Presas de Tierra Compactada: Guía para Abrevadero y Riego

“SECRETARÍA DE AGRICULTURA,
GANADERÍA,
DESARROLLO RURAL,
PESCA Y ALIMENTACIÓN”
Subsecretaría de Desarrollo Rural
Dirección General de Apoyos Para el Desarrollo Rural
Presas con cortina
de tierra compactada
para abrevadero y
pequeño riego
Presas con cortina de tierra compactada para abrevadero y
pequeño riego
Introducción.
Para poder aprovechar el recurso hídrico, con el fin de satisfacer los diferentes beneficios, en un país donde la lluvia es insuficiente, se requiere necesariamente de la infraestructura de aprovechamientos hidráulicos, que se va a
distinguir acorde a la fuente de abastecimiento de agua,
que puede ser superficial o subterránea. Para la superficial serán presas de almacenamiento para escurrimientos
donde estos se dan asociados a la precipitación; presas derivadoras donde el escurrimiento es independiente de la
precipitación y se presenta en pequeña magnitud, y tomas
directas cuando el escurrimiento es de gran magnitud.
para las comunidades rurales que se encuentren cercanas
a la obra.
Ventajas de la obra.
Los bordos de almacenamiento con fines de abrevadero
presentan la gran ventaja de poder disponer de agua para el
abrevadero del ganado y reducir la mortandad en épocas de
estiaje, ya que sin ellos sería difícil disponer del recurso.
Desventajas de la obra.
El presente trabajo pretende apuntar algunas consideraciones sobre la utilización mediante pequeños almacenamientos denominados bordos de almacenamiento para
abrevadero, cuyo destino principal es para proveer de agua
al ganado y satisfacer las necesidades de cultivos en zonas
pequeñas de riego.
Alguna desventaja que se podría plantear respecto a los bordos de almacenamiento serían las afectaciones de terrenos
que necesariamente tienen que hacerse para disponer de los
espacios para la construcción de la obra, otra desventaja seria
desde el punto de vista ambiental que altera el régimen del
escurrimiento de un cauce y en cierto momento a la flora y
la fauna que se afecta al alterarse el escurrimiento normal del
cauce.
Definición.
Condiciones donde se establece.
El bordo de almacenamiento con fines de abrevadero es
una obra hidráulica consistente en una pequeña presa con
cortina de tierra compactada, acompañada de un vertedor
de excedencias y una obra de toma para cuando se tienen
pequeñas superficies de riego, o cuando el abrevadero se
conforma aguas abajo del vaso.
Se exigen que se tengan condiciones topográficas, hidrológicas, geológicas y de mecánica de suelos. Las condiciones
topográficas son necesarias para tener un estrechamiento
topográfico suficiente para conformar la boquilla donde se
ubique el bordo, así como un valle hacia aguas arriba para
ubicar el vaso de almacenamiento. Las condiciones hidrológicas son exigentes para tener una cuenca lo suficientemente
grande, así como la precipitación suficiente para garantizar el
escurrimiento necesario que garantice el abastecimiento para
lograr que se llene el vaso. Las condiciones geológicas son necesarias para garantizar en el caso del bordo la capacidad para
resistir el peso del mismo así como la impermeabilidad necesaria, y para el vaso el que no se presenten fallas o materiales
que impidan la impermeabilidad necesaria. Las condiciones
de mecánica de suelos se exigen para contar con bancos de
materiales arcillosos que proporcionen la impermeabilidad
necesaria en el bordo de almacenamiento.
Objetivos.
a)General.
Orientar al técnico involucrado en programas de Conservación y Uso Sustentable de Suelo y Agua, en aspectos
prácticos que le permitan establecer en campo las obras
necesarias de conservación que se deriven.
b)Específicos.
Brindar los elementos técnicos necesarios para el diseño,
construcción y operación de bordos de almacenamiento
de tierra compactada con fines de abrevadero y pequeño
riego con un almacenamiento menor de 250,000 m3.
Beneficios.
Los beneficios que se esperan con un bordo de almacenamiento son el abrevadero de ganado, el riego de pequeñas superficies y eventualmente el uso domestico del agua
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Criterio y especificaciones de diseño.
Para poder efectuar el diseño de un bordo de almacenamiento se requiere de un conocimiento previo de las condiciones
del sitio en lo que respecta a la topografía, geología, hidrología y mecánica de suelos, fundamentalmente en la etapa que
se ha dado en llamar estudios previos, comenzando con un
reconocimiento del sitio.
I. Reconocimiento del sitio.
Consiste en localizar el lugar probable para la construcción
de una obra. Se recaba con los habitantes, el mayor número
de datos referentes a la época de lluvias, magnitud aproximada de escurrimientos de las corrientes por aprovechar,
caminos de acceso, localización de probables bancos de
materiales, posibles afectaciones de propiedad y sus formas viables de resolución, aspectos legales de la obra y beneficios de la misma, etc.
De acuerdo con estos datos y los observados por el ingeniero, deberá determinarse en forma aproximada el sitio
probable de la boquilla, su longitud, capacidad supuesta
del vaso, tipo de estructura más adecuado, 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, animales beneficiados, coeficientes de agostadero, zona de riego,
cultivos, vías de comunicación, localización de bancos de
materiales y cualquier otro dato útil para el proyecto.
II. Estudios
1. Estudios Topográficos.
a) Levantamiento de la cuenca. El levantamiento de
la cuenca se hace para determinar la superficie de la
misma y 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 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 del agua y las pendientes generales de la cuenca.
La configuración se puede hacer usando poligonales
de apoyo, trazadas con alguno de los aparatos actuales,
que permitan obtener curvas de nivel con 2, 5 o 10 m de
equidistancia, según el tamaño de la cuenca.
Otros procedimientos para el levantamiento de las
cuencas pueden ser mediante métodos más expeditos.
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 muy extensas se podrá obtener el
área y forma de los escurrimientos de una carta topográfica de INEGI.
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, que observando la dirección del
flujo en el cauce, se ubica a la 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:
Partiendo de uno de los extremos del eje de la cortina,
previamente orientado en forma astronómica o magnética, se llevará una poligonal con los aparatos respectivos, 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 arroyos y las necesarias para el trabajo de configuración, nivelándose estas poligonales con nivel.
La configuración se efectuará con el aparto respectivo,
apoyándose en las poligonales previamente trazadas.
Simultáneamente con la configuración, se hará el levantamiento catastral para determinar las superficies de las
propiedades inundadas por el vaso.
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 o electrónicamente. 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, cuando
la longitud de la cortina rebase a 200 m o a cada 10 m
cuando la longitud sea menor, así mismo cuando la
pendiente e inflexiones del terreno así lo exijan, y posteriormente se nivelará con nivel fijo. Apoyándose en este
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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.
En los casos en que por las condiciones topográficas
el canal de descarga de la obra de excedencias pueda
quedar fuera de la zona anteriormente indicada, se prolongarán las secciones transversales hacia aguas abajo,
tanto como sea necesario para obtener la topografía
que permita efectuar el proyecto total de la estructura.
El plano de la boquilla se hará por separado a una escala
conveniente, que permita formarse una idea exacta de
la topografía para seleccionar el eje más conveniente y
localizar las diferentes estructuras.
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 aprove-
char 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.
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.
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El plano a escala de 1:1000 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
debe ir unos 20 centímetros por encima del nivel natural del terreno por beneficiar, condición que influye en
la pendiente del 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 auxiliarse del escurrimiento de una cuenca vecina, alimentándolo mediante un canal que conduzca
el agua de la 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
presas derivadoras 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 identifi-
carse 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. Además deberá observarse todo indicio de fallas o agrietamientos que perjudiquen la permeabilidad del vaso y que puedan producir una disminución acentuada del almacenamiento;
considerando que al existir carga hidrostática en el embalse, resulta bastante más fácil producir vías de agua
que posteriormente tienen difícil solución.
b) Boquilla. Se observarán las grietas en la roca, determi-
nando 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) 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.
d) Muestras. Siempre que se requiera estudiar más de-
tenidamente 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, en caso de no tener información que nos
precise un valor diferente.
5
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.
Considerando los factores enunciados, se presentan los
siguientes casos para el proyecto de obras de excedencias en los bordos:
1.Bordos que almacenan menos de 250,000 m3 sin
construcciones ni cultivos aguas abajo. 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. En caso de poderse obtener los dos
valores, el obtenido en el campo representa en forma
más fidedigna las condiciones de avenida máxima salvo
en caso de estimaciones muy discutibles, quedando a
criterio y responsabilidad del ingeniero la elección final.
2.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.
Como este documento se elabora para volúmenes de
almacenamiento no mayores a 250,000 m3, no se detalla para cuando los almacenamientos rebasan a esta
cantidad.
La fórmula de Creager para la “Envolvente Mundial” de
escurrimientos, que es la siguiente:
 A 
Q  C
 2.59 
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En la que:
Q = Gastos de la avenida máxima en m3/seg
C = valor del coeficiente de Creager = 70 (envolvente
para la República Mexicana).
A = Área 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 terracerías 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, 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.
III. Diseño de la obra.
De acuerdo con los datos obtenidos en los estudios antes citados, se procederá a efectuar el diseño de cada una
de las estructuras integrantes de la obra, pudiendo servir
como guía, las siguientes normas generales:
Primeramente se define el almacenamiento, el cual se basa
el proyectista en los estudios hidrológicos y en los estudios
topográficos, partiendo de los primeros se define primeramente el Volumen escurrido:
Ve = Ce pm Ac -----------------(2)
0.936A −0.048
1
En la que: Ve = volumen escurrido, en m3; Ce = coeficiente
de escurrimiento, adim.(varia de 0.1 a 0.23); pm = precipitación media de la cuenca, en m; Ac = Área de la cuenca, en m2.
Se selecciona el coeficiente de aprovechamiento (Kapr), el
cual varía de 0.3 a 0.9, que al aplicarlo al volumen escurrido
se obtiene el volumen aprovechable:
Vapr = Kapr Ve --------------- (3)
Este pasa a conformar una restricción hidrológica, que limita a la Capacidad Total de Almacenamiento(CTA), no debiendo esta última rebasar al Vapr, que en función de la capacidad del vaso de almacenamiento, dado por la topografía
del mismo, si es mayor, la restricción será exclusivamente
hidrológica, pero si la capacidad es menor, pasa a conformarse una restricción topográfica, con lo que queda definida la CTA.
A continuación se pasa definir la Capacidad de Azolves,
que está en función de la vida útil de la obra, que para pequeños almacenamiento se consideran 25 años, calculándose así:
CAZ= kAZ NA Ve ----------------- (4)
Donde: CAZ=Capacidad de azolves, en m3, kAZ= Coeficiente
de Azolvamiento, adim.=0.0015, para presas pequeñas; NA =
Vida útil de la presa, en años =25años, para presas pequeñas.
Con este volumen se define la Capacidad Muerta (CM), que
queda conformada fundamentalmente por la capacidad
de azolves, volúmenes para la cría de peces, recreación,
turismo, abrevadero (cuando se va a utilizar el vaso para
abrevar), etc., siendo:
CM = CAZ + Vcp+ Vr + Vt + Vabr
Por diferencia entre las dos capacidades anteriores se define la Capacidad útil: Cu=CTA-CM, la que se limita a una segunda restricción hidrológica denominada Capacidad Útil
Calculada (CUc), obtenida con:
CUc= Vapr/Ev ------------- (5)
En la que: Ev = eficiencia del vaso, adim., que varia de 0.3 a 1.5.
Con las anteriores capacidades se definen los niveles fundamentales del almacenamiento denominados N.A.N. (=
Nivel de Aguas Normales), dado por la CTA, y que define la
cota de la obra de excedencias, para cuando se tiene un
vertedor de cresta libre; y el N.A.min.(=Nivel de Aguas mínimo), dado por la CM, y que para el caso de irrigación o de
abrevadero aguas abajo de la obra, define la cota de la obra
de toma. El diseño del vertedor determina el N.A.M.E., y el
de la obra de toma el N.m.o.(Nivel mínimo de operación).
Figura.1.Representación esquemática de los diferentes niveles de un almacenamiento.
Nivel de almacenamiento mínimo
Nivel de aguas normales = N.A.M.Q.= Nivel de aguas máximas de operación
Nivel mínimo de operación (carga mínima de funcionamiento de la O. de T.)
Nivel de aguas máximas extraordinarias.
Carga del vertedor para la avenida máxima de diseño.
CAPACIDADES EN MILL m3
Libre bordo
CAP 0.1 Cu
Muerta
ELEV. CORONA
0
A
CAP. UTIL
N.A.N.
Vertedor de
Cresta libre
N.m.o.
N.A.min
VOL. CRÍA PECES Y OTROS
70
L.B.
H
Obra de
excedencias
Obra de Toma
VOL. AZOLVE
Z
V
N.A.M.E
N.A.N
60
ELEVACIONES EN m
N.A.M.E.
CAP. SOBRE
Cu (CAP. UTIL)
50
100 ALMAC.
150
Desagüe de fondo
1250
ES
40
PCAA
CPAICDI
DAA
AR
DDES
E A AR
S EA
=
=
=
=
=
=
30
CA
N.A.min.
N.A.N.
N.m.o.
N.A.M.E.
H
L.B.
20
10
1200
0
1
2
3
4
5
6
AREAS EN Km2
PERFIL POR EL EJE DEL CAUCE
CURVAS DE AREA -- CAPACIDADES
ALTURA MAXIMA = ELEV. A - ELEV. Z
7
A continuación se define la altura máxima de la cortina, calculada con:
Para pequeños almacenamientos, según la extinta SRH, el
bordo libre se puede tomar como:
Hmáx. = HNAN + Hv + L.B. --------- (6)
Donde: Hmáx.=altura máxima de la cortina (desnivel entre
la corona y la menor cota del cauce en la zona de la cimentación), en m; HNAN=altura del N.A.N.(desnivel entre la
cota del vertedor -descarga libre- y la menor cota del cauce
en la zona del desplante), en m; Hv = carga del vertedor, en
m (determinada en el diseño de la obra de excedencias),
y L.B. = libre Bordo, en m = f(marea del viento oleaje del
viento, pendiente y características del paramento mojado,
factor de seguridad, etc.).
Bordo Libre (en m)
< 1.6
1.0
1.6 a 4.0
1.22
4.0 a 8.00
1.52
> 8.0
1.83
a) Cortina. Para pequeños almacenamientos, se emplean
preferentemente cortinas de tierra compactada por
adaptarse en la mayoría de los casos a las condiciones
topográficas de la boquilla, por su costo relativo bajo,
abundancia de materiales a distancias cortas de acarreo, flexibilidad estructural, empleo de mínimo equipo
de construcción, fácil conservación, etc.
Figura.2. Vaso de almacenamiento en planta y
caracterización del Fetch.
Como una guía para el ante-proyecto de una cortina
de este tipo, la experiencia ha demostrado que pueden
emplearse en condiciones normales y de acuerdo con
su altura, las siguientes secciones dentro de los límites
seguros, establecidos desde el punto de vista de estabilidad:
Fetch
(Línea máxima, medida desde la cortina hasta la cola del vaso
no necesariamente en dirección normal al eje de la cortina)
VASO
Fetch (en Km)
Línea del N.A.M.E.
Figura 3. Sección típica de bordo de almacenamiento.
CL
C
mínimo 75
Revestimiento de la corona con grava. 20cms. de Espesor
N.AM.E.
T1
MATERIAL ARCILLOSO
IMPERMEABLE COMPACTADO
En copos de 20 cms.
Zampeado Seco
para protección
T2
H
Protección con Pasto
Despalme mínimo
20
T.N.
400
Trinchera en caso de
subsuelo permeable
relleno con material
arcilloso impermeable
compactado
máximo
Estrato Impermeable
350
SECRETARIA DE AGRICULTURA Y GANADERIA
DIRECCIÓN GENERAL DE INGENIERIA AGRICOLA
RECOMENDACIÓN
DEPARTAMENTO DE CONSTITUCIÓN DE OBRAS DE RIEGO
BORDOS DE SECCIÓN HOMOGENEA
(CONDICIONES LIMITE MINIMAS)
TIPO
1
2
3
4
8
H
0.00 - 4.50
4.50 - 6.00
6.00 - 7.50
7.50 - 9.00
C
3.50
4.00
4.00
4.50
T1
T2
2:1
2:1
2.5:1
2.5:1
2:1
2:1
2:1
2.5:1
BORDO TÍPICO
ESQUEMA
EL SUBDIRECTOR
EL DIRECTOR GENERAL
1 DE 2 JUNIO - 1968
APROBO
EL SECRETARIO
1093-I - PT
Dichos estudios producirán además, las instrucciones
precisas que deberán regir durante la construcción de
los bordos, tales como bancos de préstamo elegidos,
peso volumétrico seco mínimo, grado de humedad
óptima, número de pasadas para una capa de espesor
determinado, con el equipo de compactación recomendado por los análisis previamente efectuados. Para este
tipo de estudios se requiere el envío de las muestras
necesarias al laboratorio de mecánica de suelos correspondiente, quien las procesará y enviará los resultados
al departamento técnico encargado de su interpretación.
en este tipo de obras son: el tipo lavadero, que se ilustra en la Figura.4 y el tipo cimacio, que se ilustra en la
Figura. 5.
Figura.4. Vertedor tipo lavadero.
CANAL DE ACCESO
CANAL DE DESCARGA
SECCION DE CONTROL
b) Obra de excedencias. Teniendo en cuenta que las
fallas ocurridas mundialmente en presas de tierra se
han debido de manera especial a la insuficiencia del
vertedor de demasías, se tendrá especial cuidado en su
diseño, basando los cálculos en datos obtenidos de la
avenida máxima observada.
La estructura queda anclada al terreno natural, alojándose en cualquiera de las laderas o en un puerto natural, pero jamás en el cuerpo de la cortina. Se emplearán
para ello dentellones de anclaje, de mampostería, cuya
profundidad en ningún caso podrá ser menor de 1.00
m y espesor mínimo de 0.40 m. En los extremos de la
cresta vertedora se colocarán muros de cabeza, debidamente anclados al terraplén por medio de dentellones
laterales, cuya longitud mínima será de 1.50 m.
La elevación de la cresta vertedora se fijará considerando la carga de trabajo a su máxima capacidad, adicionada de un bordo libre que nunca será menor a 0.75 m, el
que podrá aumentarse de acuerdo con la importancia
de la altura fijada a la cortina y la longitud del “fetch”,
cuando haya peligro de oleaje.
La zona de descarga al pie del vertedor quedará debidamente protegida cuando menos con un zampeado. Se
procurará que en el canal de descarga se controle el escurrimiento, encauzándolo debidamente y regulando
la pendiente, pudiendo hacerse uso en casos especiales
de estructuras disipadoras.
Figura. 5. Vertedor tipo cimacio.
COTA CORONA
N.A.M.E
N.A.N
CANAL DE
ACCESO
CANAL DE
DESCARGA
De las condiciones topográficas y geológicas de la zona
donde se alojará la obra de excedencias o vertedor de
demasías, y del carácter del régimen de la corriente
aprovechada, de la importancia de la obra, de los cultivos o construcciones localizadas aguas abajo, materiales y presupuesto disponible, dependerá el tipo de
vertedor empleado: cimacio, cimacio Creager, abanico,
descarga lateral, de lavadero o simple canalón, para los
casos de menor exigencia. Los vertedores más usados
9
Para el cálculo de la longitud de la cresta vertedora, se
utilizará la fórmula de Francis:
Q = C L HV3/2 ------------ (7)
En la que: Q= Gasto de diseño de la obra de excedencias, que es el de avenida máxima determinado en el estudio hidrológico, en m3/seg; L= longitud de cresta, en
m; HV = Carga de diseño del vertedor de excedencias,
en m; C = Coeficiente del vertedor, se tomará un coeficiente de descarga C = 2 m1/2/seg, para perfil cimacio, y
1.45 m1/2/seg, para vertedor lavadero. La altura mínima
del vertedor con cresta cimacio tendrá sobre el nivel del
piso del canal de acceso 0.80 metros.
Las condiciones restrictivas tan severas, que se señalan
para la obra de excedencias en bordos de tierra, podrán
modificarse a juicio del ingeniero, cuando se trate de
estructuras de este tipo en presas de gravedad o derivadoras.
c) Obra de toma. Es la estructura que permite manejar
las extracciones del almacenamiento para satisfacer los
diferentes beneficios para el cual fue concebida la obra,
en tanto se encuentren aguas abajo de la obra. Los tipos
más comunes que se utilizan en este tipo de obras son
el tipo: Tubería a presión y válvulas a la salida, el tipo
muro de cabeza y el tipo torre y galería.
El tipo tubería a presión y válvulas a la salida, se conforma con un canal de acceso, que permite la comunica-
ción con el vaso de almacenamiento en niveles bajos
del agua en el almacenamiento; una estructura de rejillas, que evitara la entrada de cuerpos flotantes en el
agua en niveles bajos, una tubería que permitirá atravesar la sección del bordo, auxiliándose de dentellones
para anclar la tubería y para incrementar la trayectoria
de filtración, y disminuir el peligro de tubificación, a
continuación una caja de válvulas, donde se alojarán
de preferencia dos válvulas, una de emergencia y otra
de operación, concluyendo la estructura con una caja
amortiguadora, donde se disipara la energía cinética,
para entregar el agua al canal.
El tipo Muro de Cabeza de obra de toma, inicia en un
muro de cabeza, generalmente de mampostería, cimentado sobre terreno firme. El paramento aguas arriba será vertical, los laterales y el de aguas abajo serán
inclinados que garanticen su estabilidad, a partir de
aquí inicia el conducto.
La operación de la toma se hace por medio de una
compuerta deslizante accionada por un mecanismo
elevador, el cual se instala sobre una ménsula de concreto reforzado anclada al muro de cabeza, o bien, sobre viguetas empotradas en la mampostería del mismo
muro. Delante de la compuerta, sobre la mampostería
se dejarán muescas especiales para colocar agujas de
madera en caso de descompostura de la compuerta. El
acceso al mecanismo elevador se recomienda se haga
mediante un pedraplén colocado a mano.
El conducto puede ser de concreto reforzado, precola-
Figura 6. Obra de toma tipo tubería a presión y válvulas.
0+000
Estructura
de Rejillas
o+
TAL
U
D
D
U
TAL
2.5
:1
2.5:1
ELEV.
PERFIL NATURAL DEL TERRENO
Canal
de
acceso
10
Dentellones
Tuberia
Caja de
Válvulas
o+
30
N.A.N.
Estanque amortiguador
CORONA, ELEV.
N.A.M.E
Figura. 7. Obra de Toma tipo muro de cabeza.
Corona, Elev.
N.A.M.E
N.A.N.
Transición
MATERIAL
IMPERMEABLE
Canal de
Acceso
de salida
Dentellones
Tuberia
Longitud de la tuberia
do o colado en el lugar de la obra, con diámetro mínimo de 0.61 metros(24”), alojado preferentemente en
una zanja abierta en el terreno natural, para evitar asentamientos y provisto de dentellones de concreto, con
espaciamiento y dimensiones necesarias de acuerdo
con la longitud de la trayectoria de filtración necesaria.
La descarga del conducto de la obra de toma se hace a
una caja de mampostería con altura necesaria para evitar el derramamiento del agua y de ella saldrá el canal
o canales de riego. La descarga también se podrá hacer
mediante transición reglada, ligando directamente el
conducto con el canal de riego.
El tipo torre y galería de obra de toma, se conforma
con una torre, que podrá quedar al inicio, en medio o
al final del conducto, que comúnmente este fue parte
de la obra de desvío, por lo cual la magnitud es mayor
que para lo que se requiere para la obra de toma, por lo
que forma una galería, que por lo general trabaja como
canal. Inicia en un canal de acceso, y dependiendo si la
torre se encuentra al inicio, en medio o al final del con-
ducto, se tendrá la conformación, respectiva, esto es si
se encuentra al inicio, iniciara con estructura de rejillas,
a continuación una compuerta deslizante, que servirá
de emergencia y da acceso al interior de la torre donde al final se encuentra otra compuerta deslizante que
sirve de operación; si la torre se encuentra en medio, o
al final la obra se iniciara con una estructura de rejillas,
y en la torre se conformaran dos espacios, para ubica
las dos compuertas una de emergencia y otra de operación.
En aquellos casos en que por carencia de piedra no sea
económico construir la obra de toma de mampostería,
se hará con una torre de concreto reforzado, provista
de escotaduras para agujas y compuerta deslizante o
bien, con dos compuertas, una de emergencia y otra
de servicio. La sección interior de la torre tendrá como
mínimo 1.00 de cada lado, cuadrada, e interiormente se
colocará una escala marina para permitir el acceso para
su inspección y mantenimiento.
Fig. 8. Obra de toma tipo torre y galería.
Puente de acceso
N.A.M.E
Cortina
Torre
Tanque
amortiguador
Rejilla
s
Canal de acceso
Transición
de entrada
Conducto
Transición de salida
11
Para diseñar la obra de toma primeramente se debe tener el Gasto Normal (Qn) de la demanda que, en función
de la superficie de riego, se pueden considerar los siguientes Coeficientes Unitarios de riego (Cur); a menos
que se tenga un estudio específico sobre este aspecto:
En base a coeficientes unitarios de riego (Cur)
Superficies (en ha)
de extracción normal (Qn) y del almacenamiento mínimo
de operación (Am), bajo el siguiente procedimiento:
1. Se obtiene el Nivel mínimo de Operación Inicial (N.m.o.i)
determinando previamente el valor del almacenamiento
mínimo de operación (Am) y obteniendo su cota respectiva
en el vaso, entrando en la gráfica Elevaciones-Capacidades,
así:
Cur (en lps/ha)
< 100
2.5
De 100 a 1200
1.75
De 1200 a 2000
1.41
De 2000 a 10,000
1.16
> 10,000
1.0
Am = CM + 0.1 Cu ---------- (8)
Figura. 11. El N.m.o. en la gráfica Elevaciones Capacidades.
N.A.M.E.
N.A.N.
ELEVACIONES
Utilización de gráficas
Figura.9. Gráfica superficie gasto
N.m.o.i.
Cota O. de T.
Cu
0.1 Cu
GASTO EN m3/seg.
RR
TIE
A
RE
CM
Am
ETO
NCR
E CO
D
TIDO
VES
CAPACIDADES
Vol.
2. Se supone un diámetro comercial, o un tamaño construible, del conducto en la obra de toma: un pequeño diámetro D, exige gran carga y un gran diámetro D, exige pequeña carga.
3.Se obtiene la velocidad media, determinando previamente la sección transversal del conducto:
SUPERFICIE DE RIEGO EN HECTAREAS
Cálculos hidráulicos.
V= Q/A ≥1.5 m/seg; para evitar azolvamiento del conducto.
Figura.10.Elementos para el diseño de la obra de
toma.
N.A.M.E.
Hmáx
N.m.o.
Limitador
de gasto
Hmín
N.N.A.
D
Sumerg. min. = 25 cm
Hlim
dmáx
d
N.N.A.= Nivel Normal del Agua en el canal para gasto normal (Qn)
Diseño Hidráulico de Obras de Toma para Presas
Pequeñas.
El diseño hidráulico de obras de toma es el proceso mediante el cual se obtiene el diámetro (o tamaño) del conducto,
el cual es determinado por iteraciones en función del gasto
12
4.Se obtiene la carga mínima de operación, mediante la
fórmula:
v2
L
h min 
(1.0  ∑ k  f )
x
2g
D
(9)
Donde: Σkx= suma de parámetros de pérdidas de carga localizada.
Las pérdidas de carga localizadas, pueden ser:
a) Rejilla: -----------------------hr= kr v2/2g
b) Por entrada: ------------------ he = ke v2/2g
c) Por válvulas(o compuertas):-----hG= kG v2/2g
d) Por cambio de dirección:--------hC= kC v2/2g
e) Por salida: ------------------- hS= kS (v-vC)2/2g---....... etc.
Para determinar el valor de f (factor de fricción), se puede
usar la expresión de Swamee-Jain, para Re> 4000:

ε


log10  D  5.74
0.9 

3.7 Re 




do Hmáx por hmáxi en la formula del inciso (b).
g) Se circula este gasto (Qmáx), por la sección normal dise-
0.25
f 
f) Se determina el gasto máximo real (Qmáx), sustituyen-
ñada, obteniéndose dmáx.
2
9. Se diseña el limitador de gasto, ubicado aguas debajo de
la obra de toma.
(10)
a) Se determina la carga del limitador:
5.Se determina el Nivel mínimo de operación:
Hlim = dmáx - d
N.m.o.= N.N.A.canal+ hmín ------ (11)
Figura 12. Esquema de la Obra de toma y los elementos para el diseño.
b) Se selecciona el coeficiente del limitador:
Si es un vertedor tipo cimacio:
N.A.M.E.
C = 2.0 m1/2/seg
N.m.o.i.
Hmáx
hmín
Sumergencia Mínima
N.A.min.
C = 1.45 m1/2/seg
N.N.A.
H lim
25
Cota de Inicio
Valvulas 100% abiertas para ambos niveles
Si es un vertedor tipo lavadero:
Limitador
de gasto
N.m.o.
dmáx
Llim
c) Se obtiene el gasto del limitador:
d
Qlim= Qmáx –Qn
Estanque Amortiguador
6.Se compara el N.m.o. con el N.m.o.i.
Debe ser prácticamente igual (si es mayor se aumenta el
diámetro D -o tamaño del conducto) hasta satisfacer esta
condición.
7.Se diseña la sección normal del canal (Qn, s y n), obteniéndose la cota de inicio mediante:
Cota Inicio Canal=Elev.N.N.A.-d = N.A.mín+D+0.25-d ------------ (12)
8. Se determina el gasto máximo de la O. de T. por tanteos.
Figura. 13. Elementos geométricos del limitador de
gasto.
Hlim
dmáx
2 g hmáxinic
L

1.0  ∑ k x  f 
D

acompañarlo con una pantalla aguas abajo:
Maquinaria y
Equipo
3
d
d) Se determina la longitud del limitador, es conveniente
a) Se obtiene: hmáx = Elev. N.A.M.E.- Elev.N.N.A.
Qmáxinic  A
L.B.
Llim
Motoescrepas
Tractores D-7
Camión Pipa
Camión de volteo
Cargador Frontal
Rodillo Pata de cabra
Palas, Picos Etc.
Debe evitarse que la obra de toma y el vertedor queden
alojados en la misma margen, para evitar obras de cruce,
de elevado costo.
Costos
de la
obra
Piedra
Arena
Grava
Internos
Insumos
Cemento
Impermeabilizante
Externos
Tubería PVC
y accesorios
Cerca
b) Se obtiene: Qmáxinic
IV. Construcción de la obra.
c) Se circula este gasto por la sección normal diseñada,
Tomando como base el proyecto efectuado de la
obra se procede a su construcción, para lo cual se deberán
considerar una serie de recomendaciones, las que se muestran a continuación:
obteniéndose así el valor de dmáxi.
d) Se determina el incremento de la carga de operación
de la O. de T.: ∆h = dmáxi – d
e) e) Se obtiene la carga máxima real:
Hmáx=Elev.N.A.M.E.-(Elev.N.N.A.+ 0.9∆h)
Mano de
obra
Familiar
Contratada
Aspectos generales de construcción.
A continuación se da en forma breve una secuencia sobre
las actividades por ejecutar en la construcción de una pe-
13
queña presa de terracerías, haciendo hincapié en aquellos
aspectos en los que hay que tener mayor cuidado en su
ejecución.
Se construirá o acondicionará el camino de acceso desde
la carretera más cercana al sitio de la obra. Generalmente
la misma maquinaria destinada a la construcción de la presa es utilizada en estas labores. De preferencia este camino deberá construirse con un ancho mínimo de 7 metros y
pendientes no mayores de 1%.
plante del terraplén. Para lograr lo anterior, muchas veces
es necesario auxiliarse con la excavación de pozos a cielo
abierto; para confirmar la no existencia de estratos permeables o cauces sepultados que, en un momento dado, habrá
que interceptar ya sea con la totalidad del núcleo impermeable, con trincheras o dentellones.
Una vez definida la elevación del desplante y sobre todo
cuando aparece en parte o en la totalidad de la superficie
de cimentación roca fija, se tendrá que efectuar a mano
un amacise del material flojo o alterado. Efectuándose el
amacise, en algunos casos con la rompedora neumática, ya
que el uso de maquinaria pesada, propiciaría la trituración
o resquebrajamiento del material de desplante impermeable.
Se pueden atacar también los caminos de acceso a los bancos de préstamo de los materiales que se utilizarán en el
terraplén. Estos caminos, durante la construcción, deberán
tenerse en buen estado de conservación con el objeto de
tener un mayor rendimiento del equipo y una menor conservación del mismo.
Programa de trabajos
Simultáneamente, es conveniente proceder al montaje de
las instalaciones para residencia, bodega y taller. Localizándolas estratégicamente con relación a las estructuras de la
presa; en cuanto se refiere a visibilidad, y que no interfieran
los accesos de trabajo.
La realización de toda obra requiere que sea materializada
conforme un programa constructivo previamente meditado y acorde a las características especiales de la estructura, tanto por la técnica con la cual requiere ser construida,
como por el tiempo en que se ha planeado su terminación.
En algunas ocasiones, es necesario contar con un pequeño
polvorín, el cual debe ubicarse fuera de las zonas de trabajo o habitables. Se recomienda generalmente no tenerlo a
una distancia menor de 1 kilómetro del sitio de la obra o
poblados vecinos.
En el caso especial de la construcción de presas de almacenamiento de terracerías, este programa constructivo toma
especial relevancia, en virtud de que la estructura tiene que
ejecutarse sobre una corriente sujeta a escurrimientos variables y que en un momento dado, una mala programación de la ejecución de los trabajos, puede traer como consecuencia la destrucción de lo ejecutado, daños materiales
y en ocasión hasta pérdida de vidas cuando existen comunidades aguas abajo de la obra. Por tal motivo, dentro del
Programa Constructivo, el control y manejo del río requiere
de una especial atención.
Una vez concluidos los trabajos anteriores podrán iniciarse
los relativos a desmontes, tanto del área donde se ubicará
la presa, vertedor y obra de toma, como la de los bancos de
préstamo.
Dado que la superficie por desmontar, para este tipo de
obras, es casi siempre pequeña, se utiliza el tractor con cuchilla normal para su ejecución. Ya desmontada la superficie, que marcan las trazas del proyecto, con un margen
adicional mayor, se está en posibilidad de iniciar las excavaciones para desplante de cortina, vertedor y obra de
toma. Estas excavaciones tienen por objeto remover todos
aquellos materiales indeseables para cimentar las estructuras de la presa. Por lo que se refiere a la cortina, estas
excavaciones casi siempre se realizan con tractor, el cual
desplaza el material, que haya necesidad de remover, fuera
de las trazas del terraplén y deje una superficie libre para el
acceso libre de la maquinaria que posteriormente colocará
las terracerías.
Durante el proceso de estas excavaciones y en función de
los materiales que vayan apareciendo, se determinará hasta qué profundidad se tienen que efectuar el nivel de des-
14
Es muy importante aclarar, que la ejecución de la obra dentro del tiempo programado, depende de que las decisiones
técnicas inherentes a este tipo de estructuras sean tomadas oportunamente. Como ejemplo de estas decisiones
técnicas se pueden citar entre otras las siguientes: definir
hasta dónde se deben profundizar las excavaciones para el
desplante de la cortina, obra de toma y vertedor, así como
el retiro de los materiales indeseables para la cimentación.
Lo cual, en la mayoría de las ocasiones, se define por deficiencias en los estudios de exploración o por cambios geológicos imprevisibles.
Indicar qué tratamiento o preparación hay que darle a la
superficie donde se desplantarán las estructuras, en función de la dureza del material o bien por las irregularidades
que presenta la excavación.
Definir el número de pasadas que hay que dar con el equipo disponible a las terracerías, para lograr la compactación requerida (93 a 95 %), lo cual se logra generalmente
haciendo terraplenes de prueba. En el proceso constructivo y por deficiencias en la explotación de los bancos de
préstamo, muchas veces se requiere hacer cambios en los
taludes de las terracerías; por haber variado las propiedades mecánicas de los materiales que se están explotando,
con relación a las consideradas en el diseño y determinadas en los estudios de Mecánica de Suelos, o bien porque
la potencialidad de los bancos de préstamo de material es
menor que la supuesta y no resulte ya económico transportar ese material a distancias muy grandes, teniendo
algún otro tipo de material más cercano que pudiera utilizarse mediante la variación de los taludes de la cortina o
de las zonas que lo integran.
La profundidad que hay que dar a trincheras o dentellones (para la cortina, vertedor y obra de toma), cuando se
tienen estratos permeables adyacentes que hay que interceptar, requiere que el ingeniero residente tenga una
preparación adecuada para tal objeto, o se implemente
una oficina regional que atienda este tipo de problemas.
El programa constructivo para estas presas, debe elaborarse en una forma muy simplista, partiendo de los volúmenes por ejecutar, la producción del equipo que se dispone, fecha de iniciación, período en que se presentan las
lluvias, etc.. Dando un orden a las actividades por ejecutar
en las diferentes fechas, mediante una secuencia lógica,
no olvidando el manejo o desviación del río.
Este programa generalmente se formula por conceptos
de trabajo, representándolo gráficamente por medio de
un diagrama de barras, marcando claramente el período
de ejecución para cada uno de los conceptos, los rendimientos diarios que hay que producir, para terminar la
obra en el tiempo planeado. Así como los precios unitarios e importe de cada concepto, para fines de control de
erogaciones.
La vigilancia de ejecución de la obra, dentro del programa, se verifica mediante estimaciones semanales; con el
objeto de ir cuantificando en todo momento su avance y
estar en posibilidad de tomar las acciones necesarias para
acelerar el ritmo de construcción de aquellos conceptos
de trabajo que se hayan retrasado.
La responsabilidad de vigilar el cumplimiento del programa corresponde a la supervisión o residencia, así como
también, la formulación de estimaciones para el pago de
los trabajos ejecutados.
Organización de los trabajos.
El costo de un núcleo de maquinaria que se requiere para
la construcción de una pequeña presa de terracerías, con
relación a los volúmenes por ejecutar, así como los cargos
por fletes para su movilización y el costo de los tiempos
muertos, obliga a programar la construcción de este tipo
de obras, en serie y de preferencia dentro de una misma
zona o región, ya que en cierta fase constructiva, es posible
liberar algo de equipo.
La supervisión o residencia debe contar con el personal
necesario para atender los aspectos de líneas y niveles del
proyecto, lo cual se logra generalmente con una brigada
topográfica. Además requiere de un laboratorista y 6 auxiliares que estén determinando el grado de compactación
del terraplén, y tomando cilindros de muestra de los concretos y morteros. Este personal deberá además vigilar
el control de humedad del material impermeable, el cual
debe estar alrededor de la óptima, el espesor de capa de las
terracerías, la calidad de los materiales y dosificaciones de
morteros y concretos.
Figura. 14. Ilustración de un proceso de compactación con rodillo pata de cabra.
Para estas pequeñas presas el equipo de laboratorio requerido es ínfimo, de bajo costo en relación al monto de
inversión en la obra, y consta básicamente de lo siguiente.
Para terracerías: medidor volumétrico, espátulas, charolas,
balanza de torsión, horno, cápsulas, equipo proctor, tamices, básculas, etc.. Para morteros y concretos: moldes para
cilindros, cono para prueba de revenimiento, varilla de 5/8"
de 60 cm de longitud, probetas, crisoles, moldes para mortero, mallas, etc..
Cuadro 1. Revenimientos que se recomiendan según el elemento estructural a colar.
15
Tipo Colado
Flúidez
Revinimiento en centimetros
Mínimo
Máximo
Promedio
Presas, pilas de puen- Seca
tes, cimientos, rellenos
pavimentos
0
8
4
Losas, trabes y muros Plástica
de sección grande
8
12
10
Columnas, muros y fluido
formas de sección reducida, con gran cantidad de refuerzos y de
difícil acceso
10
20
15
Para que el control de colocación del material impermeable sea efectivo, se deberá tomar un mínimo de 3 calas
diarias, o bien, una cala por cada 500 metros cúbicos colocados, teniendo cuidado de que estas no sean tomadas
a espesores mayores de un metro de terraplén. Cuando se
requieran respaldos se deberá tomar una cala para determinar el peso volumétrico seco con que se vienen colocando, por cada 2,000 m3 de material, teniendo en cuenta no
rebasar 1 metro de espesor de terraplén. Dado que en estas
obras los concretos y mamposterías que intervienen en el
vertedor y obra de toma cuyos volúmenes por ejecutar, generalmente son reducidos, el control de calidad tanto de
morteros como de concretos, se hará mediante la toma de
4 cilindros por turno de trabajo, para tronarse dos a los 7
días y otros dos a los 28 días de colocado. Estos cilindros se
mandarán probar al laboratorio de alguna institución oficial o de alguna facultad próxima a la presa.
La superintendencia, encargada básicamente del aspecto
producción de las cantidades de trabajo, debe contar como
mínimo con el siguiente personal:
1 Superintendente
1 Encargado de control de costos
1 Almacenista
1 Mecánico Diesel y ayudante
1 Soldador
1 Sobrestante
Operadores de maquinaria
2 Albañiles
6 Choferes
Peones en general
Para la atención de los trabajos tanto de residencia y superintendencia, se deberá disponer en el sitio de la obra de
una oficina, un almacén y un taller, las cuales casi siempre,
en este tipo de obras, son desmontables.
16
Como maquinaria mínima indispensable para la construcción de estas pequeñas presas, cuando el banco impermeable de construcción se encuentre a no más de 1.5 Km
de acarreo es el siguiente:
2 Motoescrepas autocargables
2 Tractores D-7
1 Camión Pipa
1 Cargador frontal
4 Camiones de volteo
1 Rodillo Pata de cabra
1 Riper o arado
1 Compresor con equipo de barrenación
2 revolvedoras (1 saco).
En caso de no contar con motoescrepas autocargables se
requerirá un tractor D7 adicional, y cuando el banco de
préstamo se encuentre mas allá de 1.5 Km, será conveniente que en lugar de las motoescrepas autocargables se
sustituyan por dos cargadores frontales y 16 camiones de
volteo.
Operación y mantenimiento.
La operación de este tipo de obras, cuando se tiene una
obra de toma, exige que se maneje de acuerdo a la demanda que se vaya dando, en función de las cabezas de ganado
a atender, así como de los cultivos y superficie establecidos
en la zona de riego. En caso de satisfacer nada mas al abrevadero de ganado, sin tener superficie de riego alguna, no
lleva mas acciones de operación que permitir el acceso de
las cabezas de ganado a la zona del vaso o en bebederos
aguas abajo.
El mantenimiento de la obra consistirá en mantener en
condiciones normales de funcionamiento todos los componentes que integran la obra, desyerbando permanentemente las partes de la obra para evitar el crecimiento de
plantas, el conservar todos los componentes metálicos
debidamente pintados con pintura anticorrosiva, así como
engrasar y lubricar las partes movibles de la obra de toma,
como compuertas o válvulas.
Costos asociados.
Para este tipo de obras, es necesario que la superintendencia lleve un control de los costos de construcción de los
diferentes conceptos de trabajo, de tal forma, que sirvan
de base para modificar el procedimiento constructivo o en
caso de notarse un alto valor en alguno de estos conceptos
se mejore la utilización del equipo y sus rendimientos. También para que se mejore la programación del equipo para
evitar tiempos muertos, su utilización con el máximo rendimiento, la preparación del personal que opera, mantiene
y repara el equipo de construcción, el suministro oportuno
de refacciones, combustibles y lubricantes. En la construcción de estas pequeñas presas debe buscarse abatir los precios unitarios y se maximice los volúmenes de terracerías
con relación a los volúmenes almacenados.
Maquinaria y
Equipo
Motoescrepas
Tractores D-7
Camión Pipa
Camión de volteo
Cargador Frontal
Rodillo Pata de cabra
Palas, Picos Etc.
Información topográfica para la Curva Áreas Capacidades:
Elevación (m)
Área (m2)
Capacidades (en
m3)
1270
100.0
---
1271
730.0
415.0
1272
2,810.0
2,185.0
1273
5,830.0
6,505.0
1274
11,750.0
15,295.0
1275
19,750.0
31,045.0
1276
28,280.0
55,060.0
1277
40,250.0
89,325.0
1278
49,390.0
134,145.0
1279
60,000.0
188,840.0
Solución:
Costos
de la
obra
Piedra
Arena
Grava
Internos
Primero se construye la curva Áreas y Capacidades contra
elevaciones:
A continuación se determina el volumen escurrido:
Insumos
Cemento
Impermeabilizante
Externos
Mano de
obra
Tubería PVC
y accesorios
Cerca
Familiar
Contratada
Ve=Ce pm Ac= 0.12×0.85×200×104
Ve = 204,000 m3
Considerando un Coeficiente de aprovechamiento (Kapr) de
0.6, el volumen aprovechable es:
Vapr = Kapr × Ve =0.6×204,000 =
Vapr= 122,400 m3
Figura. 15. Gráfica Elevaciones Áreas Capacidades
Ejemplo de cálculo.
Se tiene un sitio ubicado en la parte alta de la región hidrológica del Balsas, donde se desea construir un bordo de
almacenamiento con fines de abrevadero y pequeño riego,
se solicita efectuar el proyecto de dicho bordo para lo cual
se tiene:
Ac= 200 Ha = 2 Km2
pm=850 mm
Ce=0.12
Kapr=0.6
Ev=1.05
QAV.MAX.= 3.1 m3/seg (met. Secc. y Pend.); F= 0.45 Km
17
Entrando a la curva de Áreas Capacidades, se determina la
Capacidad Total de Almacenamiento, resultando que:
CTA = 112,000 m3, que se ubica en la cota 1,277.50
m.s.n.m.(N.A.N.), siendo esta la cota donde se ubicara la
cresta de la obra de excedencias, arrojando un área de embalse de 4.5 ha, según la Figura 15.
La capacidad de azolves se calcula con:
Caz= Kaz Nu Ve=0.0015×25×204,000=7,650 m , adicionando
a esta la capacidad para cría de peces como 2,350 m3, se
toma como capacidad muerta a:
3
CM = 10,000 m , que al llevarse este a la curva Elevaciones
Capacidades se ubica el N.A.min. en 1,273.40 m, cota a la
que se ubicara la base de la obra de Toma, arrojando un
área de embalse de 0.8 ha, según la Figura 15.
El número de cabezas que pueden pastar en un potrero, es
determinado por la cantidad de forraje que en él se pueda
obtener; ello condiciona, en gran medida, el tamaño del
abrevadero, tomando además en consideración la distancia que el ganado tiene que cubrir de los pastizales a los
aguajes, condición muy importante para que no pierdan
más de las energías necesarias.
El número de cabezas está determinado por la siguiente
expresión:
100 π d a2
nc 
Ca
3
La capacidad Útil, es:
Cu= CTA - CM
Sustituyendo valores:
Cu = 112,000 – 10,000= 102,000 m3
Cu = 102,000 m3, verificando la segunda restricción
hidrológica, a través de la Cuc=Vapr/Ev= 122,400/1.05=116,571
m3, entonces como: Cu < Cuc, esta bien.
Considerando un 10% de la CTA, como pérdidas por evaporación e infiltración, el Volumen útil es:
Vu = Cu – Vper= 102,000-11,200= 90,800 m3
Este volumen es el que se destina integramente a los beneficios, tanto para abrevadero como para una pequeña
superficie de riego.
Determinación de las capacidades de abrevadero y riego.
El volumen útil destinado para abrevadero y riego dependerá del tamaño y profundidad de la construcción y del
volumen de los escurrimientos que se encaucen hacia el
almacenamiento. El primero esta supeditado al coeficiente
de agostadero, al tamaño de los potreros y a otros factores limitativos. Dentro de los aspectos que deben considerarse para determinar el volumen útil para abrevadero,
pueden mencionarse, entre otros, la precipitación pluvial,
coeficiente de escurrimiento, los que fueron considerados
para el abastecimiento, cantidad de ganado, terreno sobre
el que se construye, pérdidas por filtración y por evaporación, etc.
18
(1)
En la que:nC = Número de cabezas, da = Distancia máxima
en Km que puede recorrer el ganado para abrevar; 16 Km
para una cabeza de ganado mayor y 8 Km para una cabeza
de ganado menor; y Ca = Coeficiente de agostadero, expresado por el número de hectáreas que son necesarias para
mantener una cabeza; 10 ha/cab. en donde predomina el
mezquite y 20 ha/cab. en donde predomina la gobernadora y pastos naturales. El factor 100 resulta de convertir Km2
en hectáreas.
Para determinar la capacidad necesaria de un abrevadero
se puede emplear la siguiente fórmula:
0.1π d 2 D d Td P
a
V 
a
C
a
(2)
en la que:
Va = Volumen útil para abrevadero en m3
Dd = Dotación diaria de agua por cabeza de ganado en lt.
Td = Tiempo en días que se considera que el ganado tomará agua en el abrevadero(en el tiempo de lluvia toman
agua en cualquier depósito o charco).
P = Coeficiente de pérdidas, originado en la filtración o
evaporación.
da y Ca = tienen el mismo significado anterior.
Ejemplo de aplicación de la fórmula.
Para la región donde se ubica el sitio, considerando que
existen pastos naturales y gobernadora, se toman los siguientes valores para los elementos de la ecuación para el
volumen de un abrevadero.
da= 2 Km
Ca = 10 ha / Cabeza
Dd = 40 l/día / Cabeza
Td = 300 días/año
P = 1.3 (30% de pérdidas por evaporación o infiltración)
Va 
0.1 × 3.1416 × 2 2 × 40 × 300 × 1.3
 1,961 m 3
10
Va = 1,961 m3
Si el depósito se va a alimentar con agua de escurrimiento
que tiene su origen en la lluvia y tomando en consideración
que en muchos lugares se presentan años en que poco
llueve, es conveniente duplicar la capacidad del depósito
para aprovechar el agua de los años lluviosos, y asegurar
cuando menos un año de escasa precipitación pluvial. Por
lo tanto, el volumen útil necesario para abrevadero en el
ejemplo que se desarrolla, deberá ser de 3,950 m3.
Puesto que los campesinos generalmente se dedican a actividades mixtas, es decir, a la agricultura y a la ganadería,
es conveniente estudiar la posibilidad de que los abrevaderos cumplan estas dos funciones. Lo anterior se logra
mediante el riego de superficies de cultivo factibles de
irrigación, siempre que el área sea suficientemente grande
para no elevar demasiado los costos por cada hectárea que
implican las obras de riego.
Volumen de abrevadero= 300×15 + 215×6 = 4,500
+ 1,290 =5,790 m3
Diseño de la obra de excedencia.
Este proceso exige la determinación de la avenida máxima,
basados en el estudio hidrológico, para el presente caso
habiéndose efectuado su valor por el método de sección
y pendiente que dio un gasto: Q = 3.1 m3/seg, el cual se
va a comparar con el de la envolvente de Creager, que al
estar ubicado el sitio en la parte alta de la cuenca del Balsas
(región 7B), que para la superficie de la cuenca de 2 Km2,
se obtiene un coeficiente de: q = 9.28m3/seg/Km2, que al
multiplicarse por el área de la cuenca, resulta:
Q= Ac q=2 × 9.28=18.56 m3/seg, pero este valor es para las
corrientes principales, que teniéndose una determinación
puntual por el método de sección y pendiente, y ante la
incertidumbre en su determinación se incrementa un 50%
este último, que a la vez representa el 25% de la calculada
por el método de las envolventes de Creager, teniéndose
así el gasto de avenida máxima:
QAV.MAX.= 3.1×1.5 = 4.65 m3/seg
Figura. 16. Gráfica de las envolventes de Creager
para la región hidrológica del Balsas.
Vabr = 3,950 m3
Vrgo= Vu – Vabr = 90,800–3,950 =
Vrgo = 86,850 m3
Considerando un Volumen bruto para medio riego -Vbmr(riego de auxilio) de 5,000 m3/ha/año
La superficie de riego, es:
Sr = Vrgo/Vbmr= 86,850/5,000=
Sr = 17.40 ha, se dejan 17 ha, lo que hacen un volumen útil
necesario para medio riego de: 85,000 m3, dejándose entonces 5,800 m3 para abrevadero.
Las cantidades necesarias para una cabeza de ganado mayor es de 15 m3/cabeza/año y para una de ganado menor
es de: 6 m3/cabeza/año, por lo que los 5,800 m3, se reparten
en 300 C.G.M. y 215 c.g.m.
Considerándose que el tipo de obra de excedencias es Lavadero (C = 1.45 m1/2/seg), proponiéndose una carga de HV
=0.3 m:
Q = C L HV3/2, despejando la longitud se tiene:
L = Q/CHV3/2 = 4.65/(1.45×0.31.5)=19.52 m, se redondea
esta al metro siguiente:
L = 20.0 m
Por lo que el N.A.M.E.=Elev. N.A.N. + HV = Elev. 1,277.50 + 0.3
= 1,277.80 m, con un área de embalse máximo de 4.78 ha.
19
El libre bordo, como el fetch es de 0.450 Km(< 1.6 Km), se
considera: L.B.=1.0 m, según el cuadro anexo a la Figura. 2.
La carga mínima de funcionamiento, según la ecuación(9),
es:
Quedando la altura máxima de la cortina, en:
HMAX= HNAN + Hv + L.B. = (Elev. 1,277.50 – Elev. 1,270.00)+
0.3+1.0=8.80 m
HMAX = 8.80 m; La Elev. Corona=Elev.Fondo Cauce+HMAX=
Elev. 1,270.00+8.8 = 1,278.80
Según el cuadro de la Figura 3, para HMAX= 8.8 m, se tiene
un ancho de corona de C=4.50 m, y taludes: t1 = 2.5 y t2 =
2.5, valores de la sección que deben ser verificados por el
laboratorio de Mecánica de suelos.
Se toma a la rugosidad absoluta para PVC nuevo
como:ε=0.003 mm, y la rugosidad relativa, es: ε/D
=0.003/203.2=0.00001476; el numero de Reynolds, considerando una temperatura de 20°C, ν=1.01×10-6m2/seg, es:
Re=vD/ν =1.311×0.203/1.01×10-6 = 263,490; Re=263,490,
por lo que sustituyendo en la ec. (10), se tiene:
f 
DISEÑO DE LA OBRA DE TOMA.
Se considera una obra de toma del tipo tubería a presión
y válvulas a la salida, para lo cual tomando en cuenta que
la superficie de riego (Sr), son 17 ha, el gasto normal por
extraer por la obra de toma, según el Cuadro de coeficientes unitarios de riego, mostrada adjunta a la Figura 8, Cur
= 2.5 lps/ha, por lo que se tiene:
QN= Cur Sr = 2.5×17 = 42.5 lps; QN = 0.0425 m /seg
3
Y para efectuar el proceso de diseño se requiere el N.m.o.i,
el que se determina con el almacenamiento mínimo,
dado por:
Am = CM + 0.1 Cu = 10,000+0.1×102,000= 20,200 m3
Entrando con este valor a la gráfica Elevaciones Capacidades se obtiene:
N.m.o.i= 1,274.40 m, este nivel permitirá probar que el diseño de la obra de toma se encuentra correcto.
Se calcula el diámetro necesario en pulgadas con el gasto
en lps:
QN  42.5  6.52" , el siguiente diámetro coD=
mercial de tubería, es el de 8”(0.203 m), proponiéndose
un material de PVC.
Se determina la velocidad media en el conducto:
v=QN/A= 0.0425/(0.7854×0.2032)=1.311 m/seg < 1.5 m/
seg, pero se acepta ya que si se baja al siguiente diámetro comercial, la carga mínima de operación se aleja considerablemente del N.m.o.i, aparte de que como es PVC
las posibilidades de azolvamiento se reducen por el bajo
coeficiente de rugosidad.
20
0.25

 1.476 × 10 −5
5.74 


log
 10 
3.7
263,490 0.9 


2
La suma de los parámetros de pérdida de carga localizada,
observando la fig. 6, se toma a la Obra de Toma conformada con: rejilla(Kr), entrada redondeada(Ke), válvulas-2- (KG)
y codo al final del conducto (KC), es:
Σkx = kr+ke+2KG+kC+ks = 0.05+0.23+2(0.06×0.203-0.37) +0.25
+(1.311-0.4)2/19.62 = 0.53+0.216+0.0426 = 0.7886;
Σkx = 0.789
La longitud de la tubería se calcula con:
L=(Elev.Corona-Elev.N.A.min.+D/2)(t1+t2)+C=
(Elev.1,278.80-Elev.1,273.40 +0.2032/2)(2.5+2.5)+4.5=
5.5016×5+4.5=32.008m
f 
0.25
2

 1.476 × 10 −5
5.74  =


log10 
3.7
263,490 0.9 


= 0.0876×4.1345 = 0.362 m; hmin=0.362 m
Para el N.m.o. se considera que la descarga de la tubería es
a un canal, tal como se muestra en la Fig.10, así es:
N.m.o. = Elev N.N.A.canal+hmin
Elev N.N.A.canal=Elev. N.A.min.+D+Sum=Elev. 1,273.40
+0.2032+0.25=1,273.853
N.m.o. = Elev.1,273.853+0.362= Elev. 1,274.215
Como el N.m.o. es poco menor que el N.m.o.i, se considera
bien diseñada la Obra de toma, con la única deficiencia en
la velocidad mínima, ya que el siguiente diámetro comercial hacia abajo incrementa notablemente la hmin.
A continuación se diseña el canal con el gasto normal, dejando satisfechas las exigencias de:
a) Relación plantilla-tirante, b) d > dc y c) vmin<v<vmax, en la
que: vmax<vadm<v0.8vcrit
Basados en lo anterior se obtuvo la siguiente sección para
el primer tramo de canal:
Q = 0.0425 m3/seg;
n= 0.020
s= 0.0015
m=1.0
b=0.20 m
d= 0.2222 m
dc= 0.132 m
A = 0.0938 m2
p = 0.8285 m
r = 0.1132 m
v = 0.45 m/seg
e = 0.10 m
er = 0.05 m
b/d = 0.9001
BIBLIOGRAFÍA.
Arteaga, T. R. E.(1985)”Normas y Criterios Generales que rigen el proyecto de un Bordo de Almacenamiento”, Depto.
de Irrigación, UACh., Chapingo, Méx.
Bautista Vélez, Héctor (1975)”Construcción de Pequeños
Almacenamientos”, Simposium sobre Pequeños Almacenamientos, SMMS, México D.F.
Elaboró: Dr. R. Eduardo Arteaga Tovar,
[email protected] y [email protected]
Departamento de Irrigación de la Universidad Autónoma
Chapingo, Chapingo, Méx
Revisión Técnica: Dr. Demetrio S. Fernández-Reynoso. Departamento de Hidrociencias, Colegio de Postgraduados.
Se obtiene la cota de inicio del canal, con:
Cota Inicio Canal=Elev.N.N.A.-d=Elev. 1,273.853-0.2222 =
Elev. 1,273.631
Se determina la sección para el gasto máximo, cuando la
elevación del embalse es el N.A.M.E., por lo que siguiendo
le procedimiento establecido, se llega a la siguiente sección:
Q = 0.138 m3/seg;
A = 0.2272 m2
n= 0.020
p = 1.2946 m
s= 0.0015
r = 0.1755 m
m=1.0
v = 0.61 m/seg
e = 0.10 m
b=0.20 m
d= 0.387 m
er = 0.05 m
hMAX= 3.798 m
N.Max.A. canal=1,274.018
Con lo anterior se diseña el limitador de gasto, ubicado
en el canal principal a una cierta distancia de la obra de
toma, para el cual el gasto del mismo es:
Qlim=QMAX-QN=0.138-0.0425= 0.0955 m3/seg
Hlim =dMAX – d = 0.387 -0.2222 = 0.1648 m
Considerando que el limitador es un vertedor tipo lavadero, se tiene para la longitud:
Llim = Q/ CHlim3/2=0.0955/(1.45×0.16481.5)= 0.9845 m
Se toma como: Llim = 1.00 m
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