criterios generales para el diseño de pequeñas obras

CRITERIOS GENERALES PARA EL
DISEÑO DE PEQUEÑAS OBRAS
HIDRÁULICAS PARA RIEGO Y
ABREVADERO
R. EDUARDO ARTEAGA TOVAR
2005
• La construcción de pequeñas obras hidráulicas
para riego y abrevadero, requiere de criterios y
normas especificas para elaborar los proyectos
que permitan inversiones económicas, estabilidad
mínima en las obras que garantice seguridad y
correcto funcionamiento.
• Los proyectos de pequeñas obras para usos
múltiples son: riego de auxilio a cultivos de
temporal, abrevadero para el ganado y agua para
el uso doméstico.
• Las normas tienen como objetivo facilitar el
trabajo de los ingenieros de campo, estableciendo
una guía de carácter práctico para resolver los
diversos problemas que suelen presentarse.
• Se enfoca principalmente el problema de los pequeños
almacenamientos por medio de la construcción de
bordos de tierra compactada, o bien de pequeños
diques de mampostería.
• Un pequeño proyecto considera tres criterios: Altura
del dique de contención, almacenamiento posible y
economía de la obra.
• La altura del dique es importante porque se ha
encontrado que se puede construir un bordo de tierra
compactada de sección homogénea hasta de 12 metros
de altura con, sección económica.
• Para alturas mayores requieren secciones mixtas o de
materiales graduados que encarecen la construcción.
• El almacenamiento varía entre 100,000 y 250, 000 m3, ya
que permiten un fácil manejo, no se requieren grandes
canales
de
conducción
y
pueden eliminarse
conducciones muy largas.
• Las derivaciones deben evaluarse con un criterio
semejante.
• Si las condiciones anteriores se satisfacen, el proyecto
será económico, en su construcción y en el manejo para
riegos de auxilio en pequeñas áreas de cultivo.
• Tratando de aprovechar los escurrimientos torrenciales,
con una operación adecuada puede suceder que el
bordo se llene hasta en varias ocasiones en el mismo
año.
• Los almacenamientos para bordos de
abrevadero deben ser menores y su
construcción debe proyectarse para que
sea lo más económico posible.
• Los lineamientos generales para la
elaboración de pequeñas obras para
riego y abrevadero, están basados en la
práctica universal, en los conocimientos
más comunes de la Ingeniería y en la
experiencia de programas desarrollados
en diferentes épocas en el país.
Etapas en la construcción
• Reconocimiento del sitio
• Estudios
Levantamiento Topográficos
Cuenca.
Vaso de almacenamiento
Zona de riego.
Boquilla.
Localización y trazo de canales
Sitios de derivación
Geológicos
Hidrológicos
Mecánica de suelos
I. RECONOCIMIENTO DEL SITIO
• Localiza el lugar probable para la construcción de una
obra.
• Recabar con los habitantes, el mayor número de datos
referentes a:
Época de lluvias
Magnitud de los escurrimientos por aprovechar
Caminos de acceso
Localización de probables bancos de materiales
Posibles afectaciones de propiedad y formas
viables de resolución
Aspectos legales de la obra y beneficios de la
misma, etc.
I. RECONOCIMIENTO DEL SITIO
• El ingeniero, deberá determinar el sitio probable
de la boquilla, su longitud, capacidad supuesta
del vaso, tipo de estructura más adecuada,
localización de la zona de riego dominada por la
obra y verificación de los datos proporcionados
por las personas del lugar.
• Deberá dibujarse un croquis que indique el sitio
de la obra, zona de riego, cultivos, vías de
comunicación, localización de bancos de
materiales y cualquier otro dato útil para el
proyecto.
II. ESTUDlOS
1. Estudios Topográficos
a). Levantamiento de la cuenca.
El levantamiento de la cuenca se hace para determinar su
superficie y la forma de concentración de las aguas, con el fin de
utilizar estos datos como base para el estudio hidrológico del
proyecto.
Para el levantamiento es necesario ubicar primero el parte aguas,
haciendo un recorrido del mismo y dejando señales en lugares
adecuados que servirán de referencia para los trabajos
posteriores.
Una vez localizado el parte aguas, se correrá una poligonal con
tránsito en toda su longitud, debiendo verificar su cierre. Se
trazarán las poligonales auxiliares necesarias, ligadas a la
perimetral, para localizar los cauces principales que determinen la
forma de concentración y pendientes generales de la cuenca.
La configuración se puede hacer con plancheta o
usando poligonales de apoyo, trazadas con tránsito
y estadía, que permiten obtener curvas de nivel con
2, 5 o 10 m de equidistancia, según la magnitud de
la cuenca.
Otros procedimientos para el levantamiento de las
cuencas pueden ser con tránsito y estadía que es
semejante, al anterior o bien, por triangulación con
plancheta. La precisión de estos levantamientos no
debe ser mayor de 1:100 y los cierres en las
poligonales de apoyo 1:500.
En casos de cuencas grandes se podrá obtener el
área y forma de los escurrimientos de un mapa
topográfico de una buena carta hidrográfica, cuya
escala no sea muy grande (1:50,000 o 1:20,000).
b). Levantamiento de vasos para almacenamiento
• Este trabajo se efectúa para determinar la capacidad
y el área inundada a diferentes alturas de cortina y
también para estimar las pérdidas por evaporación.
• Antes de iniciar el levantamiento topográfico, deberá
hacerse un reconocimiento ocular cuidadoso del
vaso, localizando puntos de referencia que faciliten el
trabajo.
• A partir de la margen izquierda del arroyo o río se
localizará
el
eje
probable
de
la
cortina,
monumentando sus extremos.
• Apoyándose en esta línea, que será la base de todos
los trabajos topográficos subsecuentes, se iniciará el
levantamiento del vaso en la forma que sigue:
b). Levantamiento de vasos para almacenamiento
• Partiendo de uno de los
extremos del eje de la
cortina,
previamente
orientado
en
forma
astronómica o magnética, se
levantará una poligonal con
tránsito y estadía, siguiendo
aproximadamente la cota del
nivel del embalse probable,
hasta cerrar la poligonal en el
punto de origen.
• Apoyándose
en
esta
poligonal,
se
trazarán
poligonales auxiliares a lo
largo del cauce o cauces de
los ríos y las necesarias para
el trabajo de configuración,
nivelándose
estas
poligonales con nivel.
b). Levantamiento de vasos para almacenamiento
•
Los planos deberán dibujarse a
una escala conveniente y la
equidistancia de las curvas de
nivel deberá fijarse de acuerdo
con la topografía del vaso, por lo
general a un metro de desnivel,
en caso de terrenos muy
accidentados podrá ser de dos
metros.
•
Se cubicará la capacidad del
vaso, aplicando el procedimiento
de las áreas medias, obtenidas
con planímetro.
•
Se construirá con estos datos la
curva de áreas-capacidades, la
cual deberá dibujarse en el
plano. Se incluirá en este, el
perfil de la boquilla, indicando
sus elevaciones.
c). Levantamiento de la boquilla.
•Localizado el eje probable de
la cortina, se trazará en el
terreno, (utilizando tránsito y cinta,
estacando cada 20 metros o menos,
de acuerdo con la pendiente e
inflexiones del terreno y se nivelará
con nivel fijo).
– Apoyándose en este eje y
empezando en la margen
izquierda para la configuración,
se
obtendrán
secciones
transversales de una longitud
por lo menos de cinco veces la
altura probable de la cortina,
tanto aguas arriba como aguas
abajo del eje, con objeto de
tener topografía suficiente en
caso de que sea necesario
mover el eje en el proyecto
definitivo.
•
Por separado debe
elaborarse un plano de
secciones transversales
que facilite la cubicación
de los materiales de la
cortina y la formación
de la curva masa
respectiva.
d). Levantamiento de la zona de riego.
• A partir del eje de la obra de
toma, señalado por medio
del cadenamiento en el eje
de la cortina, se llevará una
poligonal que circunde la
parte más alta del área de
riego probable.
• Esta
poligonal
deberá
cerrarse en el punto de
partida
para
que
analíticamente se determine
la superficie real. El plano se
dibujará a una escala de 1:
1000, señalando los linderos
de propiedades existentes,
apoyándose en poligonales
auxiliares si fuese necesario.
e). Localización y trazo de canales.
• Se puede aprovechar la
poligonal del levantamiento
de la zona de riego para
localizar sobre ella el trazo
de canales, respetando los
linderos de propiedades
existentes,
para
evitar
problemas legales.
• Los canales secundarios,
en caso de que sean
necesarios,
pueden
trazarse por las partes más
altas de acuerdo con la
topografía, para facilitar la
localización de las tomas, o
bien, de acuerdo con los
linderos
de
propiedad,
según ya se indicó.
Los puntos de inflexión deben
unirse
mediante
curvas
circulares simples, con grados
de curvatura no menores de
12; anotándose en el plano
todos los datos de las
mismas.
e). Localización y trazo de canales.
Una vez que se tenga estacado cada
20 metros el eje definitivo, se
nivelarán todas las estacas con
nivel fijo.
Sobre esta nivelación, para obtener
las cotas del terreno natural, se
trazarán secciones transversales
con nivel de mano para el proyecto
del canal.
El plano a escala de 1:1,000 deberá
contener el trazo en planta, el perfil
del terreno, el perfil de la rasante
de proyecto y los datos de cortes y
volúmenes de excavación, parcial,
por estación y acumulados.
Debe recordarse que para que el
canal pueda regar, el nivel libre del
agua deber ir unos 20 centímetros
por encima del nivel natural del
terreno por beneficiar, condición
ésta que influencia la pendiente
que se pueda dar al canal y su
trazo.
En el caso de canales de
conducción, el canal
puede
ir
totalmente
enterrado.
f). Levantamiento de sitios para derivación.
• Habrá casos en que un vaso
no tenga cuenca propia y
será necesario alimentarlo
mediante un canal que
conduzca el agua de otra
cuenca, o bien en otras
ocasiones
el
aprovechamiento se hará
directamente de un arroyo de
aguas permanentes o de un
manantial,
sin
previo
almacenamiento.
• En
ambos
casos,
será
necesario construir obras de
derivación para lo cual es
indispensable
hacer
el
levantamiento topográfico de
la zona elegida.
• Se empezará por colocar
un monumento en la
margen izquierda y otro en
la derecha que definan un
eje de apoyo iniciando el
cadenamiento en la margen
izquierda, se hará el
estacado y nivelación del
mismo eje que servirá de
base para las secciones
correspondientes, para el
trazo
de
poligonales
auxiliares y para efectuar la
liga con el eje del canal de
conducción, o de riego.
•
El dibujo en planta, servirá
como base para ejecutar el
proyecto de la obra.
2. Estudio Geológico
Desde el punto de vista geológico, en estas
obras las características de mayor interés para
el proyecto y construcción de las estructuras
son:
• La capacidad de carga del terreno de la
cimentación
• El grado de impermeabilidad del mismo y
• El efecto de la humedad sobre los estratos de
cimentación
Por lo que abarcará los siguientes aspectos:
a). Vasos de almacenamiento
•Deberán
identificarse
las
formaciones de rocas que
aparezcan en el vaso (ígneas,
sedimentarias o metamórficas)
y de ser posible las relaciones
que existan entre ellas.
•Deberán observarse con todo
cuidado los recubrimientos de
aluvión, de acarreos, los
ocasionados por derrumbes e
investigar
toda
clase
de
plegamientos (anticlinales y
sinclinales),
anotando
la
dirección del eje de los mismos
y examinando particularmente
las fallas, de las cuales se debe
apreciar su dirección y echado.
•Se pondrá especial cuidado en
observar la presencia de rocas
solubles,
yeso,
calizas,
etc.,
anotando la extensión y lugar que
ocupan en el vaso.
Se observará todo indicio de fallas
o agrietamientos que perjudiquen la
permeabilidad del vaso y que
puedan producir una disminución
acentuada del almacenamiento.
b). Boquilla
•
Se observarán las grietas en la
roca, determinando su anchura,
profundidad
y
condición
del
substrato, examinando si la masa
está dividida en bloques o si se
trata de roca maciza, tan solo
intemperizada
superficialmente,
para lo cual se harán las
exploraciones
que
sean
necesarias, mediante pozos a cielo
abierto, tanto en el fondo del cauce,
como en las laderas.
•
Cuando exista material de acarreo
en el cauce, deberá sondearse en
varios puntos del mismo, para
determinar el espesor y condición
del citado material.
•Si
la
boquilla
de
mejor
configuración topográfica, no
presenta condiciones geológicas
favorables, deberá elegirse algún
otro sitio, que aunque no reúna
las
mejores
condiciones
topográficas, pueda aceptarse
desde el punto de vista
geológico.
• En vista de la configuración del terreno y las condiciones
geológicas debe sugerirse la localización de la obra de
excedencias, observando si el canal de descarga necesita
o no revestimiento, tomándose en cuenta el poder erosivo
que adquiere el agua al estar funcionando la estructura y la
resistencia al desgaste que ofrezca el material descubierto.
• La obra de toma procurará localizarse de modo que la
zanja en que se aloja la tubería, no tenga una fuerte
excavación en roca.
• El sitio de los sondeos se indicará en un plano de la planta
de la boquilla, referenciados al eje y con los datos
obtenidos se construirá su perfil geológico. Se señalará
además la posición de los bancos de préstamo.
c). Sitios para derivación
• Deberán observarse las condiciones del
sitio para determinar si en el cauce hay
acarreo,
en
cuyo
caso
deberá
sondearse para verificar su espesor y
los tipos de materiales.
• Esto permite definir las condiciones de
desplante, subpresión y otras que
afecten el diseño de las cimentaciones
de las estructuras.
d). Canales.
• Deben sugerirse los trazos más económicos,
evitando cortes en roca o diseños en balcón,
hasta donde sea posible.
• Cuando así se requiera, se deben clasificar
provisionalmente las rocas en el trazo
probable y anotar las clases de roca y estado
de ellas en los lugares probables en que se
haga
necesaria
la
construcción
de
estructuras.
• Se evitará que el trazo del canal cruce mantos
permeables.
e). Muestras
• Siempre que se requiera estudiar más
detenidamente las condiciones naturales del
proyecto, deberán obtenerse muestras de las
diferentes clases de rocas que puedan
emplearse
como
materiales
para
la
construcción o como bases para el desplante
de estructuras.
• La muestra de roca debe tomarse de la zona
alejada del intemperismo, es decir, de una
zona que no haya sufrido alteración o
descomposición
de
sus
elementos
constitutivos.
3. Estudio Hidrológico
• Se obtendrá el mayor número posible de datos
hidrológicos que permitan definir el régimen de la
corriente
por
aprovechar,
el
cálculo
del
almacenamiento económico factible y la determinación
de las condiciones de la avenida máxima.
a). Precipitación.
• Se recabarán los datos de precipitación que se tengan
en las estaciones pluviométricas existentes en el área
de la cuenca o cercanas a ella, a fin de poder emplear
el método de Thiessen o el de las curvas isoyetas, para
determinar la precipitación promedio en la cuenca.
b). Forma de concentración de las aguas.
• Las aguas se concentran en las cuencas de tres
maneras: avanzada, media o retardada, según
sea la inclinación de los terrenos y la forma de la
cuenca, desde su nacimiento hasta el sitio
considerado.
• La concentración se presenta en forma
avanzada, casi siempre, cuando el terreno tiene
fuertes pendientes y en forma retardada, cuando
la cuenca presenta terrenos sensiblemente
planos.
c). Coeficiente de escurrimiento.
• De acuerdo con el examen que se haga de la cuenca
tomando en consideración las pendientes principales, la
forma de concentración de las aguas, la cubierta vegetal
existente, la permeabilidad de los terrenos y algunos
otros datos de interés, se podrá determinar en el campo,
el coeficiente de escurrimiento que deba adaptarse en
cada caso particular, bien sea deducido prácticamente, o
por comparación de cuencas que guarden semejanzas
con la que se estudia.
• En el caso de la falta absoluta de datos, se tomará, de
acuerdo con las prácticas hidrológicas habituales (S. R.
H.), un coeficiente de 0.12.
d). Volumen aprovechable de almacenamiento.
De acuerdo con el área de la cuenca, la
precipitación y el coeficiente de escurrimiento, se
calculará el volumen total escurrido anualmente y
se considerará el 30% de éste, como volumen
máximo aprovechable para almacenamiento.
e). Estimación de la avenida máxima.
El método que se use dependerá de los
siguientes factores:
1. Disponibilidad de datos hidrométricos en o
cerca del sitio de la obra.
2. De las dimensiones del proyecto y la
magnitud de los daños que ocasionaría el fracaso
de la obra.
El proyecto de obras de excedencias en los
bordos:
• Bordos que almacenan menos de 250,000
construcciones ni cultivos aguas abajo.
m3
sin
- La capacidad de la obra de excedencias en este caso
puede estimarse por simple inspección de las huellas de
aguas máximas en el cauce, en puentes,
alcantarillas
o en sitios donde la observación sea fácil y
perfectamente delimitada.
- Se comparará el caudal así determinado, con el que
se obtenga al tomar un 25% del calculado por medio de
la fórmula de Creager, que se expone más adelante.
- Este caudal máximo será definitivo si no se dispone de
otros elementos de juicio.
Bordos que almacenan menos de 250,000 m3
con construcciones y cultivos aguas abajo.
•
Para la determinación de la avenida máxima en
este caso, puede usarse el método de sección y
pendiente, eligiendo un tramo recto del cauce de
200 m de longitud aproximadamente, donde
puedan obtenerse las secciones hasta las huellas
de aguas máximas.
•
Como en el caso anterior, compárese el valor
obtenido con el que se obtenga al tomar el 50%
del calculado por la fórmula de Creager. Las
observaciones antes asentadas, también son
aplicables a este, caso.
Bordos que almacenan más de 250,000 m3 sin
construcciones ni cultivos inmediatamente
aguas abajo.
•En este caso debe usarse preferentemente el
procedimiento de las envolventes de las cuencas
hidrográficas, estimando el gasto unitario de
acuerdo con la superficie de la cuenca.
•Se tomará el 75% del caudal así determinado, o
se aplicará este mismo porcentaje a la
determinación por medio de la fórmula de
Creager.
⎡ A ⎤
Q = C⎢
⎣ 2.59 ⎥⎦
0.936A −0.048
Bordos que almacenan más de 250,000 m3
construcciones y cultivos inmediatamente aguas abajo.
con
•
En este caso se preferirá ante todo, contar con los
datos hidrométricos suficientes para la estimación
de la avenida máxima.
•
En caso de no tenerse estos datos, se usará el
procedimiento de las envolventes de las cuencas
hidrográficas o de no contarse con ellas, puede
aplicarse la fórmula de Creager para la "Envolvente
Mundial" de escurrimientos, que es la siguiente:
⎡ A ⎤
Q = C⎢
⎣ 2.59 ⎥⎦
0.936A −0.048
En la que:
Q = Gastos de la avenida máxima en m3/seg
C = 70 (envolvente para la República Mexicana).
A = Area de la cuenca en Km2.
4. Estudios de Mecánica de Suelos
• Uno de los factores más importantes que
determina la posibilidad de construcción de un
bordo, es la existencia de material adecuado y
en suficiente cantidad para abastecer el
volumen de terracería necesario en la obra.
• En consecuencia, debe determinarse con la
mayor aproximación que sea posible, la
capacidad de los bancos de préstamo que sean
susceptibles de explotación, ubicados a
distancias económicas de acarreos y siempre
que sea posible, fuera del vaso.
• Teniendo delimitados topográficamente los bancos de
préstamo, de acuerdo con el instructivo al respecto,
se tomarán las muestras necesarias para su análisis
en el laboratorio de mecánica de suelos.
• Las muestras serán del tipo alterado para el caso de
bancos de préstamo, e inalteradas para determinar
las características de la cimentación o las condiciones
de un bordo existente.
• Cuando se trate de sobre elevación de éste se
formará un plano con la caracterización de las bancos
de préstamo, indicando su potencialidad y
referenciados respecto al eje de la cortina, datos que
también pueden incluirse en el plano topográfico de
configuración del vaso o de la boquilla.
• Según
las
circunstancias
de
sus
características de productividad, a simple
vista o mediante perforaciones con barreno
de suelos o pozos a cielo abierto, que
permitan tener una idea de la calidad de los
suelos,
tomando
como
factores
determinantes: el carácter del suelo, la
topografía, el drenaje y la presencia de
álcalis; eventualmente pueden tomarse en
cuenta otros factores, como el viento,
inundaciones, erosión, etc.