancho, con pendiente de 1% y rugosidad 0.020 que conduce un caudal de 300 litros por segundo, modicando el valor del tirante y hasta que la diferencia entre el primer término y el segundo sea despreciable, se llega al valor de 0.865 para el tirante normal. 0

1 Se considera el empleo del programa de hoja de cálculo: Microsoft EXCEL, incorporado en Microsoft Ofce Profesional Plus 2010 © Microsoft Corporation.


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Figura A1. Hoja de cálculo para cálculo del tirante normal en un canal


La iteración automática La herramienta Buscar Objetivo está disponible en el Microsoft EXCEL, en el grupo Herramientas de datos del menú Datos\Análisis y si\Buscar Objetivo. Permite encontrar el valor de una celda (celda variable) de tal manera que otra celda (celda objetivo) alcance determinado valor. Para resolver el problema anterior, basta con jar a B13 B13 como la celda objetivo que deberá llegar al valor cero buscando el valor de la celda B7 B7.. Luego de Aceptar, se llega a un valor más exacto de 0.861229 para el tirante normal.

Figura A.2 Pantalla de la herramienta Buscar Objetivo para determinar el tirante tirante normal

A.2 Cálculo del coeciente de fricción para tuberías El coeciente de fricción del que depende la pérdida de carga h f en las conducciones entubadas, está presente en ambos términos de la ecuación de Colebrook-White.

De manera similar al anterior, encontrar el valor de f, dados ε, D y Re, se reduce a ir probando con distintos valores de f hasta que ambos términos de la ecuación, cada uno en una celda, adopten valores muy parecidos. La herramienta Buscar Objetivo automatiza la iteración, poniendo a la casilla diferencia (entre uno y otro término) como celda objetivo que debe llegar a cero, cambiando la celda donde está el valor de f.

B ANEXO

MUROS DE SOSTENIMIENTO B.1 Descripción Los muros de sostenimiento son elementos constructivos para contener un terreno natural o un relleno articial. El emplazamiento de estructuras como los canales de riego y otras estructuras hidráulicas, sobre terrenos de gran pendiente y sin capacidad de autosoporte, hace necesaria la inclusión de muros de sostenimiento para proteger y garantizar su estabilidad. Por otra parte, existen en los sistemas de riego, estructuras cuyos elementos son desde ya muros de sostenimiento. Tal es el caso de las caídas verticales e inclinadas, los estanques de almacenamiento de agua, las paredes de un canal excavado o que soportan un relleno y otras. Cuando estas estructuras se emplazan sobre terreno excavado alterando su condición natural de equilibrio, actúan soportando las presiones ejercidas por el terreno alterado. En otros casos, los muros se construyen para prevenir futuros deslizamientos de terreno que aunque no ha sido alterado, es inestable por sí. Figura B.1 Nomenclatura de los componentes de un muro de sostenimiento

B.2 Tipos de muros de sostenimiento Los muros de uso más frecuente son:



B.2.1 Muros de gravedad Son muros de mampostería (de piedra o ladrillo), gaviones, hormigón simple u hormigón ciclópeo en los que la capacidad de contención se consigue cons igue con el peso propio del muro. Su comportamiento comportamie nto ante los empujes del terreno es similar al de una presa de gravedad ante el empuje del agua. La gran disponibilidad de piedra para mampostería o para hormigón ciclópeo que existe en la zona andina, hace que este tipo de muro sea el más económico aunque su altura esté limitada hasta unos tres o cuatro metros. Figura B.2 Distintos tipos de muro de gravedad

B.2.2 Muros ménsula o voladizo Normalmente construidos de hormigón armado, trabajan como un voladizo vertical sujetado por una losa base. El peso del relleno encima del talón contribuye a la estabilidad de la estructura. Normalmente el ancho del cuerpo sobre la base es una décima parte de la altura. El ancho de la base oscila entre 0.4H y 0.7H, y de ese ancho, un tercio corresponde a la puntera. El cuerpo se calcula como una losa sometida a la acción del empuje del relleno; se verica su resistencia a la exión, al corte y a la suración, según procedimientos de cálculo que aquí no se describen por ser ésta una alternativa poco práctica en el área rural andina. Figura B.3 Muro ménsula

217

B.2.3 Muros criba Son muros construidos de piezas huecas (normalmente de hormigón prefabricado o troncos ensamblados) que se rellenan con el propio suelo. A este tipo de solución pueden contribuir ecientemente ecientement e los neumáticos usados de automóvil, rellenados con tierra compactada e imbricados, como ladrillos en albañilería y escalonados con peldaños de 5 a 8 cm. El largo de esta obra es variable, pero la altura no debe sobrepasar los 1.5 metros y la pendiente del talud corresponde a 1: z, donde z = 0.4 a 0.8. Para reforzar biológicamente la obra se pueden sembrar semillas de especies herbáceas en la supercie rellena de los neumáticos.

B.2.4 El terreno contenido y su presión contra el muro Debe buscarse en la medida de lo posible que el material que contiene el terreno (llamado relleno porque normalmente debe excavarse el terreno natural para emplazar el muro y luego rellenar entre el trasdós y el terreno natural) debe ser granular no cohesivo (arenas, gravas) porque éste es el menos susceptible a la retención de agua y a la acción del congelamiento debido a su elevada permeabilidad. Rellenos de material cohesivo son inestables con el paso del tiempo y las condiciones externas inuyen grandemente sobre ellos, obligando a un diseño muy conservador y por ello costoso. El drenaje de los muros de sostenimiento evita la acumulación acumulac ión de agua intersticial y su consiguiente consiguie nte presión hidrostática sobre el paramento vertical. Sin embargo debe considerarse que la capacidad de drenaje no será suciente ante ujos torrenciales o deshielos súbitos, ambos fenómenos, comunes en los Andes. Se denomina empuje activo al que ejerce el material contenido por el muro contra el trasdós, tratando de alcanzar su estado natural de reposo, esto es, formando ciert o ángulo con la horizontal. Ese ángulo está relacionado con f, el ángulo de fricción interna del material. Se denomina empuje pasivo al que ejerce el terreno contra el muro como reacción ante una presión ejercida por el muro contra el terreno. Esto se da por ejemplo, cuando el muro es desplazado por el empuje activo y el terreno en el intradós se opone a ese desplazamiento. Es preferible no considerar en los cálculos el aporte del empuje pasivo, para no contar con una ayuda que puede ser modicada por el tiempo, los factores naturales o bien por el hombre. La magnitud de esas presiones fue determinada por Rankine y Coulomb, entre otros partiendo del concepto que, al igual que los líquidos, la presión ejercida por una masa granular de peso especíco y aumenta linealmente con la profundidad, pero es atenuada por la fricción interna del material y por la fricción entre el material y el muro. Figura B.4 Esquema de las presiones en un muro de sostenimiento

Ka . g . h



(B.1) Ea = empuje activo del terreno sobre el muro de un metro de longitud [kg] g = peso especíco del terreno que ejerce presión activa [kg/m3] H = altura del muro [m] Ka = coeciente del empuje activo El coeciente del empuje activo Ka tiene en cuenta el ángulo de fricción interna del suelo Φ, además del rozamiento entre el suelo y muro δ, la inclinación del trasdós α 2 y del relleno β. Cuando sobre el terreno actúa una sobrecarga s [kg/m 2] se asimila la sobrecarga a una capa equivalente del mismo terreno con peso unitario g con una altura de: (B.2) hs s α2 β

= altura virtual de relleno que ejerce sobre el muro la misma presión que la sobrecarga [m] = sobrecarga [kg/m2] = ángulo que forma el trasdós con la horizontal = ángulo que forma el relleno con la horizontal

y el empuje activo que incluye el efecto de la sobrecarga es: (B.3) Que actúa a una altura respecto de la base, de (B.4) YE = distancia vertical de la base al punto de aplicación de Empuje Activo [m] K = Constante de cálculo

Para tener en cuenta el efecto del agua cuando se inltra, se debe agregar a la presión del terreno seco, la presión hidrostática del agua que se acumulará hasta una altura Ha desde la base del muro. En ese caso, el peso especíco del relleno por debajo del nivel de agua deviene en peso especíco sumergido gs y el empuje activo tomará el valor de:

Ha = altura de relleno saturado [m] gs = peso especíco del relleno sumergido [kg/m 3] Actuando a una una altura sobre sobre la base igual igual a:

219

El empuje activo tiene una inclinación respecto de la horizontal igual a 90º - α 2 + δ con sus correspondientes correspondientes componentes de la horizontal y vertical E h y Ev. Figura B.5: Esquema de presiones en suelo parcialmente saturado y con sobrecarga

Procedimiento de cálculo El cálculo de un muro de sostenimiento consiste en la repetición sucesiva de dos pasos: 1) el dimensionamiento dimensionamiento de la estructura en base a las necesidades técnicas, las limitaciones de espacio y la experiencia, y 2) el análisis de la estabilidad de la estructura frente a las fuerzas que tratan de desplazarla, voltearla y hundirla. Si el análisis no verica la estabilidad del muro, se modican sus dimensiones dimensiones y se efectúa un nuevo análisis. 1. Teniendo los datos del tipo de relleno, su inclinación β y la sobrecarga s que soportará, se determinan los valores correspondientes de peso especíco ɣ r seco, peso especíco sumergido ɣ s y ángulo de fricción interna. 1 Tabla B.1: Peso especíco y ángulo de fricción interna para distintos materiales

Clase de relleno Gravas Arenas gruesas gruesas y medias Arenas nas nas y limosas Limo inorgánico

ɣr [kg/m3] (seco) 1600 – 2000 1680 – 2100 1760 – 2160 1700 – 2000

ɣs [kg/m3] (sumergido) 960 – 1280 960 – 1280 960 – 1280 960 – 1280

1

35° – 50° 33° – 45° 27° – 34° 27° – 35°

2. Para el dimensionamiento dimensionamien to tentativo del muro se asumen valores de su altura H, el ancho de su base B, el coronamiento c, la dirección del intradós α 1, la inclinación del trasdós α 2, y 1 El rango de valores para cada material abarca abarca desde su estado suelto (menor valor de f ) hasta su estado denso o compacto (Mayor valor de f ).



las dimensiones ℓ 1, ℓ2, ℓ3, ℓ4, ℓ5, y ℓ6. Se elige el material del que estará construido el muro, al que le corresponde un peso especíco de ɣ m. Figura B.6 Características geométricas de un muro muro de sostenimiento

3. Se calcula el coeciente de empuje activo

El valor de d está comprendido entre 1/3 f y 2/3 f. 4. Se calcula el empuje activo y sus componentes.

5. Se calculan las longitudes ℓ 7, ℓ8, ℓ9, ℓ10, ℓ11 y las coordenadas del punto de aplicación del empuje activo sobre el trasdós.

Tabla B.2 Cálculo de longitudes de los componentes de un muro de sostenimiento

Longitud

Valor

ℓ7

ℓ8

ℓ9

K

YE

(Con la expresión B.6)

XE ℓ10

ℓ11

ℓ12 ℓ13 6. Se calculan el área transversal y peso del muro y de la porción de relleno que descansa sobre el muro, las distancias horizontales desde el punto O a sus centros de gravedad y el Momento que ejercen los pesos de muro y relleno respecto de ese punto. Para ello se dividen las áreas transversales de muro y relleno en varios segmentos de fácil cálculo.


222

Figura B.7 Segmentos para el cálculo de pesos, distancias y momentos


O

Tabla B.3. Pesos, distancias y momentos de cada segmento

Segmento 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Peso Pi [kg]

Distancia Xi [m]

Momento Mio [kgm]

223

10 11 12 13 Totales

P =S P Pii

Mpo = SPi×xi

7. Se calcula la abscisa del punto de aplicación de P sobre el terreno de fundación. Luego se calcula su excentricidad: excentricidad:

8. Vericación de la resistencia al desplazamiento. Se calcula la fuerza que resiste al desplazamiento: F = (P + Ev)×m m es el coeciente de rozamiento entre el suelo y muro. Puede tomarse el valor de:

La tabla siguiente da valores del coeciente de rozamiento para varios tipos de relleno: B.4 Coeciente de fricción para distintos tipos de relleno

Ti p o d e r e l l e n o R oc a s a na c o n s up e r f i c ie r u g os a Arena Are na o grava gra va sin s in partícu part ículas las finas, fin as, altamen alt amente te permeabl perm eable e Arena Are na o grava gra va con c on mezcla mezc la de limo, l imo, baja permeabi perm eabilida lidad d Arena Are na limos l imosa, a, arena are na y grava grav a con c on alto a lto contenid cont enido o de d e arcil ar cilla la Arcilla Arc illa media medi a o rígida ríg ida Arcilla Arc illa blanda, blan da, limo

µ 0.6 0.5 a 0.6 0 .6 0.4 a 0.5 0 .5 0.3 a 0.4 0 .4 0.2 a 0.4 0.2 a 0.3 0. 3

La relación entre la componente horizontal del empuje activo, que es la fuerza que trata de desplazar el muro, y la fuerza de rozamiento F que accionan el peso P y la componente vertical del Empuje activo Eav, debe ser:

Si esta condición no se verica, debe aumentarse las dimensiones del muro para lograr mayor peso y consiguiente fuerza de rozamiento. 9. Vericación de la resistencia al vuelco. Se calcula el momento de vuelco ejercido por el O: empuje pasivo horizontal respecto del punto O:



Se calcula el momento estabilizador de las fuerzas verticales (peso del muro, peso del relleno, empuje activo vertical y carga distribuida) respecto del punto O:

la relación entre el momento de vuelco y el momento estabilizador debe ser:

10. Vericación de la resistencia al hundimiento. Se calcula la excentricidad de la resultante de todas las fuerzas actuantes:

debe vericarse que:

para que la resultante de empujes y pesos pase por el tercio central de la base y en consecuencia, toda la fundación esté comprimida. Se calculan las presiones ejercidas sobre la fundación:

La capacidad de soporte del terreno debe ser mayor a una y media veces la presión máxima ejercida por la base del muro:

También debe vericarse que:

Ejemplo de cálculo Vericar la estabilidad de un muro de sostenimiento con las siguientes dimensiones: B=1.50 m, H=2.90 m, c=0.35 m, a1=a2=82º, β=0º, ℓ1 =0.10 m, ℓ2 =0.39 m, ℓ3 =0.35 m, ℓ4 =0.15 m, ℓ5 =0.35 m, ℓ6 =0.15 m. Tomar ɣ s =1800 kg/m3, f=38º, ɣm =2400 kg/m 3, sadm=2.5 kg/m2, d = 2×f/3= 25.3º, m = tan d =0.4734. El relleno soportará una sobrecarga de 3000 kg/m 2. 1. Peso especíco, peso seco y peso sumergido están dados en los valores indicados. 2. Se toman los valores valores indicados. indicados. 3. Cálculo de Ka

225

4. Calculo del empuje empuje activo y sus sus componentes: componentes:

5. Con la ayuda de la hoja de cálculo puede determinarse fácilmente las longitudes ℓ 7 a ℓ 13 y las coordenadas del punto de aplicación del empuje sobre el muro. 6. Cálculo de pesos, abscisas de centros de gravedad y momentos respecto del punto O. 7. La abscisa del punto de aplicación de P sobre el terreno de fundación y su excentricidad excentrici dad serán:

8. Se verica la resistencia resistencia al desplazamien desplazamiento: to:

9. Se verica la resistencia resistencia al vuelco: vuelco:

10. Se verica la resistencia al hundimiento:



Por último:

C

227

ANEXO

SIMBOLOGÍA S ímbol o A a% a Bl b C Cf Cv D D Dpe Dps E Ed Ee Eb e F F F f g H H h he hf hm hre hs hT Ke Ks km

Signicado área hidráulica hidráulica porcentaje de ahogamiento coeciente de decantación bordo libre ancho de plantilla de canal concentración de materia en suspensión coeciente de ujo coeciente de velocidad de aproximación diámetro número de Sieñchin proyección vertical del diámetro del ducto de entrada proyección vertical del diámetro del ducto de salida esfuerzo esfuerzo dinámico esfuerzo estático espesor de barra de rejilla profundidad del colchón disipador factor de forma de barras en rejilla exibilidad hidráulica número de Froude, F= (a∙Q∙T/g∙A3)1/2 factor de fricción aceleración de gravedad, 9.81 altura de columna de agua altura del borde del canal carga pérdida de carga por entrada al ducto pérdida de carga por fricción pérdidas menores pérdida de carga por rejilla pérdida de carga por salida del ducto pérdida total de tubería coeciente de pérdida en transición de entrada coeciente de pérdida en transición de salida coeciente de pérdida en accesorios de tubería

Unidad m2 % -m m Kg/m 3 de agua --m -m m kg/m2 kg/m2 kg/m2 m m ---m/s 2 m m m m m m m m m ----



L LT l m NA n P P p p q Q R r r c Re S S Sc sb T T tg fmax u V v vc y yc yn z z z1,2 b g ε q q r sadm t u f

longitud longitud de transición longitud de escalón en rápidas escalonadas talud, proyección de talud en lo horizontal nivel de agua coeciente de rugosidad en la ecuación de Manning perímetro mojado, P=A/R peso altura de cresta sobre solera del canal presión caudal especico caudal radio hidráulico radio radio de curvatura numero de Reynolds pendiente sensibilidad hidráulica pendiente critica espacio libre entre barras de rejilla ancho de espejo de agua tolerancia de prueba coeciente de fricción en anclajes exponente de carga diferencial volumen del estanque velocidad velocidad critica tirante de agua sobre nivel de solera tirante crítico tirante normal altura vertical en caídas altura entre entrada y salida del sifón invertido altura de sección de análisis en tubería ángulo entre salida del ducto y la horizontal peso especico rugosidad absoluta ángulo en tubería Angulo de talud densidad Esfuerzo admisible Fuerza tractiva Viscosidad cinemática Angulo de barras de la rejilla rejilla con la horizontal horizontal

m m m -m -m kg m 2 kg/m o kPa m2/s m3/s m ---m/m -m/m m m l/h --m3 m/s m/s m m m m m m -kg/m3 ---kg/m3 kg/cm2 N/m2 m/s2 --

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Riego Zonas Montanosas

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