4.3. OBRAS DE ALMACENAMIENTO Las obras de almacenamiento captan el flujo superficial y lo almacenan temporalmente para descargarlo hacia aguas abajo durante tiempos más prolongados disminuyendo los caudales máximos en relación a los que provocaría la tormenta sin ellas. Son muy efectivas en lograr reducir los gastos máximos pero no tiene efecto sobre el volumen total de escorrentía, ya que sólo la postergan temporalmente. Se recomienda emplearlas cuando no se dispone de capacidad de infiltración en el suelo, o cuando los volúmenes de regulación necesarios son importantes. Requieren de aguas relativamente limpias para evitar la acumulación de basuras y su descomposición mientras el agua está almacenada. Además necesitan espacios generosos. Si se considera en términos estrictos prácticamente todas las obras alternativas necesitan un cierto volumen de almacenamiento. Se denominan entonces como obras de almacenamiento las que sólo actúan de esta forma, sin capacidad de infiltración de las aguas que reciben. Presentan como ventaja su gran efectividad en reducir los caudales máximos y la posibilidad de emplearlas para otros fines, especialmente recreativos. Como desventaja están las necesidades de espacio. Como obras de almacenamiento se consideran estanques y lagunas. En ambos casos se trata de obras superficiales, construidas sobre la superficie del terreno, aguas abajo de la zona a la cual sirven, de la cual reciben las aguas lluvias que escurren superficialmente o conducidas mediante colectores locales. Los estanques están normalmente vacíos y se llenan de agua sólo durante las lluvias. Las lagunas están normalmente llenas de agua y se ocupa la parte superior para almacenar aguas lluvias. En ambos casos se puede hablar de almacenamiento concentrado o difuso, dependiendo de las alturas de agua con que operen. Estas obras pueden operar en serie hidráulica con otras obras alternativas, como es el caso de obras de infiltración, o canales de drenaje urbano. De esta manera pueden emplearse como elementos de almacenamiento para alimentar con caudales reducidos obras de infiltración como zanjas, pozos o estanques de infiltración, evitando que estos dispongan de grandes volúmenes de retención para acomodar los gastos que reciben a los que pueden infiltrar. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 275 4.3.1. ESTANQUES DE RETENCIÓN a. Descripción. Los estanques de retención se diseñan de manera que se vacíen totalmente después de un periodo relativamente corto una vez que pasa la tormenta y por lo tanto la mayor parte del tiempo se encuentran vacíos o secos. Se trata de una adaptación de los embalses de control de crecidas, con elementos que permiten su empleo en zonas urbanas. Estos estanques se consideran del tipo secos ya que, en general, no tienen una zona permanentemente llena de agua, y si la tienen, es de tamaño reducido. El objetivo fundamental de estos estanques es reducir los caudales máximos hacia aguas abajo. Se supone que si bien eventualmente pueden capturar cantidades significativas de sedimentos, estos deben ser retirados posteriormente a su decantación de manera de mantener habilitado el volumen de retención de diseño y poder emplear la mayor parte de la superficie del estanque con otros fines durante el periodo entre tormentas. Desde el punto de vista público son también importantes estos fines secundarios, de manera que en el diseño es indispensable prestar especial atención a los elementos relacionados con el paisajismo y los otros usos. Son alimentados de aguas lluvias que han escurrido por techos, calles, estacionamientos, conjuntos residenciales, áreas comerciales e incluso áreas industriales. Pueden ser empleados como parte o en conjunto con otras obras alternativas de control de aguas lluvias en zonas urbanas. Frente a los cinco objetivos básicos propuestos para las obras alternativas de drenaje urbano el comportamiento de los estanques de retención es el siguiente: Disminuyen el caudal máximo Disminuyen el volumen escurrido Permiten otros usos alternativos Recargan la napa de agua subterránea Mejoran la calidad del efluente El principal efecto corresponde a la regulación de la crecida que se traduce en una disminución del caudal máximo a la salida del estanque en comparación con el que llega a él, lo que se logra colocando el estanque de retención a la Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 277 4.3.1. ESTANQUES DE RETENCIÓN salida de una urbanización, como se ilustra gráficamente en el esquema de la Figura 4.3.1.1. Figura 4.3.1.1: 1.- Manzanas de la zona urbanizada, 2.- Área verde, 3.- Red interior de drenaje (opcional), 4.- Estanque de retención, 5.- Conexión a la red general de drenaje. Estos estanques están formados por una serie de elementos básicos cuya disposición general se ilustra en la Figura 4.3.1.2. Figura 4.3.1.2: Esquema de los elementos principales de un estanque de regulación. 1.- Entrada, 2.- Disipador de energía (opcional), 3.- Sedimentador (opcional), 4.- Zona compatible con otros usos, 5.- Canal de flujos bajos, 6.Zona inferior, 7.- Obra de descarga, 8.- Vertedero de seguridad, 9.- Conexión a red de drenaje. Las fotografías siguientes ilustran ejemplos de estanques de retención en Estados Unidos. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 278 4.3.1. ESTANQUES DE RETENCIÓN Figura 4.3.1.3: Ejemplo de estanque de retención como parque a lo largo de una calle, Fort Collins, E.E. U.U. Figura 4.3.1.4: Estanque de retención de un sólo nivel en Fort Collins, Colorado, EE.UU. Figura 4.3.1.5: Estanque de retención con un muro vertical en Fort Collins, E.E.U.U. Las figuras siguientes ilustran ejemplos adicionales de estanques de retención en Estados Unidos y en Francia. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 279 4.3.1. ESTANQUES DE RETENCIÓN Figura 4.3.1.6: Estanque de retención en Liourat, Francia. Los gastos menores pasan por un ducto subterráneo (3) bajo la cancha. Figura 4.3.1.7: Estanque de retención en Denver, EE.UU. con canchas y estacionamientos. Figura 4.3.1.8: Estanque de retención en un parque de Chicago, EE.UU. usado como área de recreación. Los flujos bajos pasan por un desvío lateral subterráneo (3). Figura 4.3.1.9: Estanque de retención en Chemin de Cleres, Francia, construido en una hondonada cubierta de pasto. b. Ventajas e inconvenientes. Además de reducir los caudales máximos y de mejorar la calidad de los efluentes, pueden diseñarse de manera de proporcionar beneficios adicionales por otros usos. Entre ellos se puede Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 280 4.3.1. ESTANQUES DE RETENCIÓN considerar el aprovechamiento de espacios abiertos para recreación y paisajismo. Como una ventaja adicional al control de crecidas la retención del agua lluvia durante tiempos prolongados en el estanque, del orden de 12 a 36 horas, puede tener efectos deseables en la calidad del efluente, debido a que la remoción de sólidos suspendidos y metales puede ser de moderada a alta, mientras la remoción de nutrientes es de moderada a baja. Si en el diseño se considera una pequeña zona con una laguna permanente se hace más eficiente la remoción de contaminantes solubles, así como también si se considera una canalización para flujos menores. El principal actor para controlar la remoción de contaminantes es el tiempo de vaciamiento proporcionado por el diseño de los elementos de evacuación. Metales, grasas, aceites y algunos nutrientes, tienen afinidad por los sedimentos suspendidos de manera que son removidos parcialmente por sedimentación. Debido a que son diseñados para vaciarse lentamente, sus fondos y las partes más bajas son inundados frecuentemente y por periodos de tiempo relativamente prolongados, dependiendo de la frecuencia de lluvias en el lugar. En estas zonas frecuentemente inundadas los pastos tienden a morirse, prevaleciendo especies que pueden sobrevivir a estas condiciones. Adicionalmente el fondo es el depósito de todos los sedimentos que precipitan en el estanque. Como resultado el fondo puede estar barroso y presentar apariencias indeseadas. Para reducir estos inconvenientes y mejorar la capacidad del estanque para otros usos, como recreación pasiva, se sugiere considerar un sector reducido más profundo, o poner este tipo de estanques aguas abajo de una laguna de retención, en la cual la sedimentación ocurre al interior de la zona permanentemente con agua. c. Procedimiento de diseño. El procedimiento de diseño para este tipo de obras considera tres etapas. Un análisis de factibilidad de la obra de acuerdo a las condiciones locales, en segundo lugar el dimensionamiento de los elementos principales y finalmente el diseño de los elementos de detalle. A continuación se plantea lo que debiera considerarse en cada una de estas etapas para el caso de un estanque de retención. Factibilidad. En base a los antecedentes que consideran las condiciones climáticas, las características del suelo, la existencia de agua subterránea, las propiedades de la urbanización, incluyendo la disponibilidad de espacio, sus destinos y tipo, así como el comportamiento esperado de los usuarios y vecinos, se debe decidir si es conveniente recurrir a un estanque de retención para amortiguar el efecto de las aguas lluvias. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 281 4.3.1. ESTANQUES DE RETENCIÓN Para decidir la factibilidad del estanque de retención reúna los siguientes antecedentes: Plano de ubicación de la obra, en el cual se indiquen la comuna, calle y número si corresponde o su relación a calles cercanas. Límites de las áreas aportantes de agua, ubicación del estanque y sector al cual rebasa. Certificado de la municipalidad respectiva en el cual se indique que el emplazamiento del estanque no presenta inconvenientes de acuerdo al Plano Regulador Comunal para el uso del suelo con esos fines. Certificado del SERVIU indicando las condiciones de descarga y evacuación hacia aguas abajo autorizadas para el estanque en ese lugar. Deberá indicarse si se autoriza alguna de las siguientes posibilidades: a) descarga a una zona con red de drenaje desarrollada, b) descarga a una zona sin red de drenaje desarrollada, c) Limitaciones de descarga según capacidad a determinar por el proyectista. Como toda obra de infraestructura el emplazamiento del estanque requerirá de los espacios necesarios para su construcción. La autorización para el uso del suelo con estos fines deberá requerirse del propietario respectivo cuando este no sea el ejecutor de la obra. El permiso deberá gestionarse según el caso ante el particular o la autoridad pública o fiscal. Dimensionamiento. El dimensionamiento de los estanques de retención y de sus elementos principales requiere disponer de las características del terreno y del suelo base, así como también de estudios hidrológicos e hidrogeológicos. Además de los antecedentes mencionados en la Factibilidad para el dimensionamiento el proyectista reunirá los siguientes: Plano a una escala adecuada en el que se muestren las superficies que drenan al estanque y la naturaleza de cada una. Cuadro de superficies, con indicación de áreas y coeficiente de escorrentía de cada tipo, (techos, pavimentos impermeables, porosos, áreas verdes con y sin vegetación, calles, veredas y otros). Precipitación máxima de 24 hrs. de duración y 10 años de período de retorno según la D.G.A. (1991). Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 282 4.3.1. ESTANQUES DE RETENCIÓN Con los antecedentes mencionados se abordarán los siguientes aspectos: Hidrología. Estimar los gastos máximos de las crecidas de periodo de retorno entre 2 y 200 años afluentes al lugar, tanto en condiciones naturales como totalmente urbanizadas. Se requiere conocer el uso del suelo, las características de las lluvias, la topografía del sector, y el proyecto de urbanización. Terreno. Disponibilidad de espacio, elementos de la red de drenaje natural del sector. Existencia de redes de colectores hacia aguas abajo. Límites de la zona y el comportamiento de las aguas lluvias que pueden llegar por escurrimiento superficial. Estimar la capacidad máxima de descarga o evacuación del sistema hacia aguas abajo, la forma en que se realizará la descarga y sus efectos. Volumen del estanque. Con los antecedentes disponibles se procede a determinar el volumen de almacenamiento necesario del estanque. Se determinan los volúmenes del nivel inferior y el superior. Establecer las cotas de fondo de cada nivel así como de los umbrales de los elementos de descarga, evacuación y entrada. Hacer un diseño en planta del estanque que considere los volúmenes mencionados de acuerdo al espacio disponible y los usos que se le darán a los terrenos adicionales al control de aguas lluvias. Establecer las curvas de volumen almacenado y de área inundada en función de la altura de agua en el estanque. Descarga. Seleccionar un diseño para el elemento de descarga y proceder a su dimensionamiento para la crecida de diseño. Seleccionar un diseño para el evacuador de crecidas y proceder a su diseño. Determinar la curva de descarga en función de la altura de agua en el estanque, considerando ambos elementos. Verificación de los volúmenes de almacenamiento necesarios procediendo a realizar un rastreo de las crecidas de diseño de los elementos de vaciamiento, descarga y evacuación, con las propiedades disponibles. Realizar los cambios necesarios en los elementos de descarga y evacuación. Diseño de detalle. El diseño de detalle normalmente se traduce en los planos para la construcción de la obra y todos sus elementos complementarios. En esta etapa se debe proceder al diseño y dimensionamiento de las obras auxiliares como son la de entrada y su disipador de energía, si es necesario, el desarenador, el canal de flujos bajos y su entrega a la zona inferior, los muros del estanque, los caminos de acceso para la mantención del estanque y su Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 283 4.3.1. ESTANQUES DE RETENCIÓN operación, la colocación de barandas, rejas, letreros. También debe considerarse la vegetación, necesidades de plantación, el riego y otros requisitos. Además deben agregarse todos los elementos necesarios para el empleos del lugar con propósitos múltiples como recreación, paisajismo, deportes. d. Factibilidad y Condiciones generales. Normalmente el espacio requerido para este tipo de estanques es aproximadamente entre un 0,5 a un 2 por ciento del total del área aportante. Pueden instalarse en cualquier tipo de suelos, pero ello debe considerarse en el diseño. Aunque el suelo tenga capacidad de infiltración esas propiedades se verán alteradas una vez que opera el estanque de manera que pueden considerase nulas en el largo plazo. Similarmente los niveles altos de agua subterránea tampoco afectan la selección de este tipo de estanques, aunque ello debe considerarse en las condiciones de diseño. En el caso de zonas con niveles de agua subterránea muy altos es mejor considerar una laguna de retención que puede tener su fondo bajo estos niveles permitiendo manejar zonas permanentemente con agua. Los costos de construcción de estos estanque pueden ser prohibitivos si es necesario realizar grandes excavaciones. Se requieren ensayos de suelos y la confección de calicatas para verificar las condiciones del subsuelo. Es preferible instalarlos en pequeñas depresiones, o en el inicio de quebradas o elementos menores del sistema de drenaje natural. Como volumen de amortiguación de crecidas de aguas lluvias urbanas en estos estanques se emplea principalmente el que queda sobre el umbral del elemento de descarga, el cual debe diseñarse de manera que sea capaz de evacuar los caudales máximos regulados y entregarlos al sistema de drenaje hacia aguas abajo de manera segura. Además debe proveerse de un vertedero de seguridad para caudales grandes con una revancha o borde libre que evite el vertido del agua por sectores no preparados para ello, evitando las fallas catastróficas. Debe considerarse la forma en que se evitará que una vez construida la obra le lleguen aportes adicionales de cuencas laterales, por la urbanización de sectores ubicados aguas arriba o por trasvases desde otras urbanizaciones. e. Dimensionamiento. Determinación del tamaño del estanque y los elementos principales. Los volúmenes comprometidos en un estanque de retención así Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 284 4.3.1. ESTANQUES DE RETENCIÓN como los niveles de las principales obras en relación a ellos se ilustran en la Figura 4.3.1.10. Figura 4.3.1.10: Volúmenes de almacenamiento: V1.- Crecidas frecuentes, V2.- Crecidas menores, V3.- Crecidas medianas, V4.- Crecidas mayores. Niveles: 1.- Fondo del estanque, 2.- Umbral de la cámara de descarga, 3.- Umbral del vertedero de seguridad, 4.- Muros del estanque. La Figura 4.3.1.11 muestra un esquema en planta de los elementos que deben considerarse en el diseño de un estanque de retención y la relación que cumplen entre ellos, y en la 4.3.1.12 se muestra un perfil que permite apreciar los niveles de cada elemento en relación a las principales dimensiones del estanque. Figura 4.3.1.11: Disposición en planta de los elementos típicos de un estanque de retención: 1.- Entrada, 2.- Disipador de energía (opcional), 3.- Zona de sedimentación, (opcional), 4.- Canal para flujo menores, 5.- Zona del nivel superior, para otros usos, 6.- Zona del nivel inferior, para tormentas frecuentes, 7.- Cámara de descarga, 8.- Ducto de descarga y vaciamiento, 9.- Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 285 4.3.1. ESTANQUES DE RETENCIÓN Vertedero de seguridad, 10.- Salida, 11.- Acceso mantención, Muro de tierra. 12.- Figura 4.3.1.12: Elementos en el perfil longitudinal del estanque: 1.- Entrada, 2.- Disipador de energía, 3.- Sedimentador, 4.- Separador de la zona de sedimentación, 5.- Canal de flujos bajos, 6.- Zona superior, 7.- Zona inferior, 8.- Cámara de descarga, 9.- Vertedero de seguridad, 10.- Muro principal, 11.- Entrega a la red de drenaje. Geometría del estanque. La forma en planta del estanque debiera considerar una expansión gradual desde la zona de entrada del flujo y una contracción hacia la salida, de manera de evitar el efecto de cortocircuito del flujo en condiciones de diseño. La razón entre el largo del estanque y el ancho máximo no debe ser menor de 2, y cuando sea posible al menos del orden de 4. Diseño en dos niveles. Se recomienda un diseño con dos niveles del estanque de manera que una parte de él, más profunda, se llene frecuentemente, con lo que se logra minimizar las veces que el agua permanece tiempos prolongados sobre todo el terreno ocupado por el estanque, así como el depósito de sedimentos en todas partes. El nivel superior debe tener profundidades del orden de 0,5 a 1,5 metros con su fondo en pendiente del 2% hacia un canal para flujos bajos. El nivel inferior debe estar 0,4 a 1,0 metros más profundo que el anterior y ser capaz de almacenar del 10 al 25% del volumen mínimo de regulación necesario para la crecida de diseño. Las Figuras 4.3.1.13 y 4.3.1.14 muestran ejemplos de diseño de estanques de uno y de dos niveles. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 286 4.3.1. ESTANQUES DE RETENCIÓN Figura 4.3.1.13: Ejemplo de un estanque de un sólo nivel, con el canal para flujos menores diseñado por un costado, de manera de maximizar la superficie destinada a otros usos. A.- Nivel de descarga, B.- Nivel de vertido, C.- Nivel de coronamiento de los muros. Figura 4.3.1.14: Ejemplo de un estanque de retención de dos niveles con el canal para flujos bajos por el centro y la zona inferior junto a la cámara de descarga. A.- Nivel máximo de la zona inferior, B.- Nivel de descarga, C.- Nivel del vertedero, D.- Coronamiento de los muros. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 287 4.3.1. ESTANQUES DE RETENCIÓN Usos múltiples. Cuando sea posible es conveniente destinar los espacios ocupados por estos estanques a otros fines, como es la recreación pasiva o activa, o hábitat de vida silvestre. Cuando se considere la recreación es indispensable un diseño en dos niveles, así como limitar la inundación del nivel superior a pocas ocurrencias durante un año ( por ejemplo no más de dos en promedio). Generalmente el área ocupada por el volumen mínimo no es recomendable que se emplee para recreación activa, como canchas deportivas, zonas de juegos infantiles o picnic. Incluso esta parte del estanque puede estar frecuentemente llena de agua durante la temporada de lluvias. Área aportante y coeficientes de escurrimiento. El área impermeable equivalente aportante de la cuenca que drena hacia el estanque se calcula como la suma de las áreas de cada tipo ponderadas por el coeficiente de escurrimiento que les corresponda, de acuerdo a las recomendaciones de la Tabla 3.1.2.7. Para el conjunto conviene calcular un coeficiente de escorrentía como esta suma ponderada dividida por el área total, considerando tanto la situación original previa a la urbanización como la totalmente desarrollada, con el máximo de superficies impermeables, al final del plazo de previsión o de la vida útil de la obra. Tiempo de concentración. Para seleccionar lluvias de diseño adecuadas es necesario conocer el tiempo de concentración de la cuenca. Este se puede estimar con alguna de las relaciones propuestas en la Tabla 3.1.2.6, seleccionando la que mejor represente las condiciones del lugar. Se debe estimar un tiempo de concentración de la cuenca aportante en condiciones naturales, o previas al proyecto, y otro en condiciones de máximo desarrollo futuro para el fin del plazo de previsión o vida útil de la obra. Lluvias de diseño. Para dimensionar los volúmenes del estanque y los elementos de entrada, vaciamiento, descarga y vertido hacia aguas abajo es necesario conocer las propiedades de las crecidas que llegan al estanque. Para ello se seleccionan lluvias de diferentes periodos de retorno. Se recomienda emplear las siguientes para los diferentes elementos a dimensionar: Si hacia aguas abajo existe un sistema de drenaje, natural o artificial, desarrollado: T=5 años para las lluvias menores. T=10 años para las lluvias medianas T=100 años para las lluvias grandes Si hacia aguas abajo no existe una red de drenaje desarrollada: Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 288 4.3.1. ESTANQUES DE RETENCIÓN T=5 años para las lluvias menores T=10 años para las lluvias medianas T=200 años para las lluvias grandes La autoridad municipal o el SERVIU podrán requerir periodos de retorno diferentes a los indicados de acuerdo a las condiciones del lugar. Las lluvias de diseño correspondientes se seleccionan con las intensidades de lluvias en el lugar del periodo de retorno respectivo y duración igual al tiempo de concentración de la cuenca aportante. Crecidas de diseño. Una vez conocidas las lluvias de diseño es necesario estimar las características de las crecidas de diseño correspondientes, incluyendo los caudales máximos, tiempos de ascenso del hidrograma y volumen. Para ello puede emplearse el método racional modificado suponiendo un hidrograma triangular con un tiempo al máximo igual al tiempo de concentración de la cuenca y un gasto máximo, Q en m3/s, dado por: Q= CiA 3,6 (4.3.1.1) donde C es el coeficiente de escorrentía equivalente de toda la cuenca de área A, en km2, i la intensidad de la lluvia en mm/hora Caudal máximo de descarga. El caudal máximo que puede descargar el estanque a través de la obra de descarga depende de las condiciones de aguas abajo, es decir de la capacidad de recibir caudales que tenga el sistema de drenaje, (natural, artificial o inexistente formalmente), hacia el cual el estanque entrega el agua retenida. Este caudal se determinará como el menor entre los siguientes: El gasto máximo generado por la lluvia de diseño de periodo de retorno correspondiente a lluvias medianas, en condiciones naturales de la cuenca aportante. La capacidad estimada con que puede operar el sistema de drenaje receptor para tormentas de periodo de retorno de lluvias medianas. La capacidad de la obra que recibe los gastos descargados si el estanque opera en serie como elemento de regulación de otra obra Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 289 4.3.1. ESTANQUES DE RETENCIÓN alternativa (otra obra de retención, obras de infiltración, canales de drenaje urbano, etc.). La autoridad municipal o el SERVIU podrán establecer caudales inferiores a los que resulten de los cálculos indicados si así lo recomiendan las condiciones del lugar Cámara de descarga. Esta permite controlar los caudales que el estanque entrega hacia aguas abajo, de manera que para las tormentas de diseño no se sobrepasen los caudales máximos permitidos. El volumen de almacenamiento del estanque hasta el nivel del umbral de la cámara de descarga permite almacenar las crecidas que llegan a él provocadas por lluvias de periodo de retorno correspondientes a lluvias menores, evacuándolos de manera continua a través del desagüe de fondo. El fondo de la cámara se coloca a un nivel tal que sea posible vaciar totalmente el estanque mediante el elemento de vaciado. El nivel del umbral de la cámara se determina de manera que bajo él se puedan almacenar las tormentas menores. Las dimensiones interiores de la cámara de descarga deben permitir una adecuada mantención, para lo cual se recomienda que sean al menos de 0,8m, con una altura no superior a 2,0. Para alturas superiores a 1,5m es conveniente disponer de escalines por la parte interior para acceder al fondo. Existen diferentes alternativas de diseño para la cámara de descarga, la mayoría de ellas en base a una cámara vertical conectada mediante una tubería al sistema de drenaje hacia aguas abajo a través de la cual se vacía continuamente el estanque. Esta tubería pasa bajo el muro principal del estanque. La cámara está abierta en su parte superior de manera que a través de ella puede verter el caudal una vez que el estanque se llena hasta ese nivel. En la pared frontal de la cámara, hacia el estanque, se puede disponer de diferentes elementos alternativos para vaciar totalmente el estanque. Las fotografías siguientes muestran casos típicos. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 290 4.3.1. ESTANQUES DE RETENCIÓN Figura 4.3.1.15: Cámara de descarga simple. Figura 4.3.1.16: Cámara con una placa de acero y orificio de descarga controlada. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 291 4.3.1. ESTANQUES DE RETENCIÓN Figura 4.3.1.17: Cámara con orificio lateral y vertedero superior. La forma de la cámara depende de la selección y disposición del sistema de vaciamiento del estanque. A continuación se muestran algunas alternativas típicas. En general se trata de un vertedero rectangular, conjunto de orificios, combinaciones de ambos o de una tubería de desagüe externa a la cámara. No se recomiendan sistemas mecánicos como válvulas o compuertas que requieran la acción de operarios durante las tormentas. Figura 4.3.1.18: Cámara de descarga simple. 1.- Reja de basuras, 2.- Ducto de salida, 3.- Muro principal, 4.- Fondo del estanque. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 292 4.3.1. ESTANQUES DE RETENCIÓN Figura 4.3.1.19: Cámara de descarga con un orificio de vaciamiento total. 5.Umbral de la cámara, 6.- Orifico de vaciamiento. Figura 4.3.1.20: Cámara de descarga con múltiples orificios. Figura 4.3.1.21: Cámara de descarga con tubo perforado para vaciamiento total. 7.Tubo perforado, 8- Protección de bolones o enrocados. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 293 4.3.1. ESTANQUES DE RETENCIÓN Conducto de salida. El conducto de salida desde la cámara de descarga se dimensiona de manera que en las condiciones de descarga máxima, con el estanque lleno hasta el umbral del vertedero de seguridad, no se sobrepase el gasto máximo permitido hacia aguas abajo, considerando una tormenta de periodo de retorno correspondiente a lluvias medianas. El esquema siguiente permite relacionar los principales elementos de la descarga con los niveles del estanque para fines de diseño. Figura 4.3.1.22: Definición de variables para el diseño del ducto de salida del estanque. A.- Nivel del umbral de la cámara de descarga. B.- Nivel del umbral del vertedero de seguridad. D.- Diámetro del ducto de salida. H.- Carga hidráulica de diseño. L.- Largo del ducto de salida. Para dimensionar el conducto se puede relacionar el gasto máximo de evacuación, Qevac, con las propiedades del conducto mediante la relación: 2 gH Qevac = A K 1/ 2 ≤ Qmax (4.3.1.2) donde A, en m2, es el área transversal del conducto en la sección de salida, H, en metros, es la carga hidráulica, considerada como la diferencia de nivel entre el umbral del vertedero de seguridad y el eje de la sección de salida, si descarga libremente, o el nivel del agua a la salida si la descarga es sumergida; K es el coeficiente de pérdida de carga total en el conducto en términos de altura de velocidad de salida (KV2/2g), considerando las pérdidas en la entrada (0,2), la salida (1,0), y la fricción dependiendo de las propiedades del tubo y su largo, de manera que el valor total de K se calcula como: Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 294 4.3.1. ESTANQUES DE RETENCIÓN K = 0,2 + 1,0 + f L D (4.3.1.3) L es el largo del tubo, en metros, y D su diámetro, también en metros, f es el coeficiente de fricción que depende del material y las condiciones del escurrimiento. Se pueden adoptar los siguientes valores: Material Factor de fricción, f. Plástico ( PVC, Duratec) 0,012 Acero 0,015 Cemento asbesto 0,016 Cemento comprimido 0,020 En todo caso para facilitar la mantención se recomienda que el diámetro del tubo no sea muy pequeño, para lo cual se recomiendan los siguientes valores dependiendo de su longitud: Largo (m) Diámetro mínimo, mm. Menor de 6 m Desde 6 m a 20 m Más de 20 m 100 200 300 Si el diámetro del ducto de salida resultante es inferior a los diámetros indicados por mantención es conveniente adoptar este último y restringir la descarga a las condiciones de diseño mediante una placa orificio de área A colocada a la salida de la cámara. Elemento de vaciado. Se debe diseñar un elemento especial que asegure el vaciamiento total del volumen almacenado bajo el nivel del umbral superior de la cámara en un tiempo razonable, de manera de dejar el estanque disponible para la próxima tormenta, o para que la superficie inundada pueda ser empleada en otros fines durante los periodos entre tormentas. Si no se persigue el tratamiento del agua, por ejemplo la sedimentación de partículas finas, este tiempo de vaciamiento puede ser del orden de 12 a 24 horas. Para vaciar totalmente el estanque después de cada tormenta se recurre a varias posibilidades: orificios, vertederos o tubos perforados, conectando el fondo del estanque con la cámara de descarga. Una alternativa muy utilizada y que ha sido desarrollada especialmente para este tipo de estanques por el Distrito Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 295 4.3.1. ESTANQUES DE RETENCIÓN de Control de Crecidas de Denver, USA, considera una tubería perforada vertical adosada a la pared de la cámara y protegida por enrocados, bolones o una reja, como se indica en la Figura 4.3.1.23. Figura 4.3.1.23: Cámara de descarga con tubo perforado para el vaciamiento total. Definición de variables y condiciones de diseño. 1.- Fondo del estanque, 2.- Umbral de la cámara, 3.- Reja, 4.- Conducto de salida, 5.- Tubo perforado, 6.- Tapa, 7.- Enrocados. Este elemento se diseña para vaciar el estanque en 12 horas, considerando que lo entrega a la cámara de descarga. Su gasto máximo debe ser menor que el que evacúa el tubo de descarga. El caudal que puede evacuar este tipo de tuberías, considerando la cámara prácticamente vacía, está dado por la relación (McEnroe et al. 1988): Qvaciado = 0,61 2 Ap 3(c + d ) 2 gh 3 / 2 < Qevac (4.3.1.4) donde: Qvaciado gasto de descarga, menor que la capacidad del conducto de descarga Qevac , m3/s. Área de todas las perforaciones, m2. Ap c distancia entre las líneas extremas de perforaciones bajo agua, m. h Altura de agua medida desde la línea inferior de las perforaciones, m. d distancia entre las líneas de perforaciones, m. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 296 4.3.1. ESTANQUES DE RETENCIÓN La cantidad total de perforaciones para diferentes diámetros de la tubería se recomienda en la Tabla de la Figura 4.3.1.24. El gráfico de la Figura 4.3.1.25 permite estimar el área total de perforaciones dado el volumen a evacuar y la altura de agua inicial, de manera de vaciar el estanque en 12 horas. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 297 N otas: 1: N úmero mínimo de perforaciones = 8 2: D iámetro mínimo de las perforaciones =3mm. T apa Rosca con V entilación de 2,5 a 7,5 cm de D iámetro. Filas Perforaciones de D esagüe. 10 cm 10 cm Canería de fierro D uctil o Acero. Columnas D ETA LLE D IB U JO N O A ESCALA Número Máximo de Columnas Perforadas Diámetro Diámetro de la Perforación (mm) Tubo 6 12 18 25 (cm) 10 6 8 15 8 12 9 20 12 16 12 8 25 20 20 14 10 30 24 24 18 12 Diámetro de la Área de la Perforación(mm) Perforación (cm2) 3 0,07 6 0,28 10 0,79 12 1,13 16 2,01 18 2,54 22 3,80 25 4,91 Figura 4.3.1.24: Determinación del número de perforaciones en el tubo de vaciamiento total. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 299 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN 3 Volumen Almacenado(m ) 10000 1000 Profundidad en el vertedero 25 cm 100 30 cm 40 cm 50 cm 65 cm 90 cm 120 cm 10 1 10 100 1000 2 Area de perforaciones requerida por fila (cm ) Figura 4.3.1.25: Gráfico para la determinación del área de las perforaciones por fila necesarias para vaciar el estanque en 12 horas. Alternativamente puede emplearse un orifico de dimensiones reguladas ubicado en la parte baja de la pared de la cámara. El tamaño del orificio puede estimarse en base al tiempo de vaciado en estas condiciones. Si la superficie libre del estanque no cambia mucho con el nivel del agua, el tiempo de vaciado está dado por: t vac = 2S h Ca 2g donde: (4.3.1.5) tvac : tiempo de vaciado, en segundos. S Área promedio de la superficie del agua en el estanque, m2. h altura de agua a vaciar, puede considerarse como la diferencia entre el nivel del umbral de la cámara y el eje del orificio, m. a: área del orificio, m2. C: Coeficiente de gasto del orificio, adimensional: orifico de aristas vivas C= 0,61 orificio de aristas redondeadas C=0,96 El gasto en m3/s que puede salir por este orificio está dado por: Qvac = Ca (2gh)0,5 Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos (4.3.1.6) 300 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN También debe verificarse que es menor que el que puede evacuar el ducto de salida. Vertedero. El Vertedero de seguridad debe diseñarse sin elementos de control, con capacidad para evacuar crecidas de periodo de retorno de lluvias grandes (con TV igual a 100 a 200 años a lo menos según corresponda) considerando la cuenca aportante totalmente desarrollada, es decir con el máximo de áreas impermeables que puedan haber en el futuro. En el diseño del vertedero se emplearán los criterios y recomendaciones de la hidráulica para este tipo de obras. Se pondrá especial atención en la disipación de energía al pie de la obra y en la conexión al sistema de drenaje hacia aguas abajo. Para el dimensionamiento de este vertedero se puede considerar el gasto adicional al evacuado por la obra de descarga, y sin considerar el posible efecto de amortiguación de la onda de crecida que puede provocar el estanque. El umbral del vertedero se coloca de manera que bajo él se pueda almacenar el volumen de la crecida de diseño de periodo de retorno de lluvias medianas. El caudal de diseño es: Qvertedero = QTV − Qevac (4.3.1.7) Figura 4.3.1.26: Definición de variable para el diseño del vertedero de seguridad. A.- Estanque. B.- Umbral del vertedero de seguridad. C.- Rápido de descarga. D.- Disipador de energía. HV.- Carga hidráulica. En el caso de un vertedero típico de umbral horizontal y pared gruesa el gasto evacuado, Qvertedero en m3/s, depende del ancho de la obra, bv en metros, la carga hidráulica sobre el umbral, Hv también en metros, y un coeficiente de descarga, m, adimensional, función del diseño: Qvertedero = mbv 2 g Hv3/ 2 Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos (4.3.1.8) 301 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Para un vertedero grueso sin aristas se puede adoptar m = 0,36 y para uno con aristas vivas m = 0,31. ( F.J. Domínguez, Hidráulica). Volúmenes de almacenamiento. En un estanque de retención seco el volumen total es la suma de varios volúmenes parciales, cada uno de los cuales se estima para satisfacer una función particular. La Figura 4.3.1.10 muestra estos volúmenes. A continuación se explica la manera en que pueden estimarse. Volumen principal. El volumen de almacenamiento principal de un estanque de retención seco corresponde a la capacidad del estanque hasta el umbral del vertedero de seguridad. Equivale a la suma de V1+V2+V3 en la Figura 4.3.1.10. Este volumen se calcula para retener la crecida generada por tormentas medianas, del orden de 10 a 20 años de periodo de retorno, con la cuenca aportante en su condición de desarrollo máximo, de manera que hacia aguas abajo del estanque no se entreguen caudales máximos mayores que los permitidos. Existen varios procedimientos para estimar el volumen necesario. Para disponer de una idea preliminar se puede recurrir a un método simple que supone una crecida de forma triangular de acuerdo al método Racional Modificado ( ver 3.1.2.d), y un gasto de salida por el evacuador que crece linealmente hasta el máximo. Entonces el volumen necesario está dado por: Vestanque = 0,5Tb (Qme − Qevac ) (4.3.1.9) donde Vestanque es el volumen estimado para almacenar la crecida, en m3; Tb es el tiempo base del hidrograma de entrada, segundos, igual al doble del tiempo de concentración de la cuenca aportante, Qme es el gasto máximo del hidrograma de entrada para la crecida de periodo de retorno de diseño y condiciones de máximo desarrollo, m3/s; y Qevac es el gasto máximo que puede evacuar la cámara de descarga, m3/s, empleado para dimensionar el ducto de salida con la ecuación (4.3.1.2). Otro método más preciso requiere realizar un tránsito de la crecida a través del estanque, para lo cual se debe disponer de al menos un diseño preliminar que permita conocer la relación entre el volumen almacenado en función de la altura de agua, V(h), así como el gasto que sale por el evacuador en función de esa misma altura de agua, Qs(h), además del gasto del hidrograma de entrada al estanque en función del tiempo, Qe(t). El procedimiento típico requiere considerar la ecuación de continuidad en su forma diferencial: dV = Qe − Qs dt Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos (4.3.1.10) 302 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Figura 4.3.1.27: Volumen de almacenamiento principal del estanque en relación al hidrograma de la crecida que entra y la crecida evacuada hacia aguas abajo. 1.- Hidrograma de entrada, 2.- Hidrograma de salida, 3.Tiempo al máximo, 4.- Tiempo base, 5.- Tiempo con agua en el estanque. Como hidrograma de entrada se puede considerar el triangular del método Racional Modificado u otro más sofisticado. Para integrar la ecuación diferencial de continuidad existen diferentes procedimientos que pueden consultarse en la literatura técnica especializada (Vargas y Fernández, 1994). A continuación se presenta uno de los métodos más tradicionales conocido como el de la curva de acumulación (Soil Conservation Service, 1964). En este método se supone que tanto el flujo de entrada como el de salida durante el intervalo de tiempo ∆t suficientemente pequeños se pueden representar por el promedio entre el gasto al inicio y al final del intervalo, es decir: Qe = (I t + I t + ∆t ) 2 (4.3.1.11) representa el ingreso promedio de agua al estanque, mientras que el egreso, E, está dado por: Qs = (Et + Et + ∆t ) 2 4.3.1.12) Entonces la ecuación de continuidad durante un intervalo se escribe como: Vt + ∆t − Vt = (I t + ∆t + I t ) ∆t ∆t − ( E t + ∆t + E t ) 2 2 Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 303 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Esta ecuación se puede reordenar para separar a la izquierda las cantidades conocidas al principio del instante ∆t y a la derecha las desconocidas: (I t + I t + ∆t ) + ( 2Vt 2V − Et ) = t + ∆t + Et + ∆t ∆t ∆t (4.3.1.13) Se supone que todas las cantidades al principio del intervalo son conocidas. Además se conoce el valor del gasto de entrada al final del intervalo y debe determinarse el gasto de salida y el volumen almacenado al final del intervalo. Una vez seleccionado el intervalo de tiempo ∆t se puede construir una relación, gráfica o numérica, de la función 2V/∆t + E, en función de E, del nivel o altura de agua, h u otra variable identificable. Además se supone que se conoce la relación entre V y E. El esquema de solución es el siguiente: Al inicio del intervalo, en el instante t, se conocen los valores de It, Et, Vt, y además el de It+∆t. Con ellos se calcula el término del lado izquierdo de la ecuación (4.3.1.13). El resultado del cálculo anterior es igual al término del lado derecho de la misma ecuación (4.3.1.13), el cual considera valores de almacenamiento y gasto de salida al final del intervalo. Con este valor y la relación construida de esta expresión en función del gasto de salida se obtiene Et+∆t. Con el valor del gasto de salida al final del intervalo se puede conocer la altura de agua y el volumen almacenado al final del intervalo de tiempo de cálculo. El tiempo t+∆t se considera el inicio de un nuevo intervalo de cálculo y se vuelve a la etapa inicial para repetir los cálculos. Volumen de tormentas menores. Este volumen es el almacenamiento bajo el nivel del umbral de la cámara de descarga, desde el fondo del estanque. Corresponde a la suma de V1+V2 en el esquema de la Figura 4.3.1.10. Se calcula para almacenar el volumen generado por crecidas provocadas por tormentas menores, del orden de 2 a 5 años de periodo de retorno, con la cuenca totalmente desarrollada. En general puede ser del 50 al 80% del volumen principal del estanque. Se puede estimar con la ecuación 4.3.1.9 en la cual el gasto máximo de entrada y el tiempo base corresponden a la Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 304 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN crecida de tormentas menores y el gasto de evacuación al máximo del elemento de descarga. Volumen de tormentas frecuentes. En el caso de estanques diseñados con dos niveles, con un volumen para tormentas frecuentes, este se estima para almacenar del 10 al 25% del volumen principal. Corresponde al V1 de la Figura 4.3.1.10. Volumen de crecidas mayores. Corresponde al volumen máximo que puede almacenar el estanque en condiciones extraordinarias, cuando recibe una crecida provocada por tormentas mayores, del orden de 100 a 200 años de periodo de retorno. Es el volumen hasta el nivel de los muros, considerando una revancha de seguridad. En la Figura 4.3.1.10 es la suma de los volúmenes V1+V2+V3+V4. En estos estanques de retención el volumen sobre el umbral del vertedero no se calcula como tal sino que resulta de considerar una altura de agua, o carga hidráulica, sobre el nivel del umbral del vertedero de seguridad, de manera que éste sea capaz de evacuar la crecida correspondiente. Sobre esta altura de agua se agrega una revancha de al menos 30 cm. f. Detalles. Consiste en dimensionar los elementos complementarios para la correcta operación del estanque, así como los necesarios para los usos adicionales que tendrá la obra. A continuación se indican los elementos complementarios para la operación del estanque como regulador de aguas lluvias. Canal de flujos bajos. Este canal permite conducir los flujos menores directamente desde la entrada hacia el nivel de almacenamiento inferior, evitando que para ello ocupe todo el estanque. Se debe proveer de protecciones para la erosión, especialmente en la llegada al nivel inferior. Este canal puede consistir en una pequeña vereda pavimentada si los caudales son pequeños, o en una acequia, o un tubo enterrado. En el caso de estanques construidos en el curso de cauces naturales, este canal puede diseñarse como un canal de drenaje urbano siguiendo los procedimientos que se detallan en 4.5.3. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 305 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Figura 4.3.1.28: Canal de flujos bajos en el fondo de un estanque en Fort Collins, EE.UU. Taludes laterales del estanque. Los taludes deben ser estables y tendidos para limitar la erosión y facilitar los accesos para la mantención del estanque por parte de operarios y maquinaria. Se recomienda que los taludes interiores de los muros sean al menos 4/1=H/V o más tendidos. Entrada. Debe disiparse la energía del flujo a la entrada al estanque tanto para evitar la erosión como para facilitar la sedimentación. Para ello se puede recurrir a disipadores de energía convencionales o protecciones de enrocados. Figura 4.3.1.29: Entrada a un estanque de retención en Fort Collins, EE.UU. Desarenador. Cerca de la entrada es conveniente ubicar un sedimentador de partículas de mayor diámetro, en una zona en la cual se facilite su extracción posterior, con un fondo más firme o sólido. No se trata de un sedimentador convencional sino más bien de una zona del estanque en la cual se concentra el fenómeno para facilitar la limpieza, cerca de la entrada del estanque. Para conformar esta zona se le puede limitar mediante una berma o terraplenes de tierra compactados o enrocados, con un ancho en el coronamiento mínimo de 1,5m y taludes 4/1 o más tendidos, y unido a la parte principal del estanque a través de una conexión de sección transversal colocada de manera de evitar Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 306 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN cortocircuitos con un ancho basal no mayor que el del canal de flujos mínimos. El volumen de esta zona debe ser del 5 al 10 % del volumen principal del estanque. Reja para basura. Si el elemento de salida no está protegido mediante enrocados, se debe disponer de una reja que evite que las perforaciones del tubo de vaciado se tapen con elementos extraños, o que entren a la cámara de descarga. Esta reja debe poderse remover para tener acceso al interior de la cámara. Figura 4.3.1.30: Reja de acero galvanizado sobre la cámara de descarga, Fort Collins, EE.UU. Muros del estanque. Los muros deben diseñarse de manera que no sean sobrepasados por tormentas mayores o extraordinarias de periodo de retorno de 100 a 200 años. El nivel del coronamiento debe considerar al menos un borde libre o revancha de 0,3m sobre el nivel máximo del agua para las condiciones indicadas. Los taludes del muro deben ser por lo menos 3/1=H/V o más tendidos, idealmente 4/1. Preferiblemente los muros deben plantarse con pasto. Los suelos de mala calidad o pobremente compactados deben removerse y reemplazarse en las zonas de fundación del muro. Los suelos de éste deben compactarse al menos hasta un 95% del Proctor Modificado Vegetación. La vegetación en el fondo del estanque ayuda al control de la erosión y a atrapar sedimento. Se recomienda encarecidamente que tanto el fondo, como las bermas, los taludes y zonas laterales se planten con vegetación natural o con pasto regado, dependiendo de las condiciones del lugar y de los usos adicionales de la superficie del estanque. Accesos para mantención Estos estanques deben tener accesos para vehículos que permitan llegar al fondo de la zona del desarenador y al elemento de descarga. Las pendientes máximas de estos accesos no deben ser superiores al 8%. Cuando sea posible se puede proveer de acceso pavimentados, o asfaltados y si no al menos estabilizados con grava o maicillo. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 307 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN g. Construcción. La construcción de obras de almacenamiento es muy similar ya se trate de estanques o lagunas de retención. En general este tipo de obras empleadas en drenaje urbano son de pequeñas dimensiones en comparación con embalses y tranques para otros usos. Los aspectos más complejos de la construcción están ligados a la materialización de los muros de retención, para los cuales deben tomarse todas las precauciones posibles. Las recomendaciones que se mencionan a continuación son válidas sólo para muros de tierra de pequeña altura, menores de 3 metros. Otro aspecto importante es el control de los niveles de todas las obras de evacuación y descarga. Los estanques corrientemente se construyen excavados en el terreno con pequeños muros que represan las zonas bajas del terreno. Además por condiciones de diseño las alturas de agua son pequeñas, menores de 2 metros en los puntos más profundos, y el estanque se encuentra vacío durante largos periodos, lo que reduce las cargas hidrostáticas y los problemas que pueden generar las filtraciones. Por efectos y consideraciones de otros usos, preocupaciones estéticas y de mantención, la inclinación de los taludes está muy por el lado de la seguridad, de manera que aspectos constructivos ligados a la estabilidad de taludes en cortes y muros no es habitualmente una condición crítica. Las principales consideraciones de construcción se relacionan con: a) preparación de terreno antes de la construcción, b) estudios y análisis de los suelos para ser empleados en las diferentes estructuras, c) precauciones en la construcción de terraplenes y excavaciones. Preparación del terreno. Se deben apreciar previamente todos los aspectos que pueden resultar en conflictos o problemas durante la construcción. Estos incluyen sitios con problemas geológicos, o ambientales conflictivos como rellenos, escombreras y basurales. Especial importancia debe darse a la existencia de otras obras o construcciones, necesidades de servidumbres de tránsito o accesos, existencia de redes de servicios ya sea aéreas o subterráneas, que puedan entrar en conflicto con las faenas de construcción. Si la obra se ubica en cauces, quebradas, hondonadas o zonas bajas, es necesario considerar cuidadosamente la época del año y el tiempo de construcción, evitando estar en medio de la construcción cuando empiezan las tormentas y las crecidas. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 308 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Se debe planificar el uso de estructuras temporales. Estas construcciones deben diseñarse dependiendo del tiempo que necesitan ser usadas y de la época del año en que lo harán. Entre las estructuras temporales son relevantes las que evitan la llegada de aguas lluvias a las faenas, conduciéndolas hacia aguas abajo mediante obras provisorias de desvío. Estudios y análisis de suelos. Para la construcción de un estanque es recomendable realizar algunos estudios complementarios que confirmen los realizados durante la etapa de proyecto y que permitan controlar el avance y la colocación adecuada de los materiales empleados en excavaciones y terraplenes. No existe un programa tipo de reconocimiento, ya que cada proyecto tiene sus propias singularidades impuestas por las características del sitio. La mayoría de estos estudios dependerán en gran medida del tamaño del muro o de la magnitud de las excavaciones necesarias, pudiéndose alterar durante el proyecto la cantidad, el tipo y frecuencia de los ensayos. Todas las recomendaciones que se mencionan a continuación son válidas para muros y excavaciones de pequeña altura, menores de 3m. Sondajes bajo la fundación del muro. Estos sondajes se realizan para asegurar que la fundación será hecha en un lugar adecuado y que no se verificarán problemas de falla en el suelo. Ellos pueden variar mucho de una obra a otra y normalmente serán necesario si existen dudas sobre las condiciones de fundación. Los más común es recomendar sondajes de reconocimiento, ubicados a lo largo del eje del muro y en forma perpendicular a este eje en el lugar más alto del muro o ensayos en el lugar repartidos en el eje y el pie del muro en sectores que pueden esperarse como conflictivos. Las zonas a priori más críticas son las de mayor altura del muro, los extremos y los anclajes de obras en hormigón incluidas en el muro como cámaras de descarga, tubos de desagüe y vertederos. Todas estas zonas deben estar particularmente bien caracterizadas. Para muros pequeños los sondajes pueden ser reemplazados por calicatas. Reconocimiento del sitio. Tiene por objeto principal la confirmación de los estudios y antecedentes disponibles sobre la impermeabilidad del estanque y la utilización de la tierra del lugar obtenida de las zonas con excavación o nivelación para la construcción del muro o terraplenes. Si es necesario es el momento de verificar y comprobar las condiciones y características de infiltración para comparar los valores considerados en el diseño y hacer los ajustes que sean Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 309 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN necesarios, o tomar las providencias para proceder a impermeabilizar las zonas que corresponda si ello se requiere. Ensayos de laboratorio. Las muestras recolectadas durante el reconocimiento deben llevarse al laboratorio para los ensayos de identificación y de comportamiento de suelos. Los objetivos de estos ensayos son los mismos que los del reconocimiento: definición de posible reutilización del suelo, estabilidad de la obra y permeabilidad del suelo. En las especificaciones de construcción debe indicarse la cantidad, tipo y frecuencia de estos ensayos, así como indicar los valores con los que se aceptarán los suelos para otros usos. Los ensayos de laboratorio recomendados para este tipo de obras son los que se indican a continuación: a) ensayos de identificación como granulometría y límites de Atterberg, b) ensayos específicos de los movimientos de tierra para caracterizar el estado de los materiales entre los que se incluyen el contenido de humedad y proctor normal, c) ensayos específicos para verificar las hipótesis de cálculo de estabilidad de las obras como son los de peso volumétrico húmedo y seco, compresión simple, triaxial y cizalle, compresibilidad. d) ensayos destinados a medir el coeficiente de permeabilidad k, como por ejemplo el ensayo LEFRANC para terreno u otro en laboratorio bajo carga constante o variable. Excavaciones y movimientos de tierra. Para efectuar y controlar las excavaciones deben establecerse los puntos en los cuales se medirán y controlarán los volúmenes excavados, la forma en que se considerará la sobre excavación y los rellenos necesarios, el destino de los materiales, ya sea provisorios si van a ser empleados en otras etapas de la construcción o definitivos si no van a ser empleados. En caso de necesitarse empréstitos su origen y reglas de aceptación. Los trabajos previos a la excavación comprenden el talado de los árboles (si los hay y se requiere su remoción de acuerdo a las condiciones del proyecto), la remoción de la tierra vegetal, demoliciones varias, el desplazamiento de redes, la instalación de la faena (entre ellas el laboratorio si se considera realizar ensayos en terreno), la disposición de canchas de acopio y almacenamiento de materiales. Considerar la desviación eventual de cursos de agua o evacuación de aguas estancadas. La excavación propiamente tal comienza después de esta preparación inicial en las zonas de desmonte y de terraplén con la remoción y recuperación de la tierra vegetal en las zonas de fundación y anclaje de los muros, la Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 310 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN eliminación de estratos o parte de estratos de suelo de calidad insuficiente en la base de los muros y obras o estructuras de hormigón, la nivelación de zonas altas y bajas en sectores que serán empleados para otros usos. El movimiento de tierra debe considerar un sistema de extracción dependiendo del estado de humedad. Si existen grandes rocas que no pueden removerse por medios mecánicos se puede considerar la posibilidad de incorporarlas al proyecto como elementos naturales del paisaje. Los materiales extraídos del sitio pueden servir para la fabricación del muro del estanque o laguna, si sus características mecánicas e hidráulicas lo permiten. Estas propiedades y las condiciones para ello deberán establecerse como especificaciones técnicas especiales en el proyecto. En caso contrario, se deben disponer en otro sitio y con otros usos. En el caso de muros de pequeña altura el control en obra puede ser similar al empleado en la construcción de terraplenes menores de caminos ( ver Manual de Carreteras del M.O.P.). Un aspecto importante en el control de los movimientos de tierra es el relacionado con los niveles en las condiciones de terminación para asegurar el correcto funcionamiento hidráulico de la obra. Debe establecerse un sistema de control topográfico que asegure la correcta posición de la obra y el nivel de las estructuras de operación y control, incluyendo las pendientes del fondo, la inclinación de los taludes, las cotas de umbrales, desagües, vertederos, cámaras, y demás estructuras consideradas. Para ello deben atenderse cuidadosamente las especificaciones técnicas generales de este tipo de obras, o incluir más detalles en las especificaciones técnicas especiales de las obras. h. Mantención. Este tipo de obras requieren poca o moderada mantención. Es necesario mantenerlos en condiciones operativas, estéticas y para proteger su seguridad estructural. Los estanques de retención pueden generar problemas de suciedad si no se mantienen adecuadamente. En algunos casos puede ser necesario el empleo de pesticidas biodegradables para limitar lo problemas generados por exceso de insectos. La remoción frecuente de objetos flotantes y basuras, así como la mantención adecuada del césped reduce las quejas. Si el agua permanece estancada por periodos largos se generan problemas de mosquitos, olores desagradables y condiciones no deseadas. Debe prohibirse el acceso a las zonas críticas del estanque como son la entrada, la salida, el vertedero y las zonas en que se acumula sedimento. La responsabilidad por estas funciones, de acuerdo con las reglas generales de la legislación, recae sobre el propietario de las obras, el cual será una persona Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 311 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN particular o pública según sea el dominio del terreno en el cual se encuentran emplazadas. Conviene distinguir los problemas de mantención derivados del aseo y ornato de la obra, en cuyo caso implican una responsabilidad municipal, de aquellos que significan una conservación técnica propiamente tal. En este último caso tratándose de vías públicas, como calles, avenidas, veredas, pasajes y similares, la responsabilidad por esta mantención técnica es del SERVIU o de la empresa que tenga la concesión del servicio. Algo similar podría ocurrir con las obras alternativas de drenaje de aguas lluvias en zonas urbanas. Sin embargo es necesario que esta responsabilidad quede claramente establecida desde el punto de vista legal. Si las obras se encuentran en recintos privados, la responsabilidad por su mantención es del propietario o de quienes detenten legalmente el recinto. Las condiciones básicas de mantención consideran aspectos preventivos y curativos. Mantención preventiva. Incluye inspecciones, cuidado de la vegetación y limpieza. Inspecciones. Inspeccionar el estanque de manera de asegurar que continúa funcionando como se espera. Examinar las descargas para detectar obstrucciones, erosión, sedimentación excesiva, crecimiento excesivo de plantas, integridad del vertedero, de los muros de contención y cualquier daño estructural de los elementos. Rutina. Inspección anual de los elementos estructurales e hidráulicos. También verificar problemas obvios durante las visitas de rutina especialmente la obstrucción de las descargas Riego. Ajustar la frecuencia de riego según las condiciones climáticas para mantener una cubierta densa con un mínimo de humedad. No aplicar agua en exceso. Rutina según necesidades del lugar. Cortar el pasto y cuidados del césped. Cortar el pasto ocasionalmente para limitar la vegetación no deseada. Retirar la vegetación seca. Rutina, dependiendo de las necesidades estéticas. Remoción de basura y objetos extraños. Remoción de elementos extraños y basura de todo el estanque para mejorar la estética y evitar que se tapen las descargas. Rutina. Considerar hacerlo antes de la temporada de lluvias y después de las tormentas importantes. Retiro de hojas y ramas durante el otoño. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 312 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Mantención curativa. Solucionar inconvenientes y efectuar reparaciones. Control de erosión. Reparar y resembrar las zonas erosionadas en el estanque y en los canales relacionados. No rutinario. Reparaciones periódicas de acuerdo a las necesidades detectadas en inspecciones Control ambiental. Indicar la existencia de olores, insectos y sobrecrecimiento asociado con aguas estancadas en las partes bajas. No rutinario. Manejar de acuerdo a las inspecciones y las quejas locales. Remoción de sedimentos. Remover los sedimentos acumulados en el estanque principalmente a la entrada y en el fondo. No rutinario. Realizarlo cuando los sedimentos acumulados llenen el 20 % del volumen de retención, o de acuerdo a las indicaciones de la inspección. La parte inicial del estanque puede requerir limpiezas más frecuentes. Estructural. Reparación de las entradas, salidas, descargas, revestimientos de las soleras para flujos bajos, disipadores de energía y de cualquier daño que se detecte. No rutinario. De acuerdo a las necesidades según inspecciones. i. Ejemplo de Estanque de Retención. Considerar la posibilidad de desarrollar un estanque de retención para una urbanización de sitios individuales con viviendas de un piso en un terreno de aproximadamente 5 hectáreas en la comuna de Las Condes. Las características del uso del suelo son las siguientes: Techos Calles Pasajes y veredas Áreas verdes públicas Patios, jardines y antejardines Superficie total urbanizada 11.960 m2 4.970 m2 3.340 m2 5.620 m2 23.520 m2 49.400 m2 Los antecedentes del terreno indican que la superficie libre del agua subterránea se encuentra a más de 20 m de profundidad. Además existe por el lado nororiente de los terrenos un cauce natural que puede servir para descargar los caudales de aguas lluvias. Este cauce actualmente recibe las Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 313 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN aguas lluvias que se generan en estos terrenos en condiciones naturales, previo a la urbanización, y se mantendrá en esas condiciones una vez desarrollado el lugar, o se reemplazará por un colector de aguas lluvias enterrado en el futuro. Factibilidad. En una primera aproximación se requiere del orden del 2% del terreno para un estanque de este tipo, lo que significa unos 1000 m2, que están disponibles en la esquina nororiente del terreno en un área destinada a parque que puede emplearse para la materialización de un estanque de retención de este tamaño. Además el terreno presenta una ligera pendiente hacia este sector, lo que facilitará la recolección de las aguas y hacia el sector del estanque. Según el Balance Hídrico de Chile de la DGA en esta zona la precipitación media anual es del orden de 350 mm, con 28 días de lluvias en promedio al año. Dimensionamiento. Se requiere conocer las propiedades de las lluvias de diseño y dimensionar básicamente el volumen de almacenamiento y el tamaño de los elementos de captación, descarga y evacuación. Aspectos hidrológicos. Para estimar el hidrograma de entrada de caudales al estanque se considera el método Racional Modificado el cual entrega un hidrograma triangular, con un tiempo al máximo igual al tiempo de concentración y un caudal máximo correspondiente al generado por una tormenta de duración igual al tiempo de concentración, Tc. Para calcular el tiempo de concentración de la cuenca aportante se empleará la fórmula de Morgali y Lindsley (Tabla 3.1.2.6) considerando como longitud del escurrimiento superficial L=420 m, un coeficiente de rugosidad de n = 0,02 y una pendiente de S =0,015 promedio para todo el recorrido. Como intensidad de lluvia, i, se estima, como una primera aproximación con la información disponible, la de una tormenta de una hora de duración en Santiago, para 10 años de periodo de retorno, que sería del orden de 12 mm/hora según la Tabla 3.1.2.1. Con estos valores el tiempo de concentración resulta ser: L0 ,6n 0 ,6 4200 ,60,020 ,6 Tc (min) = 7 0 ,3 0 ,4 = 7 = 32,7 min S i 0,0150 ,3120 ,4 Para el dimensionamiento se considerará una lluvia de 30 minutos de duración. El gasto máximo del hidrograma está dado por la ecuación típica del Método Racional: Q = CiA / 3,6 donde C es el coeficiente de escorrentía, i la intensidad de la lluvia de duración igual al tiempo de concentración y A el área de la cuenca aportante en km2. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 314 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Para la situación en condiciones naturales se estima un valor de C=0,30, equivalente al caso de suburbios residenciales según la Tabla 3.1.2.7. Para el caso urbanizado es necesario tomar en cuenta el uso de las distintas áreas y obtener un coeficiente ponderado para el total. Con los valores de las superficies de cada tipo y los coeficientes de la Tabla 3.1.2.7 se obtiene: Tipo de superficie Techos Calles Pasajes Áreas verdes Patios y otros Coeficiente 0,90 0,85 0,75 0,20 0,50 El coeficiente de escurrimiento ponderado resulta ser: Curb = 0,90∗11960 + 0,85∗4970 + 0,75∗3340 + 0,20∗5620 + 0,50∗23520 = 0,61 49400 Para estimar la intensidad de la lluvia de 10 años de periodo de retorno y 30 minutos de duración se inicia el cálculo sabiendo que la lluvia de 24 horas y 10 años de periodo de retorno en la zona de Las Condes es de 83 mm, según la publicación de la DGA sobre Precipitaciones Máximas en 24, 48 y 72 horas. En este caso se ha preferido adoptar el valor que entregan los mapas de la D.G.A. sobre precipitaciones máximas dada la extensión de la ciudad de Santiago, en la cual se sabe que las precipitaciones aumentan considerablemente a los pies de la cordillera y dado que el valor de la tabla 3.1.2.1 es más representativo de lo que ocurre en las comunas céntricas de Santiago. La precipitación de 30 minutos se calcula con la ecuación (3.1.2.1): , P2410CD124 CD3060CF10T P3010 = 11 (4.3.1.10) donde P2410 = 83; CD124 = 0,16 según la Tabla 3.1.2.3 y CD3060 = 0,764 de acuerdo a la expresión (3.1.2.2). Además para un periodo de retorno de 10 años CF10T =1. Entonces: P3010 = 11 , (83)( 0,16)( 0,764)(1,0) = 11,2mm lo que equivale a una intensidad de 22,4 mm/hora. Similarmente se pueden calcular las precipitaciones para otros periodos de retorno: Precipitación máxima en 24 horas = 83 mm Coeficiente de duración de 24 horas a 1 hora = 0,16 Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 315 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Coeficiente de duración de 1 hora a 30 minutos = 0,764 Periodo de retorno, años 5 10 100 Coeficiente de frecuencia (Tabla 3.1.2.4) 0,82 1,00 1,63 Precipitación de 30 min. en el lugar, mm 9,2 11,2 18,3 Intensidad de la lluvia, mm/hora 18,4 22,4 36,6 El gasto máximo que genera una tormenta de 30 minutos y 10 años de periodo de retorno con el terreno en condiciones naturales, previo a la urbanización, es: 10 = CiA / 3,6 = 0,30(22,4)(0,0494) / 3,6 = 0,092 m3 / s Q30 Siguiendo el mismo procedimiento y empleando los coeficientes adecuados se pueden calcular los gastos máximos para otros periodos de retorno y otras condiciones de la cuenca, los que se resumen a continuación: Condición Coeficiente de escorrentía Periodo de retorno, años 5 Intensidad de la lluvia, mm/hr 18,4 Gasto máximo, m3/s Natural Urbanizada 0,30 0,61 10 100 5 10 100 22,4 36,6 18,4 22,4 36,6 0,154 0,188 0,306 0,076 0,092 0,151 Volumen principal del estanque. Aceptando que hacia aguas abajo del estanque se puede evacuar el caudal máximo en condiciones naturales de la crecida de 10 años de periodo de retorno, se aceptará un caudal de evacuación máximo por la cámara de descarga de 92 l/s, con lo cual el volumen estimado de almacenamiento mínimo para el estanque se calcula para una crecida de 10 años de periodo de retorno con la zona urbanizada, con la ecuación (4.3.1.8) tomando en cuenta que según el método racional modificado el tiempo base del hidrograma de entrada es igual al doble del tiempo de concentración de la cuenca aportante: Ves tan que = 0,5Tb (Qme − Qevac ) = 0,5(2∗30∗60)(0,188 − 0,092) = 172,8 m3 Se propone un estanque de 180 m3 de capacidad total. Como se puede apreciar se trata de un estanque bastante modesto ya que sobre una superficie de 600 m2 la profundidad media necesaria es menor de 0,3m. Por lo tanto se hará un diseño de un sólo nivel. Si se estimara necesario hacer un diseño en Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 316 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN dos niveles, el inferior tendría un volumen del 20% del volumen total, igual a 40 m3. Dadas las condiciones del lugar se configurará como un estanque de forma rectangular en planta con dimensiones en la superficie de 15 m de ancho y aproximadamente 40 de largo, dispuesto paralelo a la calle Uno. Los muros del estanque coincidirán con las veredas del sector. La profundidad total de la parte más honda sería del orden de 0,7m donde se ubicará el sistema de evacuación. A lo largo del estanque, por el medio, se dispondrá de un canal de fondo, como una vereda pavimentada. El plano del fondo del estanque tendrá una pendiente hacia el desagüe de 1%. Volumen de tormentas menores. Bajo el umbral de la cámara de descarga se dispondrá de un volumen para almacenar las tormentas menores. Este es del orden del 50% al 80% del volumen principal. En este caso se dejará un volumen del orden de 120 a 140 m3 para estos efectos. Volumen de tormentas frecuentes. Debido a que la cantidad de tormentas al año en la zona de las Condes no son muchas, del orden de 25 a 30, no se dejará un volumen especial para ellas. Es decir en este caso el estanque será de un solo nivel. Figura 4.3.1.31: Dimensiones y niveles de la cámara de descarga A.- Fondo de la cámara, B.- Fondo del estanque, C.- Umbral de la cámara, D.Umbral del vertedero, E.- Coronamiento de los muros, F.- Salida desagüe. Cámara de descarga. Para la evacuación se colocará una pequeña cámara rectangular de sólo 0,5 m de alto conectada mediante una tubería al canal que corre por el nororiente. Con esta altura de la cámara, y la superficie del estanque, se asegura la capacidad para el volumen de tormentas menores bajo el umbral de la cámara de descarga. La disposición de esta cámara es aproximadamente la de la Figura 4.3.1.31. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 317 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN El sistema de evacuación debe ser capaz de entregar como máximo el caudal de 92 l/s cuando el estanque esté lleno hasta la cota del umbral del vertedero. Este se puede estimar de acuerdo a la relación (4.3.1.2) como: Qevac 2 gH = A K 0 ,5 ≤ 0,092 m3 / s donde K es la suma del coeficiente de pérdidas en la entrada (0,2) la salida (1,0) y la fricción en el tubo (fL/D). Se puede adoptar f=0,02 para una tubería típica. Además el desnivel entre el umbral del vertedero, que corresponde al nivel del agua con el estanque lleno, y el eje de la tubería a la salida, es H=0,9 m, L=12 m. Entonces evaluando la expresión para diferentes diámetros de la tubería se obtiene: Diámetro (m) Área del tubo(m2) fL/D Qevac (m 3/s) K 0,10 0,0079 2,4 3,6 0,0175 0,20 0,0314 2,2 2,4 0,0851 0,30 0,0707 0,8 2,0 0,2100 Se observa que con un diámetro de 200 mm el gasto de salida es de 85 l/s, menor que el máximo permitido hacia aguas abajo, de manera que es el que se propone adoptar en este caso. Si se considera la altura de agua desde el fondo del estanque, h en metros, el gasto que sale por la descarga está dado por la relación: 2 g (h + 0 ,2 ) Q = ,0314 2 ,4 0 ,5 = 0,0897 (h + 0,2)0 ,5 para 0,5m < h < 0,7m Vaciamiento. Para el vaciamiento total del estanque, lleno hasta la cota +0,5, en el umbral de la cámara de descarga, se dispondrá de un orifico en la parte inferior, con el eje en la cota +0,0, que descarga hacia la cámara. El caudal que sale por este orificio de área a está dado por la ecuación (4.3.1.6): Qvac = Ca (2 gh)0 ,5 donde h=0,5m. Con un orificio de aristas vivas (C=0,61), de diámetro d=0,1m el gasto máximo, cuando el estanque está con el volumen de tormentas menores lleno, es de 15 l/s. El tiempo de vaciamiento total del Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 318 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN estanque, sin gasto de entrada, y vaciándose sólo por este orificio, está dado por la ecuación (4.3.1.5): t vac = 2S h Ca 2g donde S es el área de la superficie del agua y a el área del orificio. C es el coeficiente de gasto igual a 0,61 en este caso. Con el nivel del agua en el umbral de la cámara de descarga la superficie del estanque es de 10 m de ancho y 40 de largo, es decir S=400 m2 y como para d=0,1m a=0,0079 m2, se obtiene un tiempo de 26.510 segundos que equivalen a 7,4 horas, lo que se estima razonable para las condiciones del lugar. Con las dimensiones establecidas el gasto de vaciamiento en función de la altura de agua en el estanque, medida desde el fondo, h en metros, está dado por: Q= 0,61*0,0079*(2gh)0,5 = 0,0213 h0,5 para 0m < h < 0,5m Vertedero de seguridad. Este deberá ser capaz de descargar un gasto máximo igual a la diferencia entre el de la crecida de 100 años de periodo de retorno, 306 l/s, y el que sale por el evacuador, 80 l/s, de manera que el gasto de diseño es: Qvert = 0,306 − 0,080 = 0,226 m 3 / s Para un vertedero con umbral horizontal de pared gruesa de ancho b, con una carga de agua HV, el caudal está dado por la ecuación (4.3.1.7): Qvertedero = mbv 2 g Hv3/ 2 Adoptando un valor típico de m=0,36 y una altura máxima sobre el umbral de 0,10 m de manera que quede una revancha o borde libre de 0,2m hasta el coronamiento de los muros del estanque, se obtiene un ancho necesario de b= 3,84m para evacuar el gasto máximo de 0,226 m3/s. Se adoptará un vertedero como el mencionado de un ancho de 4m. En estas condiciones el gasto que evacúa el vertedero de seguridad, en función de la altura de agua en el estanque, h en metros, esta dado por: Q= 0,35*4,0*(2g)0,5(h-0,7)1,5 = 6,375(h-0,7)1,5 para 0,7m < h < 1,0m Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 319 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Entonces la función de descarga del estanque, considerando todos los elementos de salida de gasto, sería la siguiente: Para 0m < h < 0,5m sólo por el orificio de vaciamiento: Q = 0,0213 h0,5 Para 0,5m < h < 0,7m sólo por el tubo de descarga: Q = 0,0897(h+0,2)0,5 Para 0,7m < h < 1,0m por el tubo de descarga y el vertedero: Q=0,0897(h+0,2)0,5 + 6,375 (h-0,7)1,5 Disposición general. En base a las dimensiones establecidas para el volumen de almacenamiento y los niveles de los elementos de evacuación se puede establecer una disposición general del estanque, incluyendo los niveles de los elementos de vaciamiento, descarga y rebase, lo que se muestra en los planos adjuntos. El área inundada y el volumen almacenado en función de la altura de agua en el estanque se puede determinar a partir de las dimensiones de la obra, conociendo las curvas de nivel para cada altura y midiendo el área encerrada por cada una de ellas. En este caso se han considerado las curvas de nivel cada 0,1m en el interior del estanque. Si Ai es el área superficial del estanque para la altura hi, el volumen parcial entre dos curvas de nivel consecutivas se calcula como: ∆Vi =0,5(hi -hi-1)(Ai +Ai-1) Para el estanque propuesto el área inundada, el volumen almacenado, el gasto evacuado y la función de almacenamiento en función de la altura de agua se han tabulado en la Tabla siguiente: Altura de agua (m) 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 Área Volumen 2 inundada (m ) almacenado (m3) 0 34 105 230 350 Gasto Función 3 evacuado (m /s) De almac. 0,0 1,7 8,7 25,5 54,5 Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 0,0000 0,0067 0,0095 0,0117 0,0135 0,0000 0,0350 0,1545 0,4367 0,9218 320 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 458 501 546 591 638 94,9 142,9 195,3 252,2 313,7 0,0151 0,0802 0,0851 0,2913 0,6643 1,5968 2,4619 3,3401 4,4950 5,8930 Verificación. Conocidas las dimensiones del estanque y las de los elementos de descarga se pueden establecer las curvas de área inundada y volumen almacenado en función de la altura de agua, así como la función del gasto evacuado en función de la misma altura de agua. Con esta información es posible efectuar el rastreo de una crecida por el estanque, es decir determinar los niveles de agua, volúmenes y caudales de salida, dado un hidrograma de entrada al estanque. Esto permite verificar las dimensiones y condiciones de diseño. El cálculo en esta oportunidad se ha efectuado integrando numéricamente las ecuaciones de continuidad para una crecida de entrada de 10 años de periodo de retorno estimada con el Método Racional. Según se determinó anteriormente la crecida de entrada presenta un hidrograma de forma triangular con un máximo de 188 l/s a los 30 minutos, es decir a los 1800 segundos, y termina en cero a los 3600 segundos. Se empleará como intervalo de tiempo para efectuar el análisis del tránsito de la crecida a través del estanque ∆t = 120 s. Con los valores conocidos de área inundada, volumen almacenado y gasto evacuado en función de la altura de agua se puede construir la relación del término del lado izquierdo, o función de almacenamiento, la que se incluye en la última columna de la tabla anterior. Con estas funciones se integra la ecuación de continuidad numéricamente para cada intervalo de tiempo. Para efectuar la integración numérica se ha confeccionado la tabla siguiente en la cual para cada instante de tiempo se consigna el gasto de entrada, el nivel de agua en el estanque, el volumen almacenado, el gasto de salida y el término del lado izquierdo de la ecuación (4.3.1.13), que corresponde a la función de almacenamiento. Sólo se han incluido algunos intervalos que permiten seguir los cálculos. Tiempo (segundos) 0 120 240 360 480 Gasto de entrada (l/s) 0 12,5 25,1 37,6 50,1 Nivel (metros) 0 0,04 0,10 0,14 0,20 Volumen Gasto de Función de (m3) Salida(l/s) Almac. (l/s) 0 0,4 1,7 4,5 8,7 Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 0 2,5 6,7 8,0 9,5 12,53 41,77 84,30 154,73 321 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN ... 1560 ... 162,9 ... 0,50 ... 95,0 ... 15,1 ... 1615,50 1680 1800 1920 2040 2160 ... 3480 3600 3720 3840 ... 175,5 188,0 175,5 162,9 150,4 ... 12,5 0,0 0,0 0,0 ... 0,53 0,56 0,59 0,61 0,63 ... 0,64 0,62 0,60 0,58 ... 109,0 124,0 138,0 148,0 159,0 ... 164 153 143 133 ... 34,6 54,2 73,7 80,2 81,7 ... 82,0 81,2 80,0 67,0 ... 1906,63 2145,53 2375,93 2564,70 2699,80 ... 2854,60 2663,87 2468,80 2303,33 ... Los resultados como caudal de entrada y de salida en función del tiempo se muestran en la Figura 4.3.1.32. Para esta crecida no alcanza a operar el vertedero de seguridad y todo el caudal es evacuado por la obra de descarga. El gasto máximo de salida es un poco más de 80 l/s tal como estaba previsto en las condiciones de diseño. 200,0 Gasto (lt/s) 180,0 160,0 Entrada 140,0 Salida 120,0 100,0 Vol. Almac. 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 0 1000 2000 3000 4000 5000 Tiem po (segundos) Figura 4.3.1.32: Hidrogramas de entrada y salida de una crecida de 10 años de periodo de retorno. El caudal evacuado por el estanque se entrega a un canal de drenaje disponible en el sector, el cual es capaz de conducir sin dificultades los 85 l/s de gasto máximo que entrega la descarga para la crecida de 10 años de periodo de retorno, ya que previo a la urbanización para esta misma crecida este canal operaba con caudales del orden de 92 l/s. Hay que hacer notar que Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 322 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN si no se construye el estanque una vez urbanizado el sector estas crecidas producirían gastos máximos de casi 190 l/s. De esta forma el estanque logra reducir los efectos de la urbanización y dejar el sector en condiciones similares, o mejores, que antes de urbanizar. Detalles. Los detalles necesarios para completar el diseño de la obra se han establecido en el procedimiento de diseño. Para ello será conveniente considerar la participación de un profesional paisajista, de manera de aprovechar al máximo las características y oportunidades de la obra con otros fines al quedar incorporada a las áreas verdes del lugar. Cubicación y presupuesto. A continuación se presenta una cubicación y presupuesto para la construcción del estanque de retención del ejemplo. Ítem Descripción A Estanque de retención propiamente tal. 1 2 3 4 5 6 7 8 Descepe del terreno, eliminación de vegetación y limpieza superficial e=10 cm. Excavación, en terreno blando, hecha a máquina, sin agotamiento ni entibación, a profundidad menor de 1 m, desplazando el material a la ubicación de los muros. Excavación en terreno blando, hecha a máquina a profundidad mayor de 1 m. Confección de terraplenes para los muros del estanque, con la tierra de la excavación compactada con rodillo por capas de 0,15m de espesor cada una Transporte de excedentes de la excavación incluyendo carguío y depósito, a distancia menor a 10 km. Suministro y colocación de una capa de arena de 3 cm sobre toda la superficie interior del estanque y los taludes interiores y exteriores de los muros. Suministro y colocación de una capa de tierra de hojas de 5 cm esparcida y compactada sobre la superficie interior del estanque y los taludes interiores y exteriores de los muros. Suministro y sembrado de semilla de césped tipo Bermuda o similar de buena calidad en toda la superficie con tierra de hojas. Se considera sembrado, riegos y cuidados hasta el primer corte del pasto. Unidad Cantidad Precio (U.F.) Unitario Subtotal m2 1100 0,056 61,600 m3 883,7 0,252 222,692 m3 28,8 0,281 8,093 m3 135,0 0,379 51,165 m3 777,5 0,063 48,983 m3 294,6 0,328 96,6291 m3 491,0 1,019 500,329 m2 982,0 0,104 102,128 Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 323 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN B Obras interiores. Se considera la obra de entrada, el canal de flujos bajos y la obra de descarga, en hormigón y hormigón armado. 9 Hormigón grado H-30 con una dosificación mínima de 385 kg. de cem. por metro cúbico, colocado con moldaje en cámaras de entrada, de descarga y vertedero de seguridad. 10 Emplantillado de ripio e=5 cm. 11 Acero tipo A44-28H con resaltes para hormigón armado, en barras, doblado y colocado según los planos. 11.1 D=10mm 11.2 D= 8mm 12 Hormigón de 170 kg. cem /m3 para cubiertas y veredas de canal de flujos bajos. 13 Tubos de c.c. tipo alcantarillado para tubería de descarga. Suministro y colocación en zanja bajo el muro, emboquillados con mortero 1:4, ø=20 cm. 14 Bolones de 20 cm de diámetro medio colocados a mano en una capa en el pedraplén de la entrada. 15 Reja de acero en pletina de 50x5mm soldada y galvanizada. Colocada en cámara de descarga. 16 Bolones de 30 cm de diámetro medio colocados a mano en una capa en el pedraplén de salida. Total m3 m 10,9 3,0 4,702 0,117 61,252 0,351 Kg. Kg. 728,3 7,7 0,016 0,016 11,653 0,123 m3 8,6 3,250 27,950 m 10,7 0,363 3,884 m3 0,3 0,294 0,088 Kg 12,9 0,250 3,225 m3 5,3 0,294 1,558 1189,123 Nota: Precios de referencia en UF ( Unidades de Fomento, 1 UF=$13.081,89 al 7 de Octubre de 1996), según “Lista Oficial de Precios de Obras de Pavimentación para Cobro por Gastos de Inspección año 1995”, MINVU y el “Boletín de Precios Nº 276 de Mayo-Junio de 1996” del SERVIU Metropolitano. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 324 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 325 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 326 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 327 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN a. Descripción. Una laguna de retención mantiene un volumen permanentemente ocupado por agua, el cual es reemplazado total o parcialmente durante las tormentas. Sobre este volumen permanente se provee de un volumen adicional destinado a amortiguar las crecidas provocadas por las aguas lluvias. Estas lagunas de retención son similares a los estanques de retención ya que están diseñadas para captar y retener un volumen de agua determinado para las tormentas más frecuentes. La diferencia es que en este caso el agua que se incorpora en cada tormenta se mezcla con el agua retenida anteriormente en el volumen permanente al almacenarse sobre él. El volumen captado adicional al volumen permanente se evacua después de cada tormenta en un periodo del orden de 12 horas. Habitualmente estas lagunas de retención requieren la alimentación de un flujo continuo durante los periodos entre tormentas para mantener el volumen de agua permanente. Las lagunas de retención pueden emplearse para controlar la escorrentía urbana procedente de calles, estacionamientos, barrios residenciales, áreas comerciales y sitios industriales. Este tipo de lagunas puede emplearse en conjunto con otras obras alternativas de control de las aguas lluvias en el mismo lugar tanto aguas arriba como hacia aguas abajo. El volumen de retención requerido incluye el volumen permanente más el volumen mínimo a capturar para la amortiguación de crecidas. Pueden ser muy efectivas en la remoción de contaminantes, y, bajo ciertas condiciones, pueden satisfacer múltiples objetivos, como proveer de agua para incendios, riego y recreación. Frente a los cinco objetivos básicos propuestos para las obras alternativas de drenaje urbano los que se pueden lograr con las lagunas de retención son los siguientes: Disminuyen el caudal máximo Disminuyen el volumen escurrido Permiten otros usos alternativos Recargan la napa de agua subterránea Mejoran la calidad del efluente Para cumplir con el objetivo principal de disminuir los caudales máximos se debe colocar la laguna inmediatamente aguas abajo de la zona urbanizada que sirve, descargando hacia el sistema de drenaje como se indica en el esquema siguiente: Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 328 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Figura 4.3.2.1: 1.- Manzana de la zona urbanizada. 2.- Área verde. 3.- Red interior de drenaje (opcional). 4.- Laguna de retención. 5.- Conexión a la red exterior, o general, de drenaje. Estas lagunas están formadas por una serie de elementos básicos cuya disposición general se ilustra en el siguiente esquema: Figura 4.3.2.2: Esquema de los elementos principales de una laguna de retención. 1.- Entrada, 2.- Disipador de energía (opcional) , 3.Sedimentador (opcional), 4.- Zona laguna permanente, 5.- Zona litoral (opcional), 6.- Zona de inundación, 7.- Cámara de descarga, 8.- Tubería de descarga, 9.- Vertedero de seguridad, 10.- Conexión a la red de drenaje. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 329 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Las fotografías siguientes ilustran casos de lagunas de retención en Estados Unidos. Figura 4.3.2.3: Laguna de retención en Fort Collins, EE.UU.. Figura 4.3.2.4: Laguna de retención aprovechando una hondonada, E.E.U.U. Figura 4.3.2.5: Laguna de retención en un parque, E.E.U.U. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 330 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN En las figuras siguientes se muestran ejemplos adicionales de lagunas de retención existentes en Francia y Estados Unidos: Figura 4.3.2.6: Laguna de retención con zona litoral y de inundación, con embarcaderos. Figura 4.3.2.7: Laguna de retención con un borde de muros verticales y zona litoral y de inundación en un sólo lado. Figura 4.3.2.8: Laguna de retención en forma de canal con paredes verticales . Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 331 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN b. Ventajas e inconvenientes. Las lagunas de retención pueden ser muy apropiadas para áreas aportantes relativamente grandes. Además de la amortiguación de crecidas urbanas, con ellas se puede lograr una remoción de moderada a alta de la mayoría de los contaminantes urbanos, crear o proveer de espacio para la recreación, paisajismo y áreas abiertas, almacenar agua para otros fines como riego de áreas verdes y volúmenes de incendio entre las tormentas. Por otra parte la mayoría de los sedimentos que puedan atraparse en la laguna quedan depositados en la zona cubierta permanentemente con agua, de manera que no son vistos por el público. Una de las principales desventajas de este tipo de obras son los problemas de seguridad. Además en ellas resulta más difícil limpiar los sedimentos atrapados que en los estanques, y si reciben aguas poco limpias pueden observarse problemas de cuerpos flotantes, espumas, crecimiento indiscriminado de algas, olores y en algunos casos mosquitos. El crecimiento de plantas acuáticas puede causar problemas en los elementos de evacuación. El volumen de agua permanente puede atraer una sobrepoblación de aves acuáticas, lo cual puede producir suciedad por materia fecal y exceso de nutrientes que entran y salen de la laguna, haciendo más difícil la mantención del lugar y el control de la calidad del agua retenida. c. Procedimiento de diseño. El procedimiento de diseño para este tipo de obras considera tres etapas. Un análisis de factibilidad de la obra de acuerdo a las condiciones locales, en segundo lugar un dimensionamiento de los elementos principales y finalmente el diseño de los elementos de detalle. A continuación se plantea lo que debiera considerarse en cada una de estas etapas para el caso de una laguna de retención. Factibilidad. En base a los antecedentes que consideran las condiciones climáticas, las características del suelo, la existencia de agua subterránea y su nivel, las propiedades de la urbanización, incluyendo la disponibilidad de espacio, sus destinos y tipo, así como el comportamiento esperado de los usuarios y vecinos, se debe decidir si es conveniente recurrir a una laguna de retención para amortiguar el efecto de las aguas lluvias. Para decidir la factibilidad de la laguna de retención es necesario que el proyectista reúna los siguientes antecedentes: Plano de ubicación de la obra, en el cual se indiquen la comuna, calle y número si corresponde o su relación a calles cercanas. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 332 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Delimitación de las áreas aportantes de agua, ubicación de la laguna y sector al cual rebasa. Certificado de la municipalidad respectiva en el cual se indique que el emplazamiento de la laguna no presenta inconvenientes de acuerdo al Plan Regulador Comunal para el uso del suelo con esos fines. Certificado del SERVIU indicando las condiciones de descarga y evacuación hacia aguas abajo autorizadas para la laguna de retención en ese lugar. Deberá indicarse si se autoriza alguna de las siguientes posibilidades: a) descarga a una zona con una red de drenaje desarrollada, b) descarga a una zona sin una red de drenaje desarrollada, c) limitaciones de descarga según capacidad a determinar por el proyectista. Si la laguna se abastecerá para su volumen permanente de agua proveniente de cauces naturales o de la napa subterránea deberá proveerse de un certificado de la Dirección General de Aguas, o de su oficina en región, autorizando dicho empleo. En este caso la DGA podrá requerir la constitución de derechos de aprovechamiento para estos fines. Si las aguas provienen de derechos de terceros, deberá disponerse de un certificado del propietario legal de los derechos de agua respectivos, autorizando estos usos. Certificado, emitido por un laboratorio autorizado, de análisis a una muestra del agua que se utilizará para la mantención del volumen permanente de la laguna, verificando que satisface los requisitos de Calidad del agua para fines recreacionales según la norma Nch 1333 de Calidad del Agua para diferentes usos. Como toda obra de infraestructura el emplazamiento de la laguna requerirá de los espacios necesarios para su construcción. La autorización para el uso del suelo con estos fines deberá requerirse del propietario respectivo cuando este no sea el ejecutor de la obra. El permiso deberá gestionarse según el caso ante el particular o la autoridad pública o fiscal. Dimensionamiento. El dimensionamiento de la lagunas de retención y de sus elementos principales requiere disponer de las características del terreno y del suelo base, así como también de estudios hidrológicos e hidrogeológicos. Además de los antecedentes mencionados en la Factibilidad para el dimensionamiento el proyectista reunirá los siguientes: Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 333 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Plano a una escala adecuada en el que se muestren las superficies que drenan a la laguna y la naturaleza de cada una. Cuadro de superficies, con indicación de áreas y coeficiente de escorrentía de cada tipo, (techos, pavimentos impermeables, porosos, áreas verdes con y sin vegetación, calles, veredas y otros). Precipitación máxima de 24 hrs. de duración y 10 años de período de retorno según la D.G.A. (1991). Con los antecedentes mencionados se abordarán los siguientes aspectos: Hidrología. Estimar las crecidas de periodos de retorno entre 5 y 200 años afluentes al lugar, tanto en condiciones naturales como totalmente urbanizadas. Se requiere conocer el uso del suelo, las características de las lluvias, y la topografía del sector. Terreno. Disponibilidad de espacio, elementos de la red de drenaje natural del sector. Existencia de redes de colectores hacia aguas abajo. Límites de la zona y el comportamiento de las aguas lluvias que pueden llegar por escurrimiento superficial. Estimar la capacidad máxima de descarga o evacuación del sistema hacia aguas abajo, la forma en que se realizará la descarga y sus efecto. Cantidad y calidad del agua disponible para otros usos, o la que se empleará para mantener el volumen mínimo de la laguna permanentemente lleno. Ubicación de la superficie de agua subterránea y la posibilidad de emplearla para mantener la laguna llena. Fluctuaciones esperadas de este nivel. Volumen de la laguna. Con los antecedentes disponibles se procede a determinar el volumen de almacenamiento necesario de la laguna. Se determinan los volúmenes del nivel inferior y el superior. Establecer las cotas de cada nivel así como de los umbrales de los elementos de descarga, evacuación y entrada. Hacer un diseño en planta de la laguna que considere los volúmenes mencionados de acuerdo al espacio disponible y los usos que se le darán a los terrenos adicionales al control de crecidas. Determinar el volumen necesario para el almacenamiento permanente, así como la operación requerida de la laguna para satisfacer esas necesidades. Establecer las curvas de volumen almacenado y de área inundada en función de la altura de agua en el estanque. Descarga. Seleccionar un diseño para el elemento de descarga y proceder a su dimensionamiento para la crecida de diseño. Seleccionar un Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 334 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN diseño para el evacuador de crecidas y proceder a su diseño. Determinar la curva de descarga en función de la altura de agua en la laguna, considerando ambos elementos. Verificación de los volúmenes de almacenamiento necesarios procediendo a realizar un rastreo de las crecidas de diseño de los elementos de descarga y evacuación, con las propiedades predeterminadas. Realizar los cambios necesarios de volumen y en los elementos de descarga y evacuación si es necesario. Diseño de detalle. El diseño de detalle normalmente se traduce en los planos para la construcción de la obra y sus elementos. En esta etapa se debe proceder al diseño y dimensionamiento de los elementos auxiliares como son la obra de entrada y su disipador de energía si es necesario, el desarenador, los muros de la laguna, los caminos de acceso para la manutención de la obra y su operación, la colocación de barandas, rejas, letreros. También debe considerarse la vegetación, necesidades de plantación, el riego y otros requisitos. Considerar el diseño de los elementos correspondientes al empleo del volumen permanente si se requieren. Además debe agregarse todos los elementos necesarios para el empleo del lugar con propósitos múltiples como recreación, paisajismo, deportes si se consideran como parte del proyecto. d. Factibilidad y Condiciones Generales. El principal requisito del lugar es la necesidad de disponer de un flujo de agua continuo de buena calidad para mantener el volumen de agua permanente. Para ello se debe realizar un balance hídrico completo para asegurar que el agua disponible permite superar las condiciones de evaporación, evapotranspiración y filtraciones. Normalmente se trata de decidir entre un estanque o una laguna de retención, dependiendo de las condiciones climáticas y la disponibilidad de agua. Una manera de asegurar un flujo de agua permanente es colocar la laguna bajo el nivel del agua subterránea del lugar, si no está muy profundo. Las necesidades de espacio son en general del orden del 0,5 al 2% del área tributaria. En las obras nuevas las altas tasas de filtración iniciales pueden hacer difícil mantener el volumen de agua permanente, pero normalmente el fondo rápidamente se llena de sedimentos finos e impermeabiliza al poco tiempo. Sin embargo es mejor sellar tanto el fondo como las paredes del volumen permanente y dejar solamente las áreas de contacto con los volúmenes superiores sin sellar. Debe considerarse la forma en que se evitará que una vez construida la obra le lleguen aportes adicionales de cuencas laterales por la urbanización de sectores ubicados aguas arriba o por trasvases desde otras urbanizaciones. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 335 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN e. Dimensionamiento. Determinación del tamaño de la laguna y de sus elementos principales. Los volúmenes comprometidos en una laguna de retención, así como los niveles de las principales obras en relación a ellos se ilustra en la Figura 4.3.2.9. Figura 4.3.2.9: Volúmenes de almacenamiento: V1.- Laguna permanente, V2.- Crecidas frecuentes, V3.- Crecidas medianas, V4.- Crecidas mayores, 100 o más años de periodo de retorno. Niveles: 1.- Fondo de la laguna, 2.- Umbral del orifico de vaciamiento, 3.- Umbral de la cámara de descarga, 4.- Umbral del vertedero de seguridad, 5.- Umbral de los muros de la laguna. Las figuras siguientes muestran un esquema general de la planta, un perfil longitudinal y otro transversal de este tipo de obras, con los principales elementos que deben considerarse en el diseño. En general los criterios de diseño son muy similares a los propuestos para los estanques de retención, excepto que debe ponerse mayor atención a los problemas de filtraciones. Figura 4.3.2.10: Disposición en planta de los elementos típicos de una laguna de retención: 1.- Entrada, 2.- Disipador de energía (opcional), 3.Sedimentador (opcional), 4.- Zona de la laguna permanente, 5.- Zona litoral,(opcional) y de inundación, 6.- Cámara de descarga, 7.- Vertedero de seguridad, 8.- Tubería de descarga, 9.- Conexión a la red de drenaje, 10.- Acceso para mantención. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 336 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Figura 4.3.2.11: Elementos en el perfil longitudinal de la laguna: 1.- Entrada, 2.- Disipador de energía, 3.- Sedimentador, 4.- Zona litoral, 5.- Zona de laguna permanente, 6.- Zona de inundación, 7.- Umbral cámara de descarga y reja, 8.- Cámara de descarga, 9.- Descarga de fondo para vaciamiento total, 10.- Umbral de muros, 11.- Muros de la laguna, 12.- Vertedero de seguridad, 13.- Anillos para evitar filtraciones, 14.- Tubería de descarga, 15.- Conexión a la red de drenaje. Figura 4.3.2.12: Perfil transversal de la zona litoral. Geometría de la laguna. La forma en planta de la laguna debiera considerar una expansión gradual desde la zona de entrada del flujo y una contracción hacia la salida, de manera de evitar el efecto de cortocircuito del flujo en condiciones de diseño. La razón entre el largo y el ancho máximo no debe ser menor de 2, y cuando sea posible al menos del orden de 4. Diseño en dos niveles. Se recomienda un diseño con dos niveles de la laguna, considerando una zona litoral de menor profundidad y otra central más profunda. La zona litoral debiera tener profundidades del orden de 0,15 a 0,5 metros y ocupar entre el 25% y el 50% de la superficie de la laguna. En esta zona, que debiera tener un ancho de al menos 3m, se favorece el crecimiento de plantas acuáticas y actúa además como borde de seguridad. La zona central con profundidades entre 1,2m y hasta 2,5m permite la sedimentación y la digestión de nutrientes por parte del fitoplancton. La profundidad máxima no debiera ser mayor que 3,5m para el nivel de agua permanente. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 337 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Usos múltiples. Los usos múltiples de estas lagunas se orientan a proveer de volúmenes de regulación para otros usos, como riego o incendios, y a la recreación, incluyendo la pesca o navegación de pequeños botes. Para ello se puede proveer de muelles y sectores litorales protegidos y diseñados especialmente. No se recomienda el lugar para nadar ni para bañarse. Área aportante y coeficientes de escurrimiento. El área impermeable equivalente aportante de la cuenca que drena hacia la laguna se calcula como la suma de las áreas de cada tipo ponderadas por el coeficiente de escurrimiento que les corresponda, de acuerdo a las recomendaciones de la Tabla 3.1.2.7. Para el conjunto conviene calcular un coeficiente de escorrentía como esta suma ponderada dividida por el área total, considerando tanto la situación original previa a la urbanización como la totalmente desarrollada, con el máximo de superficies impermeables, al final del plazo de previsión o de la vida útil de la obra. Tiempo de concentración. Para seleccionar lluvias de diseño adecuadas es necesario conocer el tiempo de concentración de la cuenca. Este se puede estimar con alguna de las relaciones propuestas en la Tabla 3.1.2.6, seleccionando la que mejor represente las condiciones del lugar. Se debe estimar un tiempo de concentración de la cuenca aportante en condiciones naturales, o previas al proyecto, y otro en condiciones de máximo desarrollo futuro para el fin del plazo de previsión o vida útil de la obra. Lluvias de diseño. Para dimensionar los volúmenes de la laguna y los elementos de captación, entrada, vaciamiento, descarga y vertido hacia aguas abajo es necesario conocer las propiedades de las crecidas que llegan a la laguna. Para ello se seleccionan lluvias de diferentes periodos de retorno. Se recomienda emplear las máximas de entre las siguientes: Si hacia aguas abajo existe un sistema de drenaje, natural o artificial, desarrollado: T=5 años para las lluvias menores. T=10 años para las lluvias medianas T=100 años para las lluvias grandes Si hacia aguas abajo no existe una red de drenaje desarrollada: T=5 años para las lluvias menores T=10 años para las lluvias medianas T=200 años para las lluvias grandes Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 338 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN La autoridad municipal o el SERVIU podrán imponer periodos de retorno mayores a los indicados de acuerdo a las condiciones del lugar. Las lluvias de diseño correspondientes se seleccionan con las intensidades de lluvias en el lugar del periodo de retorno indicado y duración igual al tiempo de concentración de la cuenca aportante. Crecidas de diseño. Una vez conocidas las lluvias de diseño es necesario estimar las características de las crecidas de diseño correspondientes, incluyendo los caudales máximos, tiempos de ascenso del hidrograma y volumen. Para ello puede emplearse el Método Racional Modificado suponiendo un hidrograma triangular con un tiempo al máximo igual al tiempo de concentración de la cuenca y un gasto máximo, en m3/s, dado por: Q= CiA 3,6 (4.3.2.1) donde C es el coeficiente de escorrentía equivalente de toda la cuenca de área A, en km2, i la intensidad de la lluvia en mm/hora Caudal máximo de descarga. El caudal máximo que puede descargar la laguna a través de la obra de descarga depende de las condiciones de aguas abajo, es decir de la capacidad de recibir caudales que tenga el sistema de drenaje, (natural, artificial o inexistente formalmente), hacia el cual la laguna entrega el agua retenida. Este caudal se determinará como el menor entre los siguientes: El gasto máximo generado por la lluvia de diseño de periodo de retorno correspondiente a lluvias medianas, en condiciones naturales de la cuenca aportante. La capacidad estimada con que puede operar el sistema de drenaje receptor para tormentas de periodo de retorno de lluvias medianas. La capacidad de la obra que recibe los gastos descargados si la laguna opera en serie como elemento de regulación de otra obra alternativa (otra obra de retención, obras de infiltración, canales de drenaje urbano, etc.). La autoridad municipal o el SERVIU podrán requerir caudales diferentes a los que resulten de los cálculos indicados si así lo recomiendan las condiciones del lugar Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 339 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Cámara de descarga. Esta es una obra que permite controlar los caudales que la laguna entrega hacia aguas abajo, de manera que para las tormentas de diseño no se sobrepasen los caudales máximos permitidos. El volumen de almacenamiento de la laguna hasta el nivel del umbral de la cámara de descarga permite almacenar las crecidas que llegan a él provocadas por lluvias de periodo de retorno correspondientes a lluvias menores. El fondo de la cámara se coloca a un nivel tal que sea posible vaciar totalmente la laguna mediante un dispositivo especial para ello. El nivel del umbral de la cámara se determina de manera que bajo él se puedan almacenar las tormentas menores. Las dimensiones interiores deben permitir una adecuada mantención, para lo cual se recomienda que sean al menos de 0,8m, con una altura no superior a 2,0. Para alturas superiores a 1,5m es conveniente disponer de escalines por la parte interior para acceder al fondo. Existen diferentes alternativas de diseño para la cámara de descarga, la mayoría de ellas en base a una cámara vertical conectada al sistema de drenaje hacia agua abajo mediante una tubería que pasa bajo el muro principal de la laguna. La cámara está abierta en su parte superior de manera que a través de ella puede verter el caudal en exceso una vez que la laguna se llena hasta ese nivel. En este caso la cámara debe disponer de dos elementos adicionales. Uno para vaciar el volumen de crecidas y el otro para vaciar el volumen permanente de la laguna para fines de mantención. La Figura 4.3.2.13 muestra un esquema general de la disposición de los elementos en la cámara y los niveles a considerar para fines de dimensionamiento. Figura 4.3.2.13: Elementos de la cámara de descarga : 1.- Base de anclaje, 2.- Tubería de descarga, 3.- Descarga de fondo para vaciamiento total, 4.- Orificio para vaciamiento del volumen de regulación de crecidas menores, 5.- Umbral de la cámara de descarga, 6.Reja, 7.- Puente de acceso (opcional), 8.- Baranda, (opcional). Niveles: A.- Fondo de la laguna, B.- Nivel permanente, C.- Nivel de regulación para crecidas habituales o menores de 2 a 5 años de periodo de retorno. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 340 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN La forma de la cámara depende de la selección y disposición de los elementos de vaciamiento de la laguna. Para cámaras pequeñas puede seleccionarse una disposición simple y para otras mayores una más sofisticada. Los dispositivos de vaciamiento de las aguas lluvias no deben tener mecanismos, de manera que operen automáticamente. Además, en el fondo de la cámara, se debe agregar un sistema para vaciar totalmente la laguna. Este puede consistir en una válvula o una compuerta. Dependiendo del tamaño se pueden agregar barandas u otros elementos de operación. Las Figuras 4.3.2.14 a 4.3.2.16 muestran esquemas de diferentes alternativas típicas. Estas consisten en orificios, vertederos, tubos perforados o combinaciones de ellos. Figura 4.3.2.14: Cámara de descarga con orificio de vaciamiento. 1.- Base de anclaje, 2.- Tubería de descarga, 3.Vaciamiento de fondo, 4.- Orifico de vaciamiento, 5.- Umbral de la cámara, 6.- Reja. Figura 4.3.2.15: Cámara de descarga con vertedero. 7.- Vertedero de vaciamiento Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 341 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Figura 4.3.2.16: Cámara de descarga con tubo perforado. 8.- Tubo perforado, 9.- Pantalla. Conducto de salida. El conducto de salida desde la cámara se dimensiona de manera que en las condiciones de descarga máxima, con la laguna llena hasta el umbral del vertedero de seguridad, no se sobrepase el gasto máximo permitido hacia aguas abajo, considerando una tormenta de periodo de retorno correspondiente a lluvias medianas. Figura 4.3.2.17: Definición de variables para el diseño del ducto de salida de la laguna: A.- Nivel del umbral de la cámara de descarga. B.- Umbral del vertedero de seguridad. D.- Diámetro del ducto de salida. H.- Carga hidráulica de diseño. L.- Largo del ducto de salida. Para dimensionar el conducto se puede relacionar el gasto máximo de evacuación, Qevac, con las propiedades del conducto mediante la relación: Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 342 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Qevac 2 gH = A K 1/ 2 ≤ Qmax (4.3.2.2) donde A, en m2, es el área transversal del conducto en la sección de salida, H, en metros, es la carga hidráulica, considerada como la diferencia de nivel entre el umbral del vertedero de seguridad y el eje de la sección de salida, si descarga libremente, o el nivel del agua a la salida si la descarga es sumergida; K es el coeficiente de pérdida de carga total en el conducto en términos de altura de velocidad de salida (KV2/2g), considerando las pérdidas en la entrada (0,2), la salida (1,0), y la fricción dependiendo de las propiedades del tubo y su largo, de manera que el valor total de K se calcula como: K = 0,2 + 1,0 + f L D (4.3.2.3) L es el largo del tubo, en metros, y D su diámetro, también en metros, f es el coeficiente de fricción que depende del material y las condiciones del escurrimiento. Se pueden adoptar los siguientes valores: Material Factor de fricción, f. Plástico ( PVC, Duratec) 0,012 Acero 0,015 Cemento asbesto 0,016 Cemento comprimido 0,020 En todo caso para facilitar la mantención es conveniente que el diámetro del tubo no sea muy pequeño, para lo cual se recomiendan los siguientes valores dependiendo de su longitud: Largo (m) Diámetro mínimo, mm. Menor de 6 m Desde 6 m a 20 m Más de 20 m 100 200 300 Si el diámetro del ducto de salida resultante es inferior a los diámetros indicados es conveniente colocarlo del diámetro mínimo y restringir la descarga a las condiciones de diseño mediante una placa orificio de área A colocada a la salida de la cámara. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 343 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Elemento de vaciado. Se debe diseñar un elemento especial que asegure el vaciamiento total del volumen de la crecida almacenado bajo el nivel del umbral del vertedero de seguridad y sobre el nivel de almacenamiento permanente de la laguna en un tiempo razonable, de manera de dejar la laguna disponible para la próxima tormenta. Si no se persigue el tratamiento del agua, por ejemplo la sedimentación de partículas finas, este tiempo de vaciamiento puede ser del orden de 12 horas o menos. Para el vaciamiento total del volumen de crecida almacenado después de cada tormenta se dispone de varias posibilidades: orificios, vertederos, tubos perforados. Una alternativa desarrollada especialmente para este tipo de lagunas por el Distrito de Control de Crecidas de Denver, USA (Urban Drainage and Flood Control District, 1992), considera una tubería perforada vertical adosada a la pared de la cámara y protegida por una reja o un separador de cuerpos flotantes como se indica en el esquema de la Figura 4.3.2.18. Este dispositivo se diseña para vaciar la laguna en 12 horas, entregando directamente al interior de la cámara de descarga. El caudal que puede evacuar este tipo de tuberías está dado por la relación (McEnroe et al. 1988): Q = 0,61 2 Ap 3( c + d ) 2 gh3/ 2 < Qevac (4.3.2.4) donde: Q : gasto de descarga, menor que la capacidad de la tubería de descarga, m3/s. Ap : Área de todas las perforaciones, m2 c : distancia entre las líneas extremas de perforaciones bajo agua, m. h : Altura de agua medida desde la línea inferior de perforaciones, m. d : distancia entre las líneas de perforaciones, m. Figura 4.3.2.18: Cámara de descarga con tubo perforado para vaciamiento del volumen de regulación de crecidas menores. 1.- Base de anclaje, 2.- Cámara ancho mínimo 0,8m, 3.- Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 344 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Tubo de descarga, 4.- vaciamiento de fondo, 5.- Tapa del tubo, 6.- Reja, 7.- Pantalla , 8.- Tubo perforado, 9.- Tubo de acero. C.- Zona perforada del tubo, d.- Distancia entre filas perforadas. La cantidad total de perforaciones para diferentes diámetros de la tubería se recomienda en la tabla de la Figura 4.3.2.19. El gráfico de la Figura 4.3.2.20 permite estimar el área total de perforaciones dado el volumen a evacuar y la altura de agua inicial, de manera de vaciar el volumen de almacenamiento de la laguna en 12 horas. Número Máximo de Columnas Perforadas Diámetro Diámetro de la Perforación (mm) Tubo (cm) 6 12 18 25 10 6 8 15 8 12 9 20 12 16 12 8 25 20 20 14 10 30 24 24 18 12 Diámetro de la Area de la Perforación(mm) Perforación (cm2) 3 0,07 6 0,28 10 0,79 12 1,13 16 2,01 18 2,54 22 3,80 25 4,91 Notas: 1: Número mínimo de perforaciones = 8 2: Diámetro mínimo de las perforaciones =3mm. Tapa Rosca con Ventilación de 2,5 a 7,5 cm de Diámetro. Filas Perforaciones de Desagüe. 10 cm 10 cm Canería de fierro Ductil o Acero. Columnas DETALLE DIBUJO NO A ESCALA Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 345 Figura 4.3.2.19: Determinación del número de perforaciones en el tubo de vaciamiento. 3 Volumen Almacenado(m ) 10000 1000 Profundidad en el vertedero 25 cm 100 30 cm 40 cm 50 cm 65 cm 90 cm 120 cm 10 1 10 100 1000 2 Area de perforaciones requerida por fila (cm ) Figura 4.3.2.20: Gráfico para la determinación del área de perforaciones por fila necesarias para vaciar el volumen de regulación de la laguna en 12 horas. Alternativamente puede emplearse un orifico de dimensiones reguladas ubicado en la pared de la cámara justo sobre el nivel de almacenamiento permanente de la laguna, y en la parte inferior del volumen de regulación. Su tamaño puede estimarse en base al tiempo de vaciado en estas condiciones. Si la superficie libre de la laguna no cambia mucho con el nivel del agua, el tiempo de vaciado está dado por: t vac = 2S h (4.3.2.5) Ca 2g donde: tvac : S h a: C: tiempo de vaciado en segundos Área promedio de la superficie del agua en la laguna, m2 altura de agua a vaciar, puede considerarse como la diferencia entre el nivel del umbral de la cámara y el eje del orificio de vaciado, m Área del orificio, m2 Coeficiente de gasto del orificio, adimensional: orificio de aristas vivas C= 0,61 orificio de aristas redondeadas C=0,96 Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 385 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN El gasto que puede salir por un orificio de este tipo está dado por: Qvac = Ca (2gh)0,5 (4.3.2.6) Pantalla protectora.. Si el elemento de salida no está protegido mediante capa de enrocados, se debe disponer de una pantalla que evite que las perforaciones del tubo de vaciado se tapen con elementos extraños. Esta también evita que se drenen cuerpos flotantes, grasas y aceites. En este caso en que el tubo de salida se encuentra generalmente rodeado de agua, puede ser suficiente una pantalla como la que se indica en la Figura 4.3.2.18. Vertedero. El vertedero de seguridad debe diseñarse sin elementos de control, con capacidad para evacuar crecidas de al menos el periodo de retorno de lluvias grandes o extraordinarias (100 a 200 años) considerando la cuenca aportante totalmente desarrollada, es decir con el máximo de áreas impermeables que puedan haber en el futuro. En el diseño del vertedero se emplearán los criterios y recomendaciones de la hidráulica de este tipo de obras. Se pondrá especial atención en la disipación de energía al pie de la obra y en la unión con el sistema de drenaje hacia aguas abajo. Para el dimensionamiento de este vertedero se puede considerar el gasto adicional al evacuado por la obra de descarga, y sin considerar el posible efecto de amortiguación de la onda de crecida que puede provocar el estanque. El umbral del vertedero se coloca de manera que bajo él se pueda almacenar el volumen de la crecida de diseño de periodo de retorno de lluvias medianas. El caudal de diseño es: Qvertedero = QTV − Qevac (4.3.2.7) Para TV se puede adoptar 100 ó 200 años según corresponda dependiendo de las condiciones de aguas abajo. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 386 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Figura 4.3.2.21: Definición de variables para el diseño del vertedero de seguridad. A.- Laguna. B.- Umbral del vertedero de seguridad. C.- Rápido de descarga. D.- Disipador de energía. HV.- Carga hidráulica. En el caso de un vertedero típico de umbral horizontal y pared gruesa el gasto evacuado, Qvertedero en m3/s, depende del ancho de la obra, bv, en metros, la carga hidráulica sobre el umbral, Hv, también en metros, y un coeficiente de descarga, m, función del diseño: Qvertedero = mbv 2 g Hv3/ 2 (4.3.2.8) Para un vertedero grueso sin aristas se puede adoptar m = 0,36 y para uno con aristas vivas m = 0,31 (F. J. Domínguez, Hidráulica, 1979). Volúmenes de almacenamiento. En una laguna de retención el volumen total es la suma de varios volúmenes parciales, cada uno de los cuales se estima para satisfacer una función particular. La Figura 4.3.2.9 muestra estos volúmenes. A continuación se explica la manera en que pueden estimarse. Volumen principal. El volumen de almacenamiento principal de una laguna de retención corresponde a la capacidad de la laguna desde el nivel de agua permanente hasta el umbral del vertedero de seguridad. Equivale a la suma de V2+V3 en la Figura 4.3.2.9. Este volumen se calcula para retener la crecida generada por tormentas medianas, del orden de 10 a 20 años de periodo de retorno, con la cuenca aportante en su condición de desarrollo máximo, de manera que hacia aguas abajo de la laguna no se entreguen caudales máximos mayores que los permitidos. Existen varios procedimientos para estimar el volumen de regulación necesario. Para disponer de una idea preliminar se puede recurrir a un método simple que supone una crecida de forma triangular de acuerdo al método Racional Modificado ( ver 3.1.2.d), y un gasto de salida por el evacuador que crece linealmente hasta el máximo. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 387 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Figura 4.3.2.22: Volumen de almacenamiento principal de la laguna en relación al hidrograma de la crecida que entra y la crecida evacuada hacia aguas abajo. 1.- Hidrograma de entrada, 2.- Hidrograma de salida, 3.Tiempo al máximo, 4.- Tiempo base, 5.- Tiempo con agua en el volumen de regulación. Entonces el volumen necesario está dado por: V laguna = 0,5Tb (Qme − Qevac ) (4.3.2.9) donde Vlaguna es el volumen estimado para almacenar la crecida, en m3; Tb es el tiempo base del hidrograma de entrada, segundos, igual al doble del tiempo de concentración de la cuenca aportante, de acuerdo al Método Racional Modificado; Qme es el gasto máximo del hidrograma de entrada para la crecida de periodo de retorno de diseño y condiciones de máximo desarrollo, m3/s; y Qevac es el gasto máximo que puede evacuar la cámara de descarga, m3/s, empleado para dimensionar el ducto de salida con la ecuación (4.3.2.2). Otro método más preciso requiere realizar un tránsito de la crecida a través de la laguna, para lo cual se debe disponer de al menos un diseño preliminar que permita conocer la relación entre el volumen almacenado en función de la altura de agua, V(h), así como el gasto que sale por el evacuador en función de esa misma altura de agua, Qs(h), además del gasto del hidrograma de entrada a la laguna en función del tiempo, Qe(t). El procedimiento típico requiere considerar la ecuación de continuidad: dV = Qe − Qs dt (4.3.2.10) Como hidrograma de entrada se puede considerar el triangular del método Racional Modificado u otro más sofisticado. Para integrar la ecuación diferencial de continuidad existen diferentes procedimientos que pueden consultarse en la literatura técnica especializada (Vargas y Fernández, 1994). Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 388 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN A continuación se presenta uno de los métodos más tradicionales conocido como el de la curva de acumulación (Soil Conservation Service, 1964). En este método se supone que tanto el flujo de entrada como el de salida durante el intervalo de tiempo ∆t suficientemente pequeño se pueden representar por el promedio entre el gasto al inicio y al final del intervalo, es decir: Qe = (I t + I t + ∆t ) 2 (4.3.2.11) representa el ingreso promedio de agua al estanque, mientras que el egreso, E, está dado por: Qs = (Et + Et + ∆t ) 2 4.3.2.12) Entonces la ecuación de continuidad durante un intervalo se escribe como: Vt + ∆t − Vt = (I t + ∆t + I t ) ∆t ∆t − (Et + ∆t + Et ) 2 2 Esta ecuación se puede reordenar para separar a la izquierda las cantidades conocidas al principio del instante ∆t y a la derecha las desconocidas: (I t + I t + ∆t ) + ( 2Vt 2V − Et ) = t + ∆t + Et + ∆t ∆t ∆t (4.3.2.13) Se supone que todas las cantidades al principio del intervalo son conocidas. Además se conoce el valor del gasto de entrada al final del intervalo y debe determinarse el gasto de salida y el volumen almacenado al final del intervalo. Una vez seleccionado el intervalo de tiempo ∆t se puede construir una relación, gráfica o numérica, de la función 2V/∆t + E, en función de E, del nivel o altura de agua, h u otra variable identificable. Además se supone que se conoce la relación entre V y E. El esquema de solución es el siguiente: Al inicio del intervalo, en el instante t, se conocen los valores de It, Et, Vt, y además el de It+∆t. Con ellos se calcula el término del lado izquierdo de la ecuación (4.3.2.13). Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 389 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN El resultado del cálculo anterior es igual al término del lado derecho de la misma ecuación (4.3.2.13), el cual considera valores de almacenamiento y gasto de salida al final del intervalo. Con este valor y la relación construida de esta expresión en función del gasto de salida se obtiene Et+∆t. Con el valor del gasto de salida al final del intervalo se puede conocer la altura de agua y el volumen almacenado al final del intervalo de tiempo de cálculo. El tiempo t+∆t se considera el inicio de un nuevo intervalo de cálculo y se vuelve a la etapa inicial para repetir los cálculos. Volumen de tormentas menores. Este volumen es el almacenamiento bajo el nivel del umbral de la cámara de descarga, desde el nivel de agua permanente. Corresponde a V2 en el esquema de la Figura 4.3.2.9. Se calcula para almacenar el volumen generado por crecidas provocadas por tormentas menores, del orden de 5 años de periodo de retorno, con la cuenca totalmente desarrollada. En general puede ser del 50 al 80% del volumen principal de la laguna. Se puede estimar con la ecuación 4.3.2.9 en la cual el gasto máximo de entrada y el tiempo base corresponden a la crecida de tormentas menores y el gasto de evacuación al máximo del elemento de descarga. Volumen de agua permanente. En el caso de lagunas de retención existe siempre una zona permanentemente llena de agua. Corresponde al V1 de la Figura 4.3.2.9. Este volumen depende de los otros fines de regulación de la laguna, los aportes que reciba, o los niveles del agua subterránea en el lugar. Para ello el fondo de la laguna debe colocarse a un nivel que asegure que esta zona esté permanentemente con agua. Volumen de crecidas mayores. Corresponde al volumen máximo que puede almacenar la laguna en condiciones extraordinarias, cuando recibe una crecida provocada por tormentas mayores, del orden de 100 a 200 años de periodo de retorno. Es el volumen hasta el nivel de los muros, considerando una revancha de seguridad. En la Figura 4.3.2.9 es la suma de los volúmenes V2+V3+V4. En estas lagunas de retención el volumen sobre el umbral del vertedero no se calcula como tal, sino que resulta de considerar una altura de agua, o carga hidráulica, sobre el nivel del umbral del vertedero de seguridad, de manera Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 390 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN que éste sea capaz de evacuar la crecida correspondiente. Sobre esta altura de agua se agrega una revancha de al menos 30 cm. Flujo Base. Para que la laguna pueda contar con un volumen almacenado permanentemente es necesario que el balance anual de agua sea positivo. Ello puede lograrse si se coloca el nivel de vertido de la obra de evacuación bajo el nivel de la napa freática del agua subterránea, con lo cual se asegura una alimentación permanente y la obra se emplea como una obra de descarga del acuífero. Para asegurar un volumen permanente es necesario que los volúmenes que ingresan superen la pérdidas, para lo cual se puede emplear la siguiente relación de balance: Vneto = Vingresa − Vevap − Vinf il − VE .T . (4.3.2.14) donde Vneto es el volumen anual acumulable en la laguna, el cual debe ser positivo; Vingresa es la cantidad total de agua ingresada a la laguna por el flujo base de la cuenca, o los aportes de agua conducida por canales o por la descarga de agua subterránea; Vevap es la evaporación anual desde la superficie del agua en la laguna estimada en base a la evaporación en el lugar; Vinfil es una estimación de la filtraciones o percolación profunda desde la laguna; y VE.T. es la evapotranspiración de las plantas de la zona costera o litoral, o sobre la superficie no considerada en la evaporación desde el agua. f. Detalles. Consiste en seleccionar y dimensionar los elementos complementarios para la correcta operación de la laguna, así como los necesarios para los demás usos que se desee darle. A continuación se mencionan los elementos mínimos que deben tenerse en cuenta para la operación de la laguna como regulador de aguas lluvias. Figura 4.3.2.23: Taludes laterales con zona litoral y muros de tierra. A.- Fondo de la laguna, B.- Nivel de la laguna permanente. C.- Nivel de las crecidas medianas. D.- Nivel de los muros de la laguna. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 391 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Taludes laterales de la laguna. Los taludes deben ser estables y tendidos para limitar la erosión y facilitar los accesos para la mantención de la laguna por parte de operarios y maquinaria. Los taludes de la laguna permanente deben ser por lo menos 4/1=H/V, y preferiblemente 5/1 o más tendidos. La zona litoral exterior debe ser muy plana, por ejemplo 20/1=H/V o más, con profundidades del orden de 0,15 m en la costa hasta no más de 0,5 en el borde con la zona interior. Figura 4.3.2.23. El talud entre la zona exterior y la más profunda puede ser 3/1=H/V o más tendido. Figura 4.3.2.24: Taludes laterales en base a un muro vertical, sin zona litoral. Entrada. Debe disiparse la energía del flujo a la entrada tanto para evitar la erosión como para facilitar la sedimentación. Para ello se puede recurrir a disipadores de energía convencionales o protecciones de enrocados. El volumen permanente puede facilitar la disipación de energía. Desarenador. En caso en que se espere un aporte de sedimentos importante cerca de la entrada es conveniente ubicar un sedimentador de partículas de mayor diámetro, en una zona en la cual se facilite su extracción posterior, para evitar que estos queden depositados en toda la laguna. El volumen de esta zona debe ser del 5 al 10 % del volumen principal de la laguna. Para este elemento puede proveerse de una zona más profunda en la parte costera de la laguna cerca de la entrada, con taludes 3/1=H/V o más tendidos. Esta zona de sedimentación inicial se puede separar del resto de la laguna mediante un sector litoral menos profundo. Muros de la laguna. Los muros deben diseñarse de manera que no sean sobrepasados por tormentas de periodo de retorno de 100 a 200 años. El nivel del coronamiento debe considerar al menos un borde libre o revancha de 0,3m sobre el nivel máximo del agua para las condiciones indicadas. Los taludes del muro deben ser por lo menos 3/1=H/V o menores, idealmente 4/1. Preferiblemente los muros deben plantarse con pasto para evitar la erosión por lluvia. Los suelos de mala calidad o pobremente compactados deben Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 392 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN removerse y reemplazarse en las zonas de fundación del muro. Los suelos de este deben compactarse al menos hasta un 95% del Proctor Modificado. Reja para basura. Sobre la cámara de descarga se coloca una reja para atrapar basura y cuerpos flotantes. Es conveniente que esta reja pueda removerse para tener acceso al interior de la cámara. Para evitar problemas de corrosión esta reja debiera ser de acero cincado o galvanizado. La Figura 4.3.1.30 muestra un ejemplo de una reja de este tipo. Vegetación. Las bermas, los taludes y zonas laterales pueden plantarse con vegetación natural o con pasto regado, dependiendo de las condiciones del lugar y de los usos adicionales de la superficie que rodea la laguna. La zona litoral menos profunda puede cubrirse inicialmente con una capa de suelo vegetal y plantarse con especies acuáticas adecuadas a la condiciones del lugar. Accesos para mantención. Estas lagunas deben tener accesos para vehículos que permitan llegar a la zona del desarenador y al elemento de descarga. Las pendientes máximas de estos accesos no deben ser superiores al 8%. Cuando sea posible se puede proveer de acceso pavimentados, o asfaltados y si no al menos estabilizados con grava o maicillo. g. Construcción. La construcción de obras de almacenamiento es muy similar ya se trate de estanque de retención o lagunas. En general este tipo de obras empleadas en drenaje urbano son de pequeñas dimensiones en comparación con embalses y tranques para otros usos. Los aspectos más complejos de la construcción están ligados a la materialización de los muros de retención, para los cuales deben tomarse todas las precauciones posibles. Las recomendaciones que se mencionan a continuación son válidas sólo para muros de tierra de pequeña altura, menores de 3 metros. Las lagunas de retención corrientemente se construyen excavadas en el terreno con pequeños muros que represan las zonas bajas. Además por condiciones de diseño las alturas de agua son pequeñas, menores de 2 metros en los puntos más profundos, lo que reduce las cargas hidrostáticas y los problemas que pueden generar las filtraciones. Por efectos y consideraciones de otros usos, preocupaciones estéticas y de mantención, la inclinación de los taludes está muy por el lado de la seguridad, de manera que la estabilidad de taludes en cortes y muros de tierra, no es habitualmente una condición crítica. Las principales consideraciones de construcción se relacionan con los siguientes aspectos: a) preparación del terreno antes de la construcción, b) Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 393 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN estudios y análisis de los suelos para ser empleados en las diferentes estructuras, c) precauciones en la construcción de excavaciones y terraplenes. Preparación del terreno. Se deben apreciar previamente todos los aspectos que pueden resultar en conflictos o problemas durante la construcción. Estos incluyen sitios con problemas geológicos o ambientales como escombros, rellenos recientes y basurales. Especial importancia debe darse a la existencia de otras obras o construcciones, necesidades de servidumbres de tránsito o accesos, existencia de redes de servicios ya sea aéreas o subterráneas, que puedan entrar en conflicto con las faenas de construcción. Considerar cuidadosamente la época del año, los factores climáticos y la duración de las faenas, evitando estar en medio de la construcción cuando empiezan las tormentas y las crecidas. Las estructuras temporales deben diseñarse dependiendo del tiempo que necesitan ser usadas y de la época del año en que lo harán. Entre ellas son relevantes las que evitan la llegada de aguas lluvias a las faenas, conduciéndolas hacia aguas abajo mediante obras provisorias de desvío. En el caso de lagunas con partes permanentemente inundadas debe considerarse la forma en que se realizarán trabajos en los sectores bajo agua, las necesidades de agotamiento y control. Estudios y análisis de suelos. Es recomendable realizar algunos estudios complementarios que confirmen los realizados durante la etapa de proyecto y que permitan controlar el avance y la colocación adecuada de los materiales empleados en excavaciones y terraplenes. No existe un programa tipo de reconocimiento, ya que cada proyecto tiene sus propias singularidades impuestas por las características del sitio. La mayoría de estos estudios dependerán en gran medida del tamaño del muro o de la magnitud de las excavaciones necesarias, pudiéndose alterar durante el proyecto la cantidad, el tipo y frecuencia de los ensayos. Todas las recomendaciones que se mencionan a continuación son válidas para muros y excavaciones de pequeña altura, menores de 3m. Sondajes bajo la fundación del muro. Estos sondajes se realizan para asegurar que la fundación será hecha en un lugar adecuado y que no se verificarán problemas de falla en el suelo. Ellos pueden variar mucho de una obra a otra y normalmente serán necesario si existen dudas sobre las condiciones de fundación. Lo más común es recomendar sondajes de reconocimiento, ubicados a lo largo del eje del muro y en forma perpendicular a este eje en el lugar más alto del muro o ensayos en el lugar repartidos en el eje y el pie del muro en sectores que pueden esperarse como conflictivos. Las zonas a priori Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 394 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN más críticas son las de mayor altura del muro, los extremos y los anclajes de obras en hormigón incluidas en el muro como cámaras de descarga, tubos de desagüe y vertederos. Todas estas zonas deben estar particularmente bien caracterizadas. En el caso de muros pequeños, o suelos de fundación uniformes, estos sondajes pueden reemplazarse por calicatas. Reconocimiento del sitio. Tiene por objeto principal la confirmación de los estudios y antecedentes disponibles sobre la impermeabilidad del vaso de la laguna y la utilización de las tierras del lugar obtenidas de las zonas con excavación o nivelación para la construcción del muro o terraplenes. En el caso de lagunas en contacto con la napa de agua subterránea es importante conocer los niveles del agua en las diferentes zonas de construcción para adecuar los procedimientos constructivos cuando corresponda. Si es necesario es el momento de verificar y comprobar las condiciones y características de infiltración para comparar los valores considerados en el diseño y hacer los ajustes que sean necesarios, o tomar las providencias para proceder a impermeabilizar las zonas que corresponda si ello se requiere. Ensayos de laboratorio. Las muestras recolectadas durante el reconocimiento deben llevarse al laboratorio para los ensayos de identificación y de comportamiento de suelos. Los objetivos de estos ensayos son la definición de posible reutilización del suelo, estabilidad de la obra y permeabilidad del suelo. En las especificaciones de construcción debe indicarse la cantidad, tipo y frecuencia de estos ensayos. Los ensayos de laboratorio recomendados para este tipo de obras son los que se indican a continuación: a) ensayos de identificación como granulometría y límites de Atterberg, b) ensayos específicos de los movimientos de tierra para caracterizar el estado de los materiales entre los que se incluyen el contenido de humedad y proctor normal, c) ensayos específicos para verificar las hipótesis de cálculo de estabilidad de las obras como son los de peso volumétrico húmedo y seco, compresión simple, triaxial, cizalle y compresibilidad. d) ensayos destinados a medir el coeficiente de permeabilidad k, como por ejemplo el ensayo LEFRANC para terreno u otro en laboratorio bajo carga constante o variable. Excavaciones y movimientos de tierra. Para efectuar y controlar las excavaciones debe establecerse los puntos en los cuales se medirán y Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 395 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN controlarán los volúmenes excavados, la forma en que se considerará la sobre excavación y lo rellenos necesarios, el destino de los materiales, ya sea provisorios si van a ser empleados en otras etapas de la construcción o definitivos si no van a ser empleados. En caso de necesitarse empréstitos, su origen y reglas de aceptación. Los trabajos previos a la excavación comprenden el talado de los árboles (si los hay y se requiere su remoción de acuerdo a las condiciones del proyecto), la remoción de la tierra vegetal, demoliciones varias, el desplazamiento de redes, la instalación de la faena (entre ellas el laboratorio si se harán ensayos en terreno), la disposición de canchas de acopio y almacenamiento de materiales. Considerar la desviación eventual de cursos de agua o evacuación de aguas estancadas. La excavación propiamente tal comienza después de esta preparación inicial en las zonas de desmonte y de terraplén con la remoción y recuperación de la tierra vegetal en las zonas de fundación y anclaje de los muros, la eliminación de estratos o parte de estratos de suelo de calidad insuficiente en la base de los muros y obras o estructuras de hormigón, la nivelación de zonas altas y bajas en sectores que serán empleados para otros usos. El movimiento de tierra debe considerar un sistema de extracción dependiendo del estado de humedad que se encuentre. Si existen grandes rocas que no pueden removerse por medios mecánicos se puede considerar la posibilidad de incorporarlas al proyecto como elementos naturales. Los materiales extraídos del sitio pueden servir para la fabricación del muro, si sus características mecánicas e hidráulicas lo permiten. En caso contrario, se deben disponer en otro sitio y con otros usos. En el caso de muros de pequeña altura el control en obra puede ser similar al empleado en la construcción de terraplenes menores de caminos, ( ver Manual de Carreteras, Dirección de Vialidad del MOP). Un aspecto importante en el control de los movimientos de tierra es el relacionado con los niveles en las condiciones de terminación para asegurar el correcto funcionamiento hidráulico de la obra. Debe establecerse un sistema de control topográfico que asegure la correcta posición de la obra y el nivel de las estructuras de operación y control, incluyendo las pendientes del fondo, la inclinación de los taludes, las cotas de umbrales, desagües, vertederos, cámaras, y demás estructuras consideradas. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 396 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN h. Mantención. Las principales actividades de mantención de este tipo de lagunas están relacionadas con la remoción de sedimentos, cuya frecuencia depende de la producción de ellos en la cuenca aportante, y por lo tanto de las medidas de control de erosión y actividades de construcción que se desarrollen. Con un programa de control de erosión bien desarrollado en la cuenca aportante se estima que la frecuencia de remoción de sedimentos de estas lagunas es del orden de una vez cada 5 a 20 años. Si la generación de sedimentos es importante, la mantención de las laguna puede ser frecuente, o quedar inutilizada, sin volumen de almacenamiento suficiente, después de cada tormenta de consideración. La responsabilidad por estas funciones, de acuerdo con las reglas generales de la legislación, recae sobre el propietario de las obras, el cual será una persona particular o pública según sea el dominio del terreno en el cual se encuentran emplazadas. Conviene distinguir los problemas de mantención derivados del aseo y ornato de la obra, en cuyo caso implican una responsabilidad municipal, de aquellos que significan una conservación técnica propiamente tal. En este último caso tratándose de vías públicas, como calles, avenidas, veredas, pasajes y similares, la responsabilidad por esta mantención técnica es del SERVIU. Algo similar podría ocurrir con las obras alternativas de drenaje de aguas lluvias en zonas urbanas. Sin embargo es necesario que esta responsabilidad quede claramente establecida desde el punto de vista legal. Si las obras se encuentran en recintos privados, la responsabilidad por su mantención es del propietario o de quienes detenten legalmente el recinto. A continuación se resumen las labores básicas de mantención y su frecuencia, considerando una mantención preventiva y otra curativa. Mantención preventiva. Considera inspecciones, limpieza y cuidado de la vegetación. Inspecciones. Observar el funcionamiento de la laguna de acuerdo a sus condiciones de diseño. Poner atención en la obstrucción de los elementos de descarga. Notar erosiones, niveles de sedimentación, crecimiento excesivo de plantas, integridad de los muros y el vertedero, daños estructurales en los disipadores de energía y capacidad de los elementos de evacuación hacia aguas abajo. Rutinario. Al menos anualmente de las estructuras hidráulicas y los elemento estructurales de la obra. Una vez por lo menos en condiciones de operación durante tormentas significativas. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 397 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Cuidado y corte del pasto. Cortar el pasto ocasionalmente para limitar el crecimiento de vegetación indeseada. Césped de riego mantenerlo en 5-10cm y pasto natural entre 10 y 15 cm. Rutina, dependiendo de las necesidades estéticas Remoción de basuras y objetos extraños. Recolectar y retirar todo tipo de basuras y objetos extraños de la superficie total de la laguna y sus alrededores para minimizar la obstrucción de las descargas y por necesidades estéticas. Considerar la remoción de objetos flotantes en la superficie del agua. Rutina. Incluir justo antes de la época de tormentas y después de las tormentas importantes. Retiro de hojas y ramas durante el otoño. Mantención curativa. Corregir problemas de erosión, sedimentación y ambientales, así como reparaciones estructurales si es necesario. Control de erosión y sedimentación. Reparar y resembrar vegetación en las zonas erosionadas que rodean la laguna y a lo largo de los canales. Reparar zonas dañadas en los disipadores de entrada y salida. No rutinario. Periódico o reparar de acuerdo a las necesidades detectadas en las inspecciones Control ambiental. Controlar problemas ambientales como malos olores, insectos y crecimiento excesivo de malezas con medias apropiadas. No rutinario. De acuerdo a las necesidades según antecedentes de la inspección o por quejas de los vecinos. Control de crecimiento de plantas acuáticas. Remover las plantas acuáticas de crecimiento excesivo y disponer de ellas fuera de la laguna. No rutinario. Puede ser cada 2 a 5 años o de acuerdo a las necesidades para controlar la acumulación excesiva. Remoción de sedimentos. Se requiere vaciar totalmente la laguna, redireccionar el flujo base para que no entre a ella durante la faena, y retirar los sedimentos del fondo de la laguna. No rutinario. De acuerdo a las indicaciones de la inspección o según el ritmo de acumulación de sedimentos. Reparaciones estructurales. Reparar elementos tales como entradas y descargas y revestimientos de disipadores de energía y canales. Estabilizar los muros y bermas. Reparar daños causados por Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 398 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN tormentas importantes. Revisar mecanismos, compuertas, pintura de estructuras metálicas. No rutinario. inspección. De acuerdo a las necesidades detectadas en la i. Ejemplo de Laguna de Retención. Considerar la posibilidad de desarrollar una laguna de retención para una urbanización consistente en conjuntos de viviendas, un sector comercial, y otro educacional en terrenos de aproximadamente 35 hectáreas en la ciudad de Concepción. Los terrenos presentan una forma aproximadamente rectangular de 780 por 470 metros, con una pendiente del 0,4%. Una vez que esté totalmente desarrollado las características del uso del suelo serán las siguientes: Techos Calles Pasajes y veredas Estacionamientos Áreas verdes públicas Patios, jardín y antejardín Superficie total urbanizada 112.000 m2 43.000 m2 25.200 m2 5.400 m2 30.800 m2 136.600 m2 353.000 m2 De acuerdo a la distribución del uso del suelo en la urbanización se ha dejado un lugar para áreas verdes en la parte baja, en la cual se dispone de espacio para la colocación de una laguna de retención de las aguas lluvias. Además, en el sector donde se ubicará, la profundidad de la napa oscila entre 3 y 4 metros bajo el nivel del suelo. Las aguas lluvias de toda la urbanización se dirigirán a través de las calles, sumideros y un sistema de colectores superficiales y subterráneos hasta el sector de la laguna. Desde ésta se entregará al sistema general de la ciudad. La laguna tiene por objeto lograr que el caudal máximo de aguas lluvias después de urbanizado el sector no supere el que se produce previo a la urbanización, de manera de no sobrecargar el sistema receptor hacia aguas abajo. Hacia aguas abajo se dispone de una red de drenaje natural desarrollada. Factibilidad. En una primera aproximación se requiere del orden del 0,5 al 2% de la superficie de la cuenca aportante para una laguna de este tipo, lo que significa menos de 7000 m2, que se suponen disponibles para la materialización de una laguna de retención. Según el Balance Hídrico de Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 399 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Chile de la DGA en esta zona la precipitación media anual es del orden de 1162 mm, con 74 días de lluvias en promedio al año como se indica en la Tabla 3.1.1.1. La evaporación en la zona es del orden de 1250 mm anuales. De manera que las condiciones son apropiadas para una obra de este tipo. La parte inferior de la laguna se llenará a partir de las primeras lluvias. Posteriormente se requerirán en promedio 90 mm anuales, que es la diferencia entre las precipitaciones y la evaporación, para mantener este volumen. Dado el tamaño de la laguna esta cantidad de agua se estima en 120 m3 al año, en promedio, la que será entregada por el sistema de riego del parque. Dimensionamiento. Se requiere conocer las propiedades de las lluvias de diseño y dimensionar el volumen de almacenamiento y el tamaño de los elementos de descarga y evacuación. Aspectos hidrológicos. Para estimar el hidrograma de entrada de caudales a la laguna se considera el método Racional Modificado el cual entrega un hidrograma triangular, con un tiempo al máximo igual al tiempo de concentración de la cuenca aportante y un caudal máximo correspondiente al generado por una tormenta de duración igual al tiempo de concentración. Para calcular el tiempo de concentración de la cuenca aportante se empleará la fórmula de Kirpich (Tabla 3.1.2.6) considerando como longitud del escurrimiento superficial 1300m a lo largo de las calles, desde el punto más alejado, y una pendiente de 0,004 promedio para todo el recorrido. Con estos valores el tiempo de concentración se estima como: T (min) = 0,0195 L0,77 S −0,385 = 0,0195(1300) 0,77 (0,004) −0,385 = 40,8min Para el dimensionamiento se considerará una lluvia de 40 minutos de duración. El gasto máximo del hidrograma está dado por la ecuación típica del Método Racional: Q = CiA / 3,6 donde C es el coeficiente de escorrentía, i la intensidad de la lluvia de duración igual al tiempo de concentración y periodo de retorno considerado y A el área de la cuenca aportante en km2. Para el dimensionamiento de los diferentes elementos de la laguna se toman en cuenta distintas lluvias de diseño, con periodos de retorno desde 5 a 100 ó 200 años. Para la situación en condiciones naturales se estima un valor de C=0,30, equivalente al caso de suburbios según la Tabla del Capítulo de Hidrología y dadas las condiciones naturales con muchos espacios abiertos del sector. Para el caso urbanizado es necesario tomar en cuenta el uso de las distintas áreas y Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 400 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN obtener un coeficiente ponderado para el total. Con los valores de las superficies de cada tipo y los coeficientes de la Tabla 3.1.2.7 se obtiene: Tipo de superficie Techos Calles Estacionamiento Pasajes y veredas Áreas verdes Patios y otros Coeficiente 0.90 0.85 0.80 0.75 0.20 0.50 El coeficiente de escurrimiento ponderado resulta ser: C = urb 0,90∗112000 + 0,85∗43000 + 0,80∗5400 + 0,75∗25200 + 0,20∗30800 + 0,50∗136600 353000 = 0,67 Para estimar la intensidad de la lluvia de 10 años de periodo de retorno y 40 minutos de duración se inicia el cálculo sabiendo que la lluvia de 24 horas y 10 años de periodo de retorno en la zona es de 105 mm, según la publicación de la DGA sobre Precipitaciones Máximas en 24, 48 y 72 horas, y también la Tabla 3.1.2.2 en el Capítulo de Hidrología. La precipitación de 40 minutos se calcula con los coeficientes de duración y frecuencia: 10 10 60 P40 = 11 , P24 CD124 CD40 CF10T 60 = 0,858 de donde P2410 = 105; CD124 = 0,19 según la Tabla 3.1.2.3 y CD40 acuerdo a la expresión 3.1.2.2. Además para un periodo de retorno de 10 años CF10T =1. Entonces, la cantidad de agua caída en 40 minutos es: , (105)(0,19)(0,858)(1,0) = 18,8mm P4010 = 11 lo que equivale a una intensidad de 28,2 mm/hora. Similarmente se pueden calcular las precipitaciones para otros periodos de retorno: Precipitación máxima en 24 horas = 105 mm Coeficiente de duración de 24 horas a 1 hora = 0,19 Coeficiente de duración de 1 hora a 40 minutos = 0,858 Periodo de retorno, años Coeficiente de frecuencia (Tabla 3.1.2.4) 5 0,85 Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 10 1,00 100 1,46 401 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Precipitación de 40 min. en el lugar, mm 16,0 18,8 27,5 Intensidad de la lluvia, mm/hora 24,0 28,2 41,3 El gasto máximo que genera una tormenta de 40 minutos y 10 años de periodo de retorno con el terreno en condiciones naturales, previo a la urbanización, es: 10 = CiA / 3,6 = 0,30(28,2)(0,353) / 3,6 = 0,830m3 / s Q40 Siguiendo el mismo procedimiento y empleando los coeficientes adecuados se pueden calcular los gastos máximos para otros periodos de retorno y otras condiciones de la cuenca, los que se resumen a continuación: Condición Natural Coeficiente de escorrentía Periodo de retorno, años Urbanizada 0,30 0,67 5 10 100 5 10 100 Intensidad de la lluvia, mm/hr 24,06 28,2 41,3 24,0 28,2 41,3 Gasto máximo, m3/s 0,706 0,830 1,215 1,577 1,854 2,713 Como se puede apreciar se trata de caudales apreciables para situaciones urbanas. Volumen principal de la laguna. Aceptando que hacia aguas abajo de la laguna se puede evacuar el caudal máximo en condiciones naturales de la crecida de 10 años de periodo de retorno, se aceptará un caudal máximo de evacuación por la cámara de descarga de 800 l/s, con lo cual una aproximación para estimar el volumen de almacenamiento mínimo para la laguna está dado por la ecuación (4.3.2.9) considerando que el tiempo base del hidrograma de la crecida de diseño es igual al doble del tiempo de concentración de la cuenca: Vlaguna = 0,5Tb ( Qme − Qevac ) = 0,5(2∗40∗60)(1,854 − 0,800) = 2530m3 Se propone una laguna con una capacidad de regulación de 2500 m3. Para tener una primera idea del tamaño se puede apreciar que este volumen se logra con una superficie de 3000m2 y 0,83 m de profundidad media. Esta superficie es menos de la mitad de la que se había estimado inicialmente para el lugar. Se hará un diseño típico en dos niveles, empleando el inferior para el agua permanente y el superior para la regulación de crecidas de aguas lluvias. El nivel inferior estará ocupado por agua subterránea. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 402 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Dadas las condiciones del lugar la laguna tendrá un diseño tradicional en planta, de forma ovalada, excavada en el terreno de manera que el agua subterránea llene la parte inferior Cámara de descarga. Para la evacuación se colocará una pequeña cámara rectangular de casi 2,0 m de alto conectada mediante una tubería a la descarga. La disposición de esta cámara es aproximadamente como se indica en la Figura 4.3.2.25. Figura 4.3.2.25: Dimensiones y niveles de la cámara de descarga. A.- Fondo de la laguna , B.- Nivel laguna permanente, C.- Umbral del vertedero de la cámara, D.- Umbral vertedero de seguridad, E.- Coronamiento muros, F.- Salida desagüe. El sistema de evacuación debe ser capaz de entregar como máximo el caudal de 800 l/s cuando la laguna esté llena hasta la cota del umbral del vertedero de seguridad, que es la 2,0. Este se puede estimar como: Qevac 2 gH = A K 0 ,5 ≤ 800 l / s (4.3.2.15) donde K es la suma del coeficiente de pérdidas en la entrada (0,2) la salida (1,0) y la fricción en el tubo (fL/D). Se puede adoptar f=0,02 para una tubería típica. Además el desnivel entre el umbral del vertedero de seguridad, que corresponde al nivel del agua con la laguna llena, y el eje de la tubería a la salida, es H=2,20m y L=30m. Entonces evaluando la expresión para diferentes diámetros se obtiene: Diámetro (m) 0,40 0,50 Área del tubo (m2) 0,126 0,196 fL/D 1,5 1,2 K 2,7 2,4 Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos Qevac (l/s) 503,5 830,8 403 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Se colocará un tubo de salida de diámetro D=0,5m En estas condiciones el gasto máximo es de 831 l/s, similar al permitido hacia aguas abajo y es el que se propone adoptar para el evacuador en este caso. La tubería tendrá cada 3 metros pantallas de hormigón de 1x1 m2 y 0,15m de espesor para disminuir las filtraciones por la parte exterior del tubo. En estas condiciones la descarga por el ducto en función de la altura de agua en la laguna está dado por: (h + 0,2) Q = 0,196 2 g 2,4 0 ,5 = 0,560(h + 0,2) 0,5 para 1,7m < h < 2,0 m Vaciamiento. Para el vaciamiento total del volumen de regulación de la laguna, entre la cota +1,7m en el umbral de la cámara del evacuador y la cota +1,0m, se dispondrá de un tubo perforado vertical adosado a la cámara colocado según las recomendaciones de diseño. Se empleará una tubería de 0,30 m de diámetro, con perforaciones en la parte superior de 0,7m de alto (c=0,7m), con 8 filas de perforaciones separadas a 0,10m en altura (d=0,1m). Para vaciar el volumen de la laguna de 2500 m3 en 12 horas con una altura de agua de 0,7m, se requiere un área de perforaciones de aproximadamente 60 cm2 por fila, según el gráfico de la Figura 4.3.2.20. Con perforaciones de 25mm, de 4,91cm2 de área cada una, esto se logra con 12 perforaciones por fila. En la Figura 4.3.2.19 se puede verificar que este número es igual al máximo número de perforaciones por fila para un tubo de 30 cm de diámetro. El caudal máximo que evacúa esta tubería está dado por la ecuación 4.3.2.3: Qvac = 0,61 2 Ap h 3(c + d ) 2 gh donde Ap es el área total de perforaciones, igual a 8 filas de 12 hoyos cada una con 4,91 cm2 por perforación, que resulta en 471 cm2. Además c=0,7m, d=0,1m y h=0,7m. Entonces: Qvac = 0,61 2 * 0,0471 * 0,7 2 g 0,7 = 0,062 m 3 / s 3(0,7 + 0,1) Este valor es menor que la capacidad de evacuación de la cámara, lo que le permite salir fácilmente. Con las dimensiones establecidas el gasto de vaciamiento de este dispositivo en función del nivel del agua en la laguna es: Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 404 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Q = 0,106 (h-0,2)1,5 para 1,0m< h < 1,7m Vertedero de seguridad. Este deberá ser capaz de descargar un gasto máximo igual a la diferencia entre el de la crecida de 100 años de periodo de retorno con la cuenca totalmente desarrollada, 2713 l/s, y el que sale por el evacuador a plena capacidad, 830 l/s, sin tomar en cuenta el efecto regulador de la laguna, de manera que el gasto de diseño es: Qvert = 2,713 − 0,830 = 1,883 m3 / s Para un vertedero con umbral horizontal de pared gruesa de ancho b, con una carga de agua h, el caudal está dado por la relación 4.3.2.8: Qvertedero = mbv 2 g Hv3/ 2 Adoptando un valor típico de m=0,36 y una altura máxima sobre el umbral de 0,50 m de manera que quede una revancha o borde libre de 0,3m hasta el coronamiento de los muros de la laguna como factor de seguridad adicional, se obtiene un ancho necesario de b= 3,34m para evacuar el gasto máximo de 1,883 m3/s. Se adoptará un vertedero como el mencionado de un ancho de 3,5m. En estas condiciones el gasto evacuado por el vertedero en función de la altura de agua en la laguna es: Q=0,36*3,5*(2g)0,5(h-0,2)1,5 = 5,578 (h-0,2)1,5 para 2,0m < h < 2,8m Desagüe de fondo. Además se conecta en el fondo de la cámara un desagüe tanto para controlar el flujo base y manejar el volumen de la parte inferior de la laguna, como para poderla vaciar totalmente ante cualquier eventualidad. Este elemento no opera para fines de regulación. En este caso se colocará una válvula de compuerta de 0,30m de diámetro alojada en una cámara lateral y entregando al mismo tubo de vaciamiento, conectado a la cámara de descarga. Curva de descarga de la laguna. La función de descarga de la laguna, considerando el tubo de vaciamiento, la cámara de evacuación y el vertedero de seguridad en función de la altura de agua en la laguna desde el fondo, h en metros, es la siguiente: Para 0 < h < 1,0m Q=0,0 Para 1,0m <h < 1,7m Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 405 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Q=0,106(h-1,0)1,5 Para 1,7m < h < 2,0m Q = 0,560 ( h + 0,2)0,5 Para 2,0m < h < 2,8m Q= 5,578 ( h- 2,0)1,5 + = 0,560 ( h + 0,2)0,5 La laguna se supone que está llena hasta el nivel permanente (h=1,0), cuando comienza una tormenta, de manera que el volumen de regulación se considera a partir de este nivel hacia arriba. Disposición general. En base a las dimensiones establecidas para el volumen de almacenamiento y los niveles de los elementos de evacuación se puede establecer una disposición general de la laguna, incluyendo los niveles de los elementos de evacuación y descarga. El área inundada y el volumen almacenado en función de la altura de agua se pueden determinar conocidas las dimensiones de la obra y las curvas de nivel al interior de la laguna. Para ello se mide el área encerrada por cada curva de nivel. Si Ai es el área superficial de la laguna para la altura hi, el volumen parcial entre dos curvas de nivel consecutivas se calcula como: ∆Vi =0,5(hi -hi-1)(Ai +Ai-1) En estas condiciones la superficie inundada y el volumen almacenado para tormentas están dados por los siguientes valores, en función de la altura de agua sobre el fondo de la laguna. Se considera solamente el volumen útil de regulación y no el permanente de la laguna. Además se agrega el gasto que sale y la función de almacenamiento dada por la ecuación 4.3.2.13 para intervalos de tiempo de 120 segundos. Altura Área Volumen Gasto Función 2 3 de agua (m) inundada (m ) almacenado (m ) evacuado (l/s) de almac. (l/s) 1,00 3204 0(1) 0,0 0 1,20 3385 659 9,5 10953 1,40 3569 1354 26,8 22593 1,60 3762 2087 49,3 34833 1,80 3955 2859 792,0 48442 2,00 4147 3667 830,6 61947 2,20 4376 4519 1366,0 76682 2,40 4605 5417 2314,0 92597 (1) No se considera el volumen permanente. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 406 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Verificación. Conocidas las curvas de área inundada y volumen almacenado en función de la altura de agua, así como la función del gasto evacuado en función de la misma altura de agua, es posible efectuar el rastreo de una crecida por la laguna, es decir determinar los niveles de agua, volúmenes y caudales de salida, dado un hidrograma de entrada. Esto permite verificar las dimensiones y condiciones de diseño. El cálculo en esta oportunidad se ha efectuado integrando numéricamente las ecuaciones de continuidad para una crecida de entrada de 10 años de periodo de retorno estimada con el Método Racional. Según se determinó anteriormente la crecida de entrada presenta un hidrograma de forma triangular con un máximo de 1854 l/s a los 40 minutos, es decir a los 2400 segundos, y termina en cero a los 4800 segundos. Se empleará como intervalo de tiempo para efectuar el análisis del tránsito de la crecida a través del estanque ∆t = 120 s. Con los valores conocidos de área inundada, volumen almacenado y gasto evacuado en función de la altura de agua se puede construir la relación del término del lado izquierdo, o función de almacenamiento, la que se incluye en la última columna de la tabla anterior. Con estas funciones se integra la ecuación de continuidad numéricamente para cada intervalo de tiempo. Para efectuar la integración numérica se ha confeccionado la tabla siguiente en la cual para cada instante de tiempo se consigna el gasto de entrada, el nivel de agua en el estanque, el volumen almacenado, el gasto de salida y el término del lado izquierdo de la ecuación (4.3.2.13), que corresponde a la función de almacenamiento. Sólo se han incluido algunos intervalos que permiten seguir los cálculos. Tiempo (segundos) 0 120 240 360 480 ... 2400 2520 2640 2760 2880 Gasto de entrada (l/s) 0 92,7 185,4 278,1 370,8 ... 1854,0 1761,0 1669,0 1576,0 1483,0 Nivel (metros) 0 1,01 1,01 1,01 1,02 ... 1,59 1,65 1,69 1,73 1,77 Volumen Gasto de Función de (m3) Salida(l/s) Almac. (l/s) 0 33 35 66 70 ... 2050 2280 2430 2600 2740 Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 0 1,0 1,0 1,0 1,5 ... 48,0 250,0 380,0 520,0 680,0 93 827 1046 1748 ... 33908 37743 41180 45872 45872 407 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN 3000 ... 4920 5040 5160 5280 ... 1391,0 ... 0,0 0,0 0,0 0,0 ... 1,79 ... 1,76 1,75 1,73 1,72 ... 2800 ... 2710 2627 2600 2550 ... 750,0 ... 643,0 600,0 520,0 495,0 ... 47860 ... 45642 44524 43183 42813 ... Los resultados como caudal de entrada y de salida en función del tiempo se muestran en la Figura 4.3.2.26. Para esta crecida no alcanza a operar el vertedero de seguridad y todo el caudal es evacuado completamente por la obra de descarga. El caudal máximo de salida es del orden de 800 l/s siendo el máximo de entrada superior a 1800 l/s, lo que pone en evidencia el efecto regulador de la laguna. Se supone que estos caudales no generarán inconvenientes hacia aguas abajo ya que ellos son inferiores a los que se presentaban en condiciones naturales previos a la urbanización, y como se puede apreciar en los cálculos anteriores muy inferiores a los que se habrían generado si al urbanizar no se hubiera considerado una laguna de retención para amortiguar los caudales máximos de las crecidas de aguas lluvias. 2000,0 Gasto (lt/s) 1800,0 1600,0 Entrada 1400,0 Salida 1200,0 1000,0 800,0 Vol. Almac. 600,0 400,0 200,0 0,0 0 1000 2000 3000 4000 5000 Tiem po (segundos) Figura 4.3.2.26: Hidrogramas de entrada y salida para una crecida de 10 años de periodo de retorno. Detalles. Los detalles necesarios para completar el diseño de la obra se han establecido en el procedimiento de diseño. Para ello será conveniente Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 408 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN considerar la participación de un paisajista, de manera de aprovechar al máximo las características de la obra para otros fines. Cubicación y presupuesto. A continuación se presenta una cubicación y presupuesto para la construcción la laguna de retención del ejemplo. Ítem Descripción A 1 Unidad Cantidad Precio (U.F.) Unitario Subtotal Laguna de retención propiamente tal. Descepe del terreno, eliminación de vegetación y limpieza superficial, espesor de 10 cm. 351,680 2 Excavación, en terreno blando, hecha a máquina, sin agotamiento ni entibación, a profundidad menor de 1 m, desplazando el material para la ubicación de los muros. Sólo se trata de perfilar el terreno para lograr la geometría de la laguna. 320,040 3 Confección de terraplenes para los muros de la laguna, con la tierra de la excavación compactada con rodillo por capas de 0,15m de espesor. 396,059 4 Transporte de excedentes de la excavación incluyendo carguío y depósito, a distancia de hasta a 10 km. 53,739 5 Suministro y colocación de una capa de arena de 3 cm sobre toda la superficie de los taludes interiores y exteriores de los muros, hasta el límite de la zona litoral. 29,225 6 Suministro y colocación de una capa de tierra de hojas de 5 cm esparcida y compactada sobre la capa de arena del punto anterior. 151,322 7 Suministro y sembrado de semilla de césped tipo Bermuda o similar de buena calidad en toda la superficie con tierra de hojas. Se considera sembrado, riegos y cuidados hasta el primer corte del pasto. 308,880 8 Suministro y sembrado de plantas palustres en la zona litoral. 15,602 m2 6280 0,056 m3 1270,0 0,252 m3 1045,0 0,379 m3 853,0 0,063 m3 89,1 0,328 m3 148,5 1,019 m2 2970,0 0,104 Gl 1,0 15,602 Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 409 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN 9 Suministro y colocación de una capa de maicillo de 5 cm de espesor, compactado formando una vereda de 1,5m de ancho en el coronamiento de los muros. B Cámara de descarga, confeccionada en hormigón armado visto. 10 Hormigón grado H-30 con una dosificación mínima de 385 kg. de cem. por metro cúbico, colocado con moldaje para terminación de hormigón visto. 27,272 11 Acero tipo A44-28H con resaltes para hormigón armado, en barras, doblado y colocado según los planos. D=10mm 12 Ripio para emplantillado. Suministro y colocación, compactado en espesores de 5 cm bajo hormigones. 13 Tubos de c.c. tipo alcantarillado para tubería de evacuación. Suministro y colocación en zanja bajo el muro, emboquillados con mortero 1:4., D=0,3m 16,290 14 Bolones de 30 cm de diámetro medio colocados a mano en una capa en el pedraplén de la cámara de descarga. 15 Rejas para sumidero grande tipo alcantarillado, de 0,91m de largo. 15,884 16 Pantalla acero, PL acero de 2,9x0,7x0,003. 17 Tubo de acero de 200 mm de diámetro para conexión de válvula, con bridas de conexión. 18 Tubo de vaciamiento en acero de 300mm de diámetro, con perforaciones según planos y soldado, colocado en cámara de descarga. 19 Válvula tipo compuerta de 200mm con bridas de conexión. Suministro y colocación, para operar con manguito. 11,359 20 Tapa de cámara de hormigón armado tipo acera de 0,70x0,70 C 21 22 Vertedero de seguridad, en rocas para simular una caída natural tipo estero de alta montaña. Suministro y colocación de una capa de ripio para emplantillado y filtro de 10cm de espesor, compactado. Piedras tipo enrocado de 30cm de diámetro m2 9,5 0,087 0,827 m3 5,8 4,702 Kg. 232,9 0,016 3,726 m3 0,3 0,117 0,035 m 30 0,543 m3 0,6 0,294 0,176 U 4,0 3,971 Kg. 48,0 0,030 1,440 m 0,7 1,105 0,774 m 2,0 1,682 3,364 U 1,0 U 1,0 2,398 2,398 m3 12,4 0,117 1,451 Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 11,359 410 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN medio, colocadas una a una sobre el emplantillado de ripio. Ordenadas para dar una apariencia natural, sin emparejar. 18,179 23 Mortero para cementar las piedras en la parte inferior. Mortero 1/4 colocado según detalle en los planos. 39,438 24 Piedras de tamaño 0,6 m para colocar en el colchón disipador. Muro vertical. Hormigón grado H-30 con una dosificación mínima de 385 kg. de cem. por metro cúbico, colocado con moldaje. 660,161 26 Acero tipo A44-28H con resaltes para hormigón armado, en barras, doblado y colocado según los planos. 26.1 D=12mm 57,536 26.2 D=10mm 33,408 26.3 D=16mm 40,832 Total m3 37,1 0,490 m3 11,1 3,553 m3 1,0 m3 140,4 4,702 Kg. 3596,0 0,016 Kg. 2088,0 0,016 Kg. 2552,0 0,016 0,293 0,293 D 25 2561,386 Nota: Precios de referencia en UF ( Unidades de Fomento, 1 UF=$13.081,89 al 7 de Octubre de 1996), según “Lista Oficial de Precios de Obras de Pavimentación para Cobro por Gastos de Inspección año 1995”, MINVU y el “Boletín de Precios Nº 276 de Mayo-Junio de 1996” del SERVIU Metropolitano. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 411 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 412 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 413 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 414 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN 4.4. OBRAS ANEXAS Para el control y gestión de las aguas lluvias mediante el empleo de obras alternativas y complementarias a las redes de colectores, es necesario recurrir a cierto tipo de obras que no pueden considerarse individualmente como de infiltración o de almacenamiento, o que por si solas no pueden actuar de manera eficiente en el drenaje de aguas lluvias, sin embargo son necesarias para que el sistema en su conjunto opere adecuadamente, o como complemento de otras soluciones alternativas. Estas se han agrupado como obras anexas ya que complementan a otras más importantes propuestas en capítulos anteriores, o se pueden considerar profusamente para la desconexión de zonas impermeables. Se incluyen en este capítulo las franjas filtrantes cubiertas de pastos, las zanjas con vegetación, canales para drenaje urbano, caídas, sedimentadores y cámaras de inspección. Las franjas filtrantes y las zanjas con vegetación se consideran como obras anexas importantes en la desconexión de áreas impermeables, lo que justifica su inclusión, si bien se trata más de elementos complementarios que de obras propiamente tales. En las áreas de expansión urbana de la zona central de Chile, en la cual muchas de las ciudades se han extendido sobre terrenos agrícolas, es común encontrar conflictos entre la infraestructura de riego existente previamente y los intereses de la urbanización. Es posible que un rediseño de los canales de riego para zonas urbanas, de manera de integrarlos más amigablemente al nuevo entorno pueda evitar muchos de los conflictos. Esto requiere que los diseños de estos canales no respondan exclusivamente a objetivos de mínimos costos de construcción o de eficiencia de conducción, sino que también tomen en cuenta las oportunidades de que sean incorporados al entorno urbano para fines paisajísticos e incluso de recreación. A lo largo de los canales de drenaje, o como elementos de entrega o descarga de estos a los estanques o lagunas de retención, puede ser necesario disponer de caídas, o descensos bruscos de fondo, y disipadores de energía hidráulica asociados a ello. Estos se presentan como caídas. Para la operación de algunas obras de infiltración se requiere agua libre de sedimentos de manera de evitar que se colmaten y pierdan su capacidad. Esto en el caso típico de zanjas y pozos de infiltración, para los canales puede ser interesante contar con un sedimentador previo que separe el material particulado. Finalmente se agregan cámaras que pueden ser útiles en los sistemas de conducción anexas a las obras. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 415 4.3.2. LAGUNAS DE RETENCIÓN Se incluyen entonces como obras anexas las siguientes: Franjas filtrantes cubiertas de pasto Zanjas con vegetación Canales para drenaje urbano de aguas lluvias Caídas y disipadores de energía Sedimentadores Cámaras de inspección Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 416 4.4.1. FRANJAS FILTRANTES a. Descripción. Las Franjas Filtrantes son áreas planas regadas cubiertas de césped denso o de otra cobertura atrayente que permita la infiltración, como gravilla o piedrecilla de playa. Para favorecer la infiltración requieren de un flujo parejo y de poca altura sobre toda la superficie. Las Franjas Filtrantes están diseñadas para hacer escurrir el agua en forma de flujo superficial como lámina continua, desde un extremo del plano hacia el extremo más bajo y no de manera concentrada como ocurre con las canalizaciones (zanjas, soleras, canaletas, etc.). Siempre que se produzca un flujo concentrado, este debe ser distribuido uniformemente a lo ancho de la Franja Filtrante mediante una franja de pavimento poroso u otra estructura que asegure un flujo en forma de lámina. Estas franjas de pasto pueden combinarse con veredas, estacionamientos o bermas adyacentes a zanjas de evacuación. Las franjas filtrantes pueden tener repartidas dentro de ellas arbustos y árboles que absorben nutrientes y dan sombra. En climas semiáridos es fundamental el riego, pues se necesita mantener un pasto denso y saludable. Estas franjas no son otra cosa que una forma de organizar los jardines y áreas verdes pequeñas de manera de favorecer el escurrimiento uniforme en láminas y promover la infiltración de las aguas lluvias en el lugar. Las Franjas Filtrantes se pueden usar en áreas comerciales y residenciales, incorporándolas a la planificación del drenaje de terrenos, calles y barrios, como un elemento de desconexión de áreas impermeables. Debido a que su efectividad depende de que el flujo escurra como una lámina uniforme y de poca altura sobre la superficie de la franja, es que se debe limitar el tamaño del área aportante y por lo tanto el volumen asociado. Los flujos pueden ser aplicados a las Franjas Filtrantes directamente desde superficies impermeables, como estacionamientos, calles, pasajes y veredas o techos de edificios, entregando el caudal en forma pareja mediante algún elemento de distribución con un umbral horizontal en el extremo más alto del plano. Las Franjas Filtrantes si se emplean profusamente en una zona son eficaces en reducir el volumen de escurrimiento de tormentas pequeñas. Las franjas filtrantes son estructuras sencillas, compuestas por unos pocos elementos, cuya organización se muestra en la Figura 4.4.1.1. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 417 4.4.2. ZANJAS CON VEGETACIÓN Figura 4.4.1.1: Elementos típicos de una franja filtrante. 1.- Zona impermeable, 2.- Repartidor de flujo, 3.- Franja filtrante, 4.- Colector. b. Ventajas y desventajas. El pasto y otro tipo de vegetación de estas franjas da un efecto agradable a cualquier espacio verde, y por lo tanto se pueden incorporar a los planes de paisajismo de cualquier urbanización. Además, su uso no representa un costo extraordinario a una urbanización que tiene planificado construir áreas verdes y su mantención no debiera ser muy distinta a la de cualquier jardín. De vez en cuando, producto de los sedimentos acumulados, es necesario remover una sección del pasto ya que el escurrimiento puede verse distorsionado. El pasto y los árboles que se pueden utilizar de manera opcional, ayudan a disminuir el escurrimiento gracias a la infiltración que se produce, por pequeña que esta sea. Si se usan estas franjas con pendientes importantes en suelos inestables, se pueden producir pequeñas zanjas o cárcavas que destruirán el flujo superficial uniforme e impiden el buen funcionamiento. Es conveniente que las franjas filtrantes estén protegidas del tránsito de personas o vehículos que pueden dañar el pasto o afectar el flujo de la lámina superficial. Cuando se mezclan árboles y pasto, la estabilidad del terreno aumenta. El sitio debe tener una pendiente uniforme y ser capaz de mantener un flujo superficial uniforme en todas partes. Las pendientes típicas de los sitios aptos en condición original varían entre 2 y 10%. El área aportante depende de las dimensiones de la Franja y de la capacidad de infiltración del suelo bajo ella. Esta permeabilidad debe tomarse en cuenta para saber cómo puede afectar esto a las estructuras y pavimentos adyacentes a las franjas. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 418 4.4.2. ZANJAS CON VEGETACIÓN c. Procedimiento de diseño. En general las franjas filtrantes son elementos complementarios de un plan más ambicioso, de manera que su diseño se decide en un contexto más amplio. De todas maneras se puede pensar que el procedimiento de diseño considera las tres etapas típicas. Un análisis de factibilidad de la obra de acuerdo a las condiciones locales, en segundo lugar un dimensionamiento de los elementos principales y finalmente el diseño de los elementos de detalle. A continuación se plantea lo que debiera considerarse en cada una de estas etapas para el caso de un estanque de retención. Factibilidad. En base a los antecedentes que consideran las condiciones climáticas, las características del suelo, la existencia de agua subterránea, las propiedades de la urbanización, incluyendo la disponibilidad de espacio, sus destinos y tipo, así como el comportamiento esperado de los usuarios y vecinos, se debe decidir si es conveniente recurrir a un empleo relativamente masivo y organizado de franjas filtrantes, como parte de un plan más general. Dimensionamiento. El dimensionamiento es relativamente sencillo aunque requiere disponer de antecedentes de terreno y específicos del lugar en base a los cuales se calcularán las dimensiones de acuerdo a los criterios de diseño establecidos para la obra. Como antecedentes es necesario recopilar los siguientes: Hidrológicos. Es conveniente conocer los gastos y volúmenes resultantes de tormentas de 5 y 10 años de periodo de retorno en el sector para condiciones naturales, urbanizadas y con la aplicación de técnicas de desconexión con diferentes niveles, de manera de apreciar su efecto y decidir su conveniencia. Se requiere conocer el uso del suelo, las características de las lluvias, y la topografía del sector. Terreno. Disponibilidad de espacio, elementos de la red de drenaje natural del sector, así como de los demás elementos que forman el plan de gestión o desconexión de áreas impermeables. Límites de la zona y el comportamiento de las aguas lluvias que pueden llegar por escurrimiento superficial. Estimar la capacidad máxima de evacuación del sistema hacia aguas abajo, la forma en que se realizará la descarga y sus efecto. Si bien las franjas filtrantes no necesariamente se diseñan para infiltrar una cantidad específica o el total del agua que reciben, es conveniente conocer la capacidad de infiltración del suelo, de manera de poder estimar el gasto que entregan hacia los elementos de aguas abajo. Diseño de detalle. El diseño de detalle normalmente se traduce en los planos para la construcción de la obra y sus elementos necesarios. En esta etapa se debe proceder al diseño y dimensionamiento de los elementos auxiliares Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 419 4.4.2. ZANJAS CON VEGETACIÓN como son el empalme con las superficies contiguas, la existencia de elementos de separación como soleras discontinuas, y la conexión con el drenaje general. También debe considerarse la vegetación, necesidades de plantación, el riego y otras necesidades. d. Factibilidad. La factibilidad de emplear franjas filtrantes depende básicamente de la existencia en el sector urbanizado de áreas verdes, o sectores destinados a ellas, que puedan aprovecharse para ser empleados como franjas de filtración. La pendiente del terreno debe ser menor que 10% y debe permitir formar planos relativamente uniformes, en los cuales no se concentre el flujo. La necesidad de disponer de pasto o de otra cobertura superficial, así como los requisitos de riego en algunos climas puede ser un aspecto básico en la decisión de emplear este tipo de elementos. e. Dimensionamiento. El criterio básico del diseño de las Franjas Filtrantes cubiertas de pasto es mantener un flujo uniforme de pequeña altura sobre toda la superficie de esta franja cubierta de pasto denso. La Figura 4.4.1.2 muestra algunas configuraciones posibles incluyendo sus elementos básicos. Figura 4.4.1.2: Ejemplos de franjas filtrantes. 1.- Zona impermeable, 2.- Solerilla, 3.- Franja filtrante, 4.- Bajada de aguas lluvias, 5.- Repartidor tipo zanja, 6.- Solera. Lluvia de diseño. Para la lluvia de diseño debe seleccionarse un periodo de retorno, T, según los siguientes criterios: T = 5 años, si la franja filtrante forma parte de una política de Desconexión de Áreas Impermeables con una red de drenaje desarrollada. T = 10 años, si la red de drenaje no está desarrollada. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 420 4.4.2. ZANJAS CON VEGETACIÓN La autoridad municipal o el SERVIU podrá requerir periodos de retorno diferentes de acuerdo a las condiciones del lugar. Geometría. Se prefiere la forma rectangular, libre de zanjas o cárcavas que concentren el flujo. Distribución del flujo. El escurrimiento debe ser distribuido en forma pareja sobre la Franja. Se pueden utilizar solerillas, bermas, zanjas, soleras discontinuas u otro tipo de repartidor de flujo para lograr que esto ocurra. Para los flujos concentrados es absolutamente necesario utilizar estos dispositivos para poder lograrlo. Figura 4.4.1.3: Distribución de flujos con soleras discontinuas (arriba) y con zanja rellena (abajo). 1.- Zona impermeable, 2.- Repartidor de flujo, 3.Franja filtrante, 4.- Zanja, 5.- Drenes. Pendientes del terreno. Se recomiendan las siguientes pendientes máximas para el plano de las franjas en el sentido del escurrimiento. Tipo de cubierta Pasto con riego Jardines en general Laderas de zanjas Pasto sin riego Jardines en general Laderas de zanjas Flores y arbustos densos Máxima pendiente permitida I (m/m) 0,100 0,250 0,050 no se recomienda 0,010 Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 421 4.4.2. ZANJAS CON VEGETACIÓN Ancho (perpendicular al escurrimiento). Se sugiere aplicar una carga hidráulica no mayor que 4,5 l/s por metro lineal de Franja para una tormenta de diseño de manera de mantener una lámina de escurrimiento de menos de 2,5 cm de alto sobre toda la superficie de pasto. Es decir que en estas condiciones la altura de agua no sea superior a la mitad de la altura del pasto, que a lo más tiene 5 cm de alto. Como una primera aproximación se puede estimar el ancho de la franja Bf como: Bf = Q 4,5 (4.4.1.1) donde Q(l/s) es el gasto total aportante a la franja desde superficies impermeables que evacuan hacia ella. La altura de agua h(m) de una lámina de gasto Q (m3/s) repartida en todo el ancho Bf(m) de la franja, con una pendiente longitudinal I(m/m) se puede estimar con la relación 0,05Q h= B f I 3/ 5 (4.4.1.2) Largo (en el sentido del escurrimiento). El largo (Lf) debe ser mayor que el mayor de los valores siguientes para que resulte efectiva: Lf > 2,5m (4.4.1.3) Lf > 0,2 Limpermeable (4.4.1.4) Donde Limpermeable es la longitud del recorrido del agua sobre la superficie impermeable antes de ingresar a la Franja. Figura 4.4.1.4: Largo de la franja f. Detalles. Considera el resto de los elementos para que la franja opere adecuadamente. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 422 4.4.2. ZANJAS CON VEGETACIÓN Vegetación. Se necesita un pasto denso para favorecer la sedimentación y la filtración además de que ello protege contra la erosión. Los pastos deben mantenerse de un largo aproximado de 3 a 5 cm. Las Franjas deben ser regadas en la época seca si es necesario. A pesar de que los árboles y arbustos pueden favorecer la infiltración, pueden tener el inconveniente de destruir el flujo parejo sobre la superficie del pasto. Recolección del flujo de salida. Para la mayor parte de las tormentas grandes las Franjas no son capaces de infiltrar todo y requieren de algún tipo de conducción posterior. Las zanjas son una buena alternativa para conducir estos escurrimientos, pues incorporan otro nivel en la desconexión de zonas impermeables. También resultan una manera efectiva de alimentar zanjas de infiltración u otros elementos similares. Por supuesto, las Franjas también pueden drenar a los sistemas clásicos de recolección de aguas lluvia, hacia la solera de calles, cauces o drenes de cualquier tipo. g. Construcción. Las franjas filtrantes no demandan una técnica particular debido a que se trata de jardines de dimensiones modestas, pero es esencial realizar algunos controles. Precaución para evitar colmatación en la fase de construcción. Una vez iniciada la construcción de la obra, es importante limitar los aportes de finos hacia la franja. Es necesario evitar el tránsito de vehículos y maquinaria que produzcan una compactación excesiva del terreno de la franja. Si la franja va a ser sembrada con pasto artificial es conveniente que este se coloque sobre una pequeña capa de arena de 3 a 5 cm bajo la capa de tierra vegetal o tierra de hojas. Control de las dimensiones. Con el fin de asegurar el adecuado escurrimiento de las aguas lluvias es importante que las dimensiones estimadas en el estudio sean respetadas, fundamentalmente el que se logre una superficie plana sin cauces que concentren el flujo. Además debe verificarse cuidadosamente la ubicación y nivel de los elementos de alimentación y de rebase, tanto en relación a la franja misma como a la red de drenaje hacia la cual evacúan. h. Mantención. Las franjas filtrantes requieren una escasa o moderada mantención, la que puede ser más costosa cuando es necesario reemplazar el pasto o la cubierta que conforma la superficie. La responsabilidad por estas funciones, de acuerdo con las reglas de la legislación, recae sobre el propietario de las obras, el cual será una persona particular o pública según sea el dominio del terreno en el cual se encuentren emplazadas. Conviene distinguir los Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 423 4.4.2. ZANJAS CON VEGETACIÓN problemas de mantención derivados del aseo y ornato de la obra, en cuyo caso implican una responsabilidad municipal, de aquellos que significan una responsabilidad técnica propiamente tal. En este último caso, tratándose de obras en las vías públicas, la responsabilidad podría recaer en el SERVIU, sin embargo es necesario que esta responsabilidad sea aclarada legalmente. Si las obras se encuentran en recintos privados, la responsabilidad por su mantención es del propietario o de quien detente legalmente el recinto. Una guía de la mantención preventiva y curativa sugerida para las franjas filtrantes y la frecuencia con que ésta debe realizarse es la siguiente. Mantención preventiva. Considera inspecciones, cuidado de la vegetación y limpieza. Inspección. Inspeccionar la superficie para verificar la necesidad de una limpieza. Verificar que la alimentación no causa problemas y que el exceso de agua se evacúa correctamente. Rutinaria . Al menos una vez al año. Mantención del césped o de la cubierta. El cuidado del césped, el sistema de riego y la profundidad de las raíces deben ser inspeccionadas y mantenidas cuando sea necesario. Rutinaria. De acuerdo con la inspección y el clima. En conjunto con la mantención del sector en el cual se ubica la franja. Remoción de basura y objetos extraños. El material acumulado debe ser removido como una medida de control general, sanitaria y con fines estéticos. No rutinaria. Cuando sea necesario. durante el otoño. Retirar hojas y ramas Mantención curativa. Reemplazo del material que conforma la superficie. Reemplazar el pasto por especies resistentes al agua, o por otro tipo de cubierta si se observan daños permanentes. No rutinaria. Cuando se observa que la vegetación en la superficie del estanque está deteriorada. i. Ejemplo de franja filtrante. Se considera la posibilidad de construir franjas filtrantes a lo largo de un camino de servicio en una urbanización industrial en la ciudad de Valdivia, con el objeto que las aguas lluvias de los Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 424 4.4.2. ZANJAS CON VEGETACIÓN estacionamientos laterales pasen por ella antes de drenar hacia el camino. Se trata de un estacionamiento de 12 m de ancho total que serán drenados hacia esta franja, separada del camino mediante soleras discontinuas. El conjunto tiene una pendiente longitudinal del 2% y el sector de estacionamientos una pendiente transversal del 1% hacia la franja de pasto. Para la franja se dispone de 3 m entre el estacionamiento y el camino. La franja se dimensionará para lluvias de 5 años de periodo de retorno y 5 minutos de duración. Dimensionamiento. En este caso se trata más bien de verificar las dimensiones de la franja para una operación correcta, más que un dimensionamiento propiamente tal. Lluvia de diseño. La precipitación de 24 horas y 10 años de periodo de retorno en Valdivia es de 102,9mm según la tabla 3.1.2.2. El coeficiente de frecuencia para periodos de retorno de 5 años es de 0,89 según la tabla 3.1.2.4. El coeficiente de duración para lluvias de una hora es de 0,16 y el de 5 minutos en relación a las lluvias de una hora es de 0,31 según la tablas 3.1.2.3 y 3.1.2.5 respectivamente. Entonces la precipitación de 5 minutos de duración y 5 años de periodo de retorno es: añ os añ os 1hora 5min 5 añ os = P2410horas P55min CD24 horas CD1hora CF10 añ os = 102,9∗0,16∗0,31∗0,89 = 4,54mm Esto supone una intensidad media de 4,54 *60/5 = 54,5 mm/hora. Ancho de la franja. Para verificar que el ancho de la franja es adecuado, se estima el caudal aportante por metro de ancho. Dado que la superficie drenada tiene una longitud de 12m la franja recibe por metro de ancho con la lluvia de diseño: Q= CiA= 1,0*54,5(mm/hr)*0,001(m/mm)*1,0m*12m= 0,654m3/hora Esto equivale a un gasto de 0,18 lt/s por cada metro de ancho, el cual es bastante menor que los 4,5lt/s máximos recomendados para las franjas. Largo. El largo mínimo es de 2,5 m y mayor que 0,2 veces el largo de la zona impermeable que sirve, que resulta ser 0,2*12=2,4m. Por lo tanto la franja de 3m es adecuada. Vegetación. La franja tendrá la vegetación de la zona, con pasto, el cual se mantendrá de un largo no superior a 10cm para conservarlo sano. Salida. Esta franja drena hacia la cuneta del camino que reúne los caudales longitudinalmente. Se supone que posteriormente estos caudales así reunidos tendrán una disposición adecuada. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 425 4.4.2. ZANJAS CON VEGETACIÓN Detalles. El plano adjunto muestra los detalles de esta franja filtrante. Cubicación y presupuesto. A continuación se presenta una cubicación y presupuesto aproximado para la construcción de una franja de infiltración como la del ejemplo, considerando una longitud de 100m. Ítem 1 2 3 4 5 6 Descripción Unidad Cantidad Descepe y limpieza del terreno, así como el emparejamiento, nivelación y limpieza del fondo, e=10 cm. m2 Transporte de excedentes de la nivelación incluyendo carguío y depósito, a distancia menor a 10 km. m3 Suministro y colocación de una capa de arena sin contenido de arcilla de 3cm, esparcida y compactada con pisón. m3 Suministro y colocación de una capa de 5cm de tierra de hojas, esparcida y nivelada y compactada . m3 Suministro, distribución y siembra de pasto artificial. Incluyendo semilla, sembrado, riegos y cuidados hasta el primer corte del pasto. m2 Suministro y colocación de soleras discontinuas tipo C. m Total Precio (U.F.) Unitario Subtotal 300,0 0,056 16,800 30,0 0,063 1,890 9,0 1,081 9,729 15,0 1,019 15,285 300,0 0,104 31,200 54,0 0,392 21,168 96,072 Nota: Precios de referencia en UF ( Unidades de Fomento, 1 UF=$13.081,89 al 7 de Octubre de 1996), según “Lista Oficial de Precios de Obras de Pavimentación para Cobro por Gastos de Inspección año 1995”, MINVU y el “Boletín de Precios Nº 276 de MayoJunio de 1996” del SERVIU Metropolitano. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 426 4.4.2. ZANJAS CON VEGETACIÓN Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 427 4.4.2. ZANJAS CON VEGETACIÓN 4.4.2. ZANJAS CON VEGETACIÓN a. Descripción. Las Zanjas con Vegetación se ven similares a una zanja cualquiera pero son más anchas, funcionan como vías de drenaje con una densa vegetación y pendientes bajas que conducen el agua lentamente y con baja altura de escurrimiento. El diseño es similar al de un canal, pero su pendiente longitudinal y el tamaño de su sección transversal está hecho de manera tal que el escurrimiento superficial resulte lento y poco profundo, facilitando la sedimentación y evitando la erosión. Se pueden instalar bermas y diques pequeños si es necesario disminuir la velocidad de escurrimiento o favorecer la sedimentación y la infiltración. Su objetivo principal no es conducir agua como ocurre con los canales tradicionales. Estas zanjas se pueden usar para recoger las aguas que escurren superficialmente de estacionamientos, edificios, jardines residenciales, caminos y franjas filtrantes. Pueden ser parte de los planes de desconexiones de zonas impermeables. Estas zanjas cubiertas de vegetación pueden usarse como una alternativa a sistemas tradicionales de soleras y redes de colectores, especialmente para sectores residenciales poco densos. Este tipo de zanjas se ubican bajo el nivel del suelo adyacente, y la escorrentía superficial ingresa a ellas desde superficies laterales, ya sean jardines o calles. Son obras típicas de desconexión de zonas impermeables. La figura muestra un esquema de los elementos básicos de una zanja con vegetación. Figura 4.4.2.1: Elementos de una zanja con vegetación. 1.- Alimentación, 2.- Taludes, 3.- Fondo, 4.- Gradas de control. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 428 4.4.2. ZANJAS CON VEGETACIÓN b. Ventajas y desventajas. Las Zanjas con Vegetación son estéticamente más agradables que los canales de drenaje revestidos en concreto o roca, además de ser más baratos de construir. Aunque limitados por la capacidad de infiltración del suelo, estas obras alternativas proporcionan algún tipo de reducción en los volúmenes de escorrentía durante tormentas pequeñas. Los pastos largos y densos proporcionan protección contra la erosión durante tormentas más grandes. En zonas comerciales o residenciales estos canales pueden utilizarse para desconectar áreas impermeables. Se incorporan al paisaje de áreas verdes sin los inconvenientes de un canal tradicional. Pueden emplearse como elemento de división y cercado natural. La principal desventaja del uso de zanjas con vegetación es la posibilidad de que se formen áreas húmedas frente a las casas y se favorezca la aparición de mosquitos u otro tipo de insectos. También requieren mayor espacio y necesitan crear servidumbres para su mantención y operación. Debe evitarse que los vecinos las obstruyan para tener acceso o para el paso de vehículos. Requieren una preocupación especial para evitar que se ocupen para botar escombros y basura. En climas secos pueden requerir riego para mantener la vegetación en la temporada estival. Cuando el suelo es altamente permeable, la zanja puede usarse para infiltrar una parte del agua, aunque la efectividad de este tipo de obras alternativas no depende de la permeabilidad del suelo y son más bien obras de conducción y almacenamiento temporal. Las tasas de remoción de contaminantes de estas obras citadas en la literatura indican que esta está en el rango medio-bajo. Con buenas condiciones de suelo ( suelos permeables de la clase A o B de acuerdo a la clasificación del SCS) y bajas velocidades de escurrimiento ( menores a 0,6 m/s), se puede esperar una remoción moderada de sólidos suspendidos y otros contaminantes asociados. Si las condiciones del suelo lo permiten, la infiltración puede remover cantidades bajas a moderadas de contaminantes disueltos que el agua pudiera llevar. Por lo tanto, para tormentas pequeñas y frecuentes tendrán un máximo de remoción de estos contaminante disueltos. c. Procedimiento de diseño. En general las zanjas con vegetación son elementos complementarios de un plan más ambicioso, de manera que su diseño se decide en un contexto más amplio. De todas maneras se puede pensar que el procedimiento de diseño considera las tres etapas típicas. Un análisis de Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 429 4.4.2. ZANJAS CON VEGETACIÓN factibilidad de la obra de acuerdo a las condiciones locales, en segundo lugar un dimensionamiento de los elementos principales y finalmente el diseño de los elementos de detalle. A continuación se plantea lo que debiera considerarse en cada una de estas etapas para el caso de una zanja cubierta de vegetación. Factibilidad. En base a los antecedentes que consideran las condiciones climáticas, las características del suelo, la existencia de agua subterránea, las propiedades de la urbanización, incluyendo la disponibilidad de espacio, sus destinos y tipo, así como el comportamiento esperado de los usuarios y vecinos, se debe decidir si es conveniente considerar una zanja como parte de un plan más general. Dimensionamiento. El dimensionamiento es relativamente sencillo aunque requiere disponer de antecedentes de terreno y específicos del lugar en base a los cuales se calcularán las dimensiones de acuerdo a los criterios de diseño establecidos para la obra. Como antecedentes es necesario recopilar los siguientes: Hidrológicos. Estimar los caudales máximos provocados por lluvias frecuentes de periodo de retorno de 5 y 10 años, afluente al lugar proveniente de las zonas impermeables que drenan hacia la zanja y considerar su punto final o por tramos dependiendo de su extensión. Considerar también lluvias grandes de 50 y 100 años de periodo de retorno. Se requiere conocer el uso del suelo, las características de las lluvias, y la topografía del sector. Terreno. Disponibilidad de espacio, elementos de la red de drenaje natural del sector, así como de los demás elementos que forman el plan de gestión o desconexión de áreas impermeables. Límites de la zona y el comportamiento de las aguas lluvias que recibirá. Estimar la capacidad máxima de evacuación del sistema hacia aguas abajo, la forma en que se realizará la descarga y sus efecto. Propiedades geométricas. En base a ello se debe determinar la sección transversal, la pendiente de fondo y el trazado en planta de la zanja. Se decide la necesidad de contar o no con gradas y si puede operar como obra de retención. Diseño de detalle. El diseño de detalle normalmente se traduce en los planos para la construcción de la obra y sus elementos necesarios. En esta etapa se debe proceder al diseño y dimensionamiento de los elementos auxiliares Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 430 4.4.2. ZANJAS CON VEGETACIÓN corno son el empalme con las superficies contiguas. También debe considerarse la vegetación, necesidades de plantación, de riego y otras. d. Factibilidad. Las zanjas con vegetación son prácticas sólo en lugares con pendientes menores que el 3 o 4% y definitivamente no lo son en lugares con pendientes superiores al 6%. La pendiente longitudinal del canal debe ser menor que 1%, y a menudo necesitan gradas, escalones o pequeños muros transversales para reducir la pendiente longitudinal. e. Dimensionamiento. La figura muestra la configuración típica de las zanjas cubiertas de vegetación de secciones trapezoidales y triangulares. Figura 4.4.2.2: Sección típica de zanja. b.- Ancho basal, z.- Talud, h.- Altura de agua. La clave de este diseño es que las zanjas deben ser capaces de mantener velocidades de escurrimiento bajas durante tormentas pequeñas y que recojan y conduzcan las aguas de tormentas más grandes. El diseño debe considerar condiciones en que el uso del suelo del área aportante está totalmente desarrollado. Si no es así, se corre el riesgo de que la obra quede subdimensionada. Lluvia de diseño. Para verificar la velocidad para lluvias con el siguiente periodo de retorno: T = 5 años, si la zanja forma parte de un programa de desconexión de áreas impermeables en un sector con red de drenaje desarrollada. T = 10 años, si no hay una red de drenaje desarrollada. Para verificar la capacidad de la sección completa debe adoptarse los siguientes valores: Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 431 4.4.2. ZANJAS CON VEGETACIÓN T = 50 años, si hacia aguas abajo del lugar existe una red de drenaje desarrollada. T = 100 años, si no existe una red de drenaje desarrollada. La autoridad municipal o el SERVIU podrá requerir periodos de retorno diferentes de acuerdo a las condiciones del lugar. Geometría de la Zanja. Se prefiere una sección triangular o trapezoidal amplia. Se recomienda una profundidad del agua no mayor de 0,8 m para tormentas de 5 ó 10 años de periodo de retorno. Las pendientes laterales de los taludes no deben ser más empinadas que 4:1 (H:V) y preferiblemente 5:1 (H:V) o más tendidas para facilitar la mantención (corte de pasto). Pendiente Longitudinal. Las pendientes deben ser suaves para lograr velocidades bajas. Generalmente, las pendientes están entre 0,2% y 0,5% y en lo posible no mayores que el 1%. En lugares con pendientes mayores se pueden utilizar gradas para controlar la velocidad o pequeñas estructuras de caída de manera de mantener la pendiente del terreno requerida. Figura 4.4.2.3: Gradas de control. Gradas de control. Mediante el uso de gradas de control en las Zanjas se puede lograr la reducción de velocidad requerida, además de favorecer la sedimentación y la infiltración. Se pueden usar cuando se necesite mantener una pendiente longitudinal y/o limitar la velocidad máxima de escurrimiento. Estas gradas son de poca altura, del orden de 0,30 m de altura máxima sobre el fondo de la zanja, de manera que no presentan problemas estructurales o de disipación de energía al pie. Es preferible recurrir a una mayor cantidad de gradas, colocadas más cerca unas de otras, que a gradas de mayor altura. La grada de control propiamente tal puede confeccionarse de piedras sueltas, terraplenes de piedras, troncos, durmientes y materiales similares. Velocidad. Mantener una velocidad de escurrimiento baja para tormentas pequeñas y frecuentes. Esto favorece la sedimentación y la infiltración. Diseñar la Zanja para velocidades de 0,6 m/s o menores para la lluvia de diseño, 5 a 10años de periodo de retorno. Usar un coeficiente de Manning Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 432 4.4.2. ZANJAS CON VEGETACIÓN igual a 0,035 y dimensionar la sección transversal y la pendiente longitudinal de manera de limitar la velocidad. La velocidad media se puede estimar con la denominada ecuación de Manning, dada por: V= R2 / 3 I 1/ 2 n (4.4.2.1) donde V es la velocidad media en m/s; n un coeficiente para tomar en cuenta la rugosidad de la superficie, igual a 0,035 para pasto; I la pendiente del fondo de la zanja, en tanto por uno; R el radio hidráulico de la sección transversal, calculado como la razón: R= A P (4.4.2.2) siendo A el área de la sección transversal ocupada por el agua, m2; y P el perímetro mojado de la sección, en metros. Para canales triangulares y trapeciales el área y el perímetro mojado en función de la altura de agua están dados por las relaciones que se indican a continuación: Área Perímetro mojado Canal triangular Canal trapecial zh2 (b + zh) h 2h 1 + z 2 b + 2h 1 + z 2 donde h es la altura de agua medida sobre el fondo y z el talud de las paredes, como z/1=H/V. En estas condiciones la zanja conduce un gasto Q ( m3/s) igual al producto de la velocidad media por el área. f. Detalles. Completar el diseño con los detalles que se señalan a continuación. Vegetación. Hay que tener un cuidado especial en utilizar pastos vigorosos, que sean capaces de soportar inundaciones frecuentes y mantener una vegetación densa, puesto que muchas tormentas pueden ocurrir en los inicios de la primavera cuando el césped aún esta creciendo y es más propenso a la erosión. Es necesario también considerar el riego, fertilización y protección contra la erosión para pastos recién plantados, al igual que el riego Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 433 4.4.2. ZANJAS CON VEGETACIÓN permanente en climas semiáridos. Se recomienda el uso de pastos densos puesto que ello facilita la sedimentación, la infiltración, la recuperación de nutrientes, también limitan la erosión y ayuda a mantener la velocidad de escurrimiento baja. Cruce de calles. Para que la franja resulte conveniente es necesario que no existan excesivos cruces de calles o entradas de vehículos. En estos casos se pueden ubicar pequeñas alcantarillas en los cruces de las calles o entradas de vehículos. En ellas pueden colocarse tubos de cemento comprimido del tipo alcantarillado cubiertos por una capa de suelo de al menos el diámetro o un mínimo de 0,5 m. Si el volumen es suficiente la zanja se puede utilizar como un estanque de retención e infiltración extendido, con una no despreciable capacidad de almacenamiento entre calles. Drenaje y control de crecidas. Verificar el nivel del agua para eventos más grandes como tormentas de 50 ó 100 años de periodo de retorno de manera de asegurar que el drenaje de estos eventos se puede conducir por las zanjas sin provocar inundaciones en ninguna parte de su recorrido. Para estas tormentas extraordinarias las velocidades medias no debieran superar los 2,0 m/s. g. Construcción. Las zanjas con vegetación no demandan una técnica particular debido a que se trata de canales de dimensiones modestas, pero es esencial realizar algunos controles, fundamentalmente de las dimensiones Control de las dimensiones. Con el fin de asegurar el adecuado escurrimiento de las aguas lluvias es importante que las dimensiones estimadas en el estudio sean respetadas, fundamentalmente el que se logre una pendiente de fondo uniforme y taludes planos. Además debe verificarse cuidadosamente la ubicación y nivel de los elementos de control como gradas. h. Mantención. Las zanjas con vegetación requieren una escasa o moderada mantención. La responsabilidad por estas funciones, de acuerdo con las reglas de la legislación, recae sobre el propietario de las obras, el cual será una persona particular o pública según sea el dominio del terreno en el cual se encuentren emplazadas. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 434 4.4.2. ZANJAS CON VEGETACIÓN Una guía de la mantención sugerida para las zanjas con vegetación y la frecuencia con que ésta debe realizarse es la siguiente. En este caso sólo se considera una mantención preventiva. Inspección. Inspeccionar la superficie para verificar la necesidad de una limpieza. Verificar que la alimentación no causa problemas y que el exceso de agua se evacúa correctamente. Rutinaria . Al menos una vez al año. Mantención de la vegetación. El ideal es que se trate de vegetación nativa que no requiere cuidados especiales, pero deben efectuarse podas y controles para evitar un crecimiento excesivo. Rutinaria. De acuerdo con la inspección y el clima. En conjunto con la mantención del sector en el cual se ubica la zanja. Remoción de basura y objetos extraños. El material acumulado debe ser removido como una medida de control general, sanitaria y con fines estéticos. Es importante que estas zanjas no se conviertan en depósitos de basura, para lo cual deben mantenerse limpias. No rutinaria. Cuando sea necesario. durante el otoño. Retirar hojas y ramas i. Ejemplo de zanja con vegetación. Se considera la posibilidad de construir una zanja con vegetación a lo largo de un camino de servicio en una urbanización industrial en la ciudad de Valdivia, con el objeto de recibir las aguas lluvias del camino, de los techos y superficies impermeables del lugar para favorecer su almacenamiento temporal e infiltración. La zanja recibe transversalmente aguas lluvias de superficies impermeables de 60m2 por cada metro y ocupa una cuadra de extensión. La pendiente longitudinal de la calle es de 0,5%. Dimensionamiento. Se trata de determinar la sección transversal de la zanja y su pendiente de fondo. Lluvia de diseño. La zanja se dimensionará para lluvias de 5 años de periodo de retorno y 5 minutos de duración, y se verificará para lluvias de 50 años de periodo de retorno. La precipitación de 24 horas y 10 años de periodo de retorno en Valdivia es de 102,9mm según la tabla 3.1.2.2. El coeficiente de frecuencia para periodos de retorno de 5 años es de 0,89 y para 50 años de 1,24 según la tabla 3.1.2.4. El coeficiente de duración para lluvias de una hora es de 0,16 y el de 5 Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 435 4.4.2. ZANJAS CON VEGETACIÓN minutos en relación a las lluvias de una hora es de 0,31 según la tablas 3.1.2.3 y 3.1.2.5 respectivamente. Entonces la precipitación de 5 minutos de duración y 5 años de periodo de retorno es: añ os añ os 1hora 5min 5 añ os P55min CD24 = P2410horas horas CD1hora CF10 añ os = 102,9∗0,16∗0,31∗0,89 = 4,54mm Similarmente la de 50 años de periodo de retorno es de 6,33 mm Esto supone una intensidad media de 4,54 *60/5 = 54,5 mm/hora para las lluvias de 5 años y de 75,9mm/hr para la de 50 años. Geometría de la zanja. Se diseñará una zanja de sección transversal triangular con taludes H:V = 4:1, con una profundidad total de 0,4m en la parte central. Pendiente longitudinal. Esta será igual a la del camino, esto es 0,005, de manera de mantener la sección transversal de profundidad constante. Grada de control. Cada 30m se colocará una grada de control, consistente en un franja de piedras de tamaño medio 20cm que sobresalgan de la sección en 10cm, con una ancho de dos hileras de piedras, esto es 40cm. Esto permitirá asegurar la sección transversal y fijar el fondo para controlar la pendiente. Velocidad. Se verificará que las velocidades se encuentren dentro de los límites recomendados para las condiciones de diseño. Se estima el caudal aportante a la zanja por metro de ancho con la lluvia de diseño de 5 años, dado que la superficie drenada tiene una longitud de 60m, es: Q= CiA= 1,0*54,5(mm/hr)*0,001(m/mm)*1,0m*60m= 3,27m3/hora Esto equivale a acumular a lo largo de la zanja un gasto de 0,91 (l/s) por cada metro de ancho. En 100 metros de zanja se tendrá un gasto de 91 (l/s), el que se empleará para verificar la velocidad y la sección transversal. Similarmente para 50 años de periodo de retorno se tendrá un gasto de 127 (l/s). Para el gasto de 5 años de periodo de retorno, 91 (l/s), se obtiene una altura normal de agua de 0,22m. Con ella las demás variables de interés son: Área de la sección transversal = zh2= 4*0,222= 0,1936m2 Perímetro mojado = 2h(1+z2)0,5=2*0,22*(1+42)0,5=1,81m Radio hidráulico = A/P= 0,1936/1,81= 0,10696m Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 436 4.4.2. ZANJAS CON VEGETACIÓN Velocidad media = R2/3I1/2/n=0,106962/30,0050,5/0,035=0,455 m/s. Para esta velocidad se puede verificar que el área es de A= Q/V = 0,091/0,455 = 0,20 m2, lo que comprueba el cálculo. Esta velocidad es menor que 0,6 m/s que es la máxima recomendada para este tipo de zanjas, por lo tanto se considera aceptable. Además en la sección completa debe ser capaz de conducir el gasto generado por una tormenta de 50 años de periodo de retorno, esto es 127 lt/s. La capacidad de la sección completa está dada por las siguientes propiedades para una altura de agua máxima de 0,4m: Área de la sección transversal = zh2= 4*0,402= 0,64m2 Perímetro mojado = 2h(1+z2)0,5=2*0,40*(1+42)0,5=3,3m Radio hidráulico = A/P= 0,64/3,3= 0,194m Velocidad media = R2/3I1/2/n=0,1942/30,0050,5/0,035=0,68 m/s. Capacidad de la zanja llena = A*V= 0,64*0,68=0,43 m3/s= 430 lt/s Como se aprecia la capacidad de la zanja llena supera con creces el caudal de la tormenta de 50 años de periodo de retorno con una velocidad aceptable, menor de 2 m/s, para crecidas extraordinarias. Vegetación. La zanja tendrá vegetación de la zona, en especial plantas que se adapten bien a las condiciones de humedad permanente. Detalles. El plano adjunto muestra los detalles de esta zanja con vegetación. Cubicación y presupuesto. A continuación se presenta una cubicación y presupuesto aproximado para la construcción de una zanja con vegetación como la del ejemplo, considerando una longitud de 100m. Ítem 1 2 3 Descripción Unidad Cantidad Precio (U.F.) Unitario Subtotal Descepe y limpieza del terreno, así como el emparejamiento, nivelación y limpieza del fondo, e=10 cm. m3 Transporte de excedentes de la nivelación incluyendo carguío y depósito, a distancia menor a 10 km. m3 Suministro y colocación de piedras Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 112,0 0,056 62,72 112,0 0,063 7,056 437 4.4.2. ZANJAS CON VEGETACIÓN 4 5 en las gradas de control, ø=20 cm. Suministro y sembrado de plantas palustres dentro de la zanja entre gradas de control. Suministro y sembrado de semilla de césped en franjas laterales. m3 2,6 0,294 0,764 Gl 1,0 5,531 5,531 m2 800,0 0,104 m3 24,0 1,081 m3 40,0 1,019 83,200 6 Suministro y colocación de una capa de arena gruesa sin contenido de arcilla de 3 cm sobre las franjas laterales. 25,944 7 Suministro y colocación de una capa de tierra de hojas de 5 cm esparcida sobre la arena del punto anterior. 40,760 Total 225,754 Nota: Precios de referencia en UF ( Unidades de Fomento, 1 UF=$13.081,89 al 7 de Octubre de 1996), según “Lista Oficial de Precios de Obras de Pavimentación para Cobro por Gastos de Inspección año 1995”, MINVU y el “Boletín de Precios Nº 276 de MayoJunio de 1996” del SERVIU Metropolitano. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 438 4.4.2. ZANJAS CON VEGETACIÓN Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 439 4.4.3. CANALES PARA DRENAJE URBANO a. Descripción. El uso de canales abiertos en sistemas de drenaje urbano de aguas lluvias tiene ventajas significativas por su excelente relación costo-capacidad. Además presentan oportunidades de usos múltiples como recreación, aportes estéticos y al paisaje, mantención de condiciones naturales y un cierto volumen de regulación para crecidas importantes. Entre los inconvenientes es necesario considerar las necesidades de espacio y los costos de mantención. Un diseño cuidadoso puede minimizar los inconvenientes y aumentar los beneficios. Este tipo de conducciones solo debe considerarse para conducir aguas limpias. El cauce ideal para el drenaje urbano es el natural, desarrollado por la naturaleza después de un largo periodo de modo que puede considerarse en condiciones estables. En general cuanto más se parezca un canal artificial a uno natural generalmente mejor será el canal artificial. En muchas zonas que están por urbanizarse los cauces naturales son tan pequeños que no se aprecian a simple vista. Sin embargo, prácticamente siempre existe la posibilidad de seguir la trayectoria que tendría el flujo en condiciones naturales, lo que puede ser una buena guía para la ubicación de canales de drenaje. Un buen criterio de planificación urbana siempre debe ser capaz de reflejar incluso estas pequeñas redes de drenaje natural para reducir costos de desarrollo y minimizar los problemas de drenaje posteriormente. En algunos casos la utilización del sistema de drenaje natural en forma inteligente puede evitar la necesidad de construir costosas redes de colectores subterráneos para el drenaje de aguas lluvias. Una situación corriente en las urbanizaciones de la zona central de Chile es la existencia de canales de regadío que siguen operando con posterioridad a la urbanización del lugar. Estos canales en general presentan un diseño poco adecuado para las nuevas condiciones urbanas y son motivo de conflicto una vez que los terrenos son totalmente urbanizados. Si se aprovechan como elementos de flujo permanente y se incorporan razonablemente a la urbanización con un diseño adecuado, similar al que se propone para canales de drenaje urbano, pueden constituir elementos de interés. En todo caso debe entenderse que los canales de riego no forman una red de drenaje, sino por el contrario un sistema para distribuir agua sobre el suelo. Esto hace muy difícil aprovecharlos para la evacuación de aguas lluvias de un sector sin que Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 441 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA generen conflictos en otro ubicado aguas abajo. Sin embargo, manteniendo su condición, y sin que sea necesario incorporarles caudales de aguas lluvias, se puede modificar su diseño en zonas urbanas de manera de aprovecharlos como elementos de entorno urbanizado en términos provechosos tanto para los regantes, que continúan ocupándolos, como para la comunidad urbana. Si en la zona urbanizada coexisten terrenos de riego, debe tenerse especial cuidado con mantener y mejorar el sistema de drenaje de esos suelos para la evacuación de derrames y aguas no empleadas en el riego. Existen casi infinitas posibilidades de elección para el tipo de canalización, considerando las alternativas de condiciones hidráulicas, diseño ambiental, impacto social y requerimientos del proyecto. Sin embargo desde un punto de vista práctico las elecciones básicas que se deben adoptar inicialmente consideran si debe ser un canal revestido, o para altas velocidades, un canal con pasto, canal con vegetación natural o un cauce natural existente previamente. Los canales artificiales sin ningún tipo de revestimiento no deben considerarse como alternativa para situaciones urbanas. Desde el punto de vista urbano se consideran las alternativas que se describen a continuación: Canal natural. Consiste en un cauce excavado por la naturaleza antes que ocurra el proceso de urbanización. A menudo, aunque no siempre, son razonablemente estables. A medida que se urbaniza la cuenca tributaria, se pueden presentar problemas de erosión y puede ser necesario algún grado de control de fondo y protección localizada de taludes. Figura 4.4.3.1: Canal Natural. Canales revestidos de pasto. Entre los diferentes tipo de canales construidos, o modificaciones de cauces naturales, los canales revestidos de pasto son los favoritos para zonas urbanas. Proveen de capacidad de almacenamiento, menores velocidades y beneficios de usos múltiples. Algunas secciones pueden requerir revestimientos para minimizar la erosión y los inconvenientes de mantención. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 442 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA Figura 4.4.3.2: Canal revestido de pasto. Canales con vegetación en el fondo. Se trata de un subconjunto de los canales revestidos de pasto pero diseñados para mantener una vegetación húmeda más permanente o ciertos tipos de vegetación local de zonas húmedas en el fondo del canal. En algunas áreas pueden requerir revestimientos para protegerlos de la erosión. Figura 4.4.3.3: Canal con vegetación en el fondo. Canales revestidos de hormigón o albañilería. Los canales con revestimientos de hormigón o albañilería para soportar velocidades altas del flujo no se recomiendan como parte de sistemas de drenaje urbano. Sin embargo en condiciones especiales o en tramos cortos en las cuales las velocidades pueden ser importantes y no se dispone de espacio para desarrollar otras soluciones alternativas este tipo de canal puede ofrecer ventajas. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 443 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA Figura 4.4.3.4: Canal revestido. Canales revestidos de enrocados. Este tipo de canales ofrecen una alternativa entre los canales revestidos con vegetación y la solución de revestimientos de hormigón. Pueden disminuir las necesidades de espacio aumentando las velocidades del canal, pero son más difíciles de mantener limpios, por lo tanto sólo se recomiendan en situaciones donde las condiciones de crecida puede generar velocidades importantes que requieren una protección de este tipo. Son una buena alternativa para soluciones localizadas en tramos pequeños de canales naturales o con vegetación o de pasto. Figura 4.4.3.5: Revestimiento de enrocado. Otros canales revestidos. En el mercado existe actualmente una gran diversidad de revestimientos para canales, todos ellos destinados a proteger las paredes y el fondo del canal contra la erosión de las velocidades altas. Estos incluyen los gaviones, bloques de concretos anclados o amarrados, mantas de diferentes materiales, así como distintos tipos de revestimientos y tejidos sintéticos. Al igual que el caso de los revestimientos de hormigón y los enrocados, estos tipos de materiales se consideran razonables para resolver problemas locales de erosión y altas velocidades en situaciones con condiciones ya desarrolladas, pero no para nuevas urbanizaciones, ni para tramos largos de cauces de drenaje de aguas lluvias urbanas. Cada tipo de revestimiento debiera ser analizado por sus méritos, aplicabilidad, y por como satisface las necesidades de la comunidad, su integridad en el largo plazo y los costos de mantención. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 444 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA Figura 4.4.3.6: Revestimiento de gaviones. Canales de tierra sin revestir. Este tipo de canales no debe ser considerado como una alternativa para cauces de drenaje urbano de aguas lluvias. Figura 4.4.3.7: Canal excavado en tierra. Las figuras muestran ejemplos de canales revestidos de pasto y con vegetación en el fondo. Figura 4.4.3.8: Canal de pasto y protección de enrocados. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 445 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA Figura 4.4.3.9. Canal de pasto con alcantarilla bajo calzada. Figura 4.4.3.10: Canal con vegetación en el fondo. b. Ventajas e inconvenientes. Las ventajas de una canalización natural o de apariencia similar son las siguientes: Las velocidades son generalmente bajas, por lo tanto los tiempos de concentración resultan más prolongados y los caudales máximos hacia aguas abajo menores en comparación con otro tipo de colectores. Adicionalmente el almacenamiento en el canal tiende a disminuir los caudales máximos. A lo anterior se agrega que las necesidades de mantención disminuyen ya que se trata de un sistema relativamente estabilizado. Finalmente el canal puede proveer de una zona abierta en condiciones naturales agregando beneficios sociales y oportunidades de espacio para la recreación y esparcimiento. Uno de los problemas reconocidos en hidrología urbana en relación al uso de canales naturales está relacionado con la estabilidad debido al incremento de los flujos base, el aumento de los caudales máximos y la frecuencia de Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 446 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA crecidas una vez que el lugar se urbaniza. Por lo tanto los canales naturales deben estudiarse con atención para determinar las medidas que deben adoptarse para evitar la erosión del fondo y los taludes. Para ello se pueden adoptar medias que mantengan la apariencia natural de la canalización, que no son necesariamente costosas y funcionan apropiadamente. c. Procedimiento de diseño. Los canales de drenaje de aguas lluvias en zonas urbanas son elementos importantes del sistema y tienen un efecto marcado sobre la zona en la cual se desarrollan. Es por lo tanto necesario considerar su diseño con especial atención desde las primeras etapas del proyecto. Muchas de las decisiones necesarias para adoptar valores específicos de diseño requieren la intervención de un equipo multidisciplinario y de expertos que recomienden a las acciones a seguir. Es absolutamente imposible definir en detalle los procedimientos que deben seguirse para lograr un diseño adecuado y que satisfaga todas las expectativas de una obra de este tipo. Sin embargo para que los resultados sean razonables es importante considerar que criterios como secciones de mínimo costo, o canales de alta velocidad con poca excavación, son totalmente descartados para este tipo de obras en ambientes urbanos. En todo caso debe entenderse que las recomendaciones y criterios de esta guía son válidos para canales relativamente modestos, excluyendo los cauces naturales de régimen permanente que se generan más allá de las cuencas urbanas. Factibilidad. Se deben considerar los antecedentes de sistema natural de drenaje en el lugar, las oportunidades de aprovechamiento del espacio destinado al cauce, la magnitud y frecuencia de los caudales generados por las aguas lluvias, y la existencia de gastos permanentes de otras fuentes para decidir la conveniencia de desarrollar cauces abiertos de drenaje. Es importante considerar la descarga segura de las aguas conducidas por el canal. La factibilidad debiera establecer claramente el trazado de la canalización y decidir el tipo de cauce para cada uno de los tramos, así como las cuencas aportantes en las secciones principales. En general estos canales de drenaje urbano corresponden a mejoramientos de cauces naturales o de canales de otro tipo existentes en el lugar previamente, por lo tanto no se trata de una obra totalmente nueva. Sin embargo es conveniente que para decidir la factibilidad el proyectista reúna los siguientes antecedentes: Plano del trazado en planta del canal, en el cual se indiquen la comuna, calle o calles cercanas. Delimitación de las áreas aportantes de agua y sector al cual entrega el caudal recolectado. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 447 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA Certificado de la municipalidad respectiva en el cual se indique que el emplazamiento del canal no presenta inconvenientes de acuerdo al Plano Regulador Comunal para el uso del suelo con esos fines. Si el canal corresponde al mejoramiento de cauces naturales existentes previamente deberá proveerse de un certificado de la Dirección General de Aguas, o de su oficina en región, autorizando el uso para fines de drenaje urbano. Si se trata de canales existentes, de regadío o para otros fines pertenecientes a terceros, deberá disponerse de un certificado del propietario legal del cauce autorizando estos usos. Como toda obra de infraestructura el emplazamiento del canal requerirá de los espacios necesarios para su construcción. La autorización para el uso del suelo con estos fines deberá requerirse del propietario respectivo cuando este no sea el ejecutor de la obra. Debe considerarse el ancho suficiente para desarrollar totalmente la sección transversal del canal. El permiso deberá gestionarse según el caso ante el particular o la autoridad pública o fiscal. Dimensionamiento. El dimensionamiento requiere disponer de antecedentes hidrológicos, de terreno, del proyecto de urbanización o del entorno ya urbanizado, de manera de estimar las dimensiones principales de la obra de acuerdo a los criterios propuestos. Como antecedentes hidrológicos es necesario conocer las precipitaciones para estimar los caudales afluentes de crecidas de 2,5,10 y 100 años de periodo de retorno, tanto en condiciones naturales como con la zona totalmente desarrollada. Además debe conocerse las condiciones climáticas del lugar para establecer las necesidades de riego de las superficies revestidas con pasto. Se deben estimar los caudales base aportados por otras fuentes y los gastos mínimos que pueden escurrir fuera de las temporadas de lluvias. En relación al terreno es esencial disponer de información topográfica detallada para trazar el canal, determinar las pendientes necesarias por tramo, establecer las servidumbres y conocer los espacios disponibles para la sección completa del canal. Además es necesario conocer las características de los suelos para estimar costos de excavación, necesidades de relleno y de plantaciones. En base a los antecedentes disponibles y con los criterios establecidos se debe determinar el trazado en planta del canal, las pendientes de fondo por tramo, las velocidades medias del escurrimiento y las características de la sección transversal. En este sentido debe considerarse coeficientes de rugosidad equivalentes a canales nuevos y limpios para estimar las velocidades con Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 448 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA fines de establecer límites de erosión. Para calcular la sección completa y las revancha, así como las servidumbres, deben considerarse rugosidades equivalentes a situaciones con vegetación totalmente desarrollada. Una vez establecidas las condiciones de escurrimiento normal es necesario determinar las obras especiales que se requieran para acomodar la pendiente a las condiciones del terreno: caídas, angostamientos, ensanches, cruces, alcantarillas, puentes y similares. Con esta información se calcula un eje hidráulico de toda la canalización y se establece la necesidad de protecciones en secciones especiales. Las condiciones básicas de diseño hidráulico de cada tramo se establecen de manera que en cada uno de ellos se verifique escurrimiento normal, es decir con una pérdida de energía por unidad de longitud igual a la pendiente de fondo del tramo en cuestión, de manera que tanto el fondo, como la superficie del agua, como la línea de energía específica sean paralelas. Diseño de detalle. El diseño de detalle debe indicar el tipo de vegetación a establecer, así como los diseños de los elementos complementarios para otros fines que se incluirán en la sección completa de la canalización. Ubicación de veredas, accesos para mantención y similares, de manera de confeccionar planos y especificaciones de construcción. d. Consideraciones generales y criterios de diseño. La selección definitiva del tipo de canalización y sus características se basa en una serie de factores multidisciplinarios y consideraciones complejas, las cuales incluyen aspectos hidráulicos, estructurales, ambientales, sociológicos y económicos. Entre los hidráulicos se cuentan los que definen las dimensiones principales como son la pendiente de la canalización, el caudal máximo, la producción de sedimentos de la cuenca, el ancho disponible, la topografía del terreno y la habilidad del cauce para drenar los terrenos adyacentes. Como estructurales de considera la disponibilidad de materiales, la existencia de zonas de relleno o depósito de materiales de excavación, los esfuerzos de corte, las filtraciones y fuerzas de empuje, las presiones y fluctuaciones de presión, y otras solicitaciones menores. Desde el punto de vista ambiental es interesante observar las características del barrio, los requerimientos estéticos de la comunidad, las necesidades de nuevas áreas verdes, el diseño de calles y tráfico local, políticas municipales, hábitat natural, necesidades de la flora y fauna local. También debe tomarse en cuenta el comportamiento social del vecindario, la población infantil, el tráfico de peatones y las necesidades recreacionales. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 449 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA Desde el punto de vista económico además de los costos de construcción es importante la vida esperada del proyecto, las necesidades de mantención y reparación, y la accesibilidad. Antes de la elección de un tipo de canalización en particular se recomienda revisar las diferentes áreas mencionadas, de manera que el canal seleccionado maximice los beneficios en la mayor cantidad de aspectos posibles. Siempre que sea posible el canal debiera tener características de bajas velocidades, ser ancho y poco profundo, y tener una apariencia y funcionamiento natural. La primera etapa en esta selección debiera determinar si la canalización se desea o es necesaria. En muchos casos un sistema de drenaje natural bien establecido con sus espacios de inundación asociados pueden ser una excelente solución si se protegen y conservan razonablemente tanto de la erosión, como de problemas típicos en los espacios públicos de muchas ciudades de Chile como es el vandalismo, el depósito de basuras y escombros y el aprovechamiento para otros fines. Por lo tanto, antes de decidir la canalización de un cauce natural, o la construcción de un canal de drenaje, es necesario considerar si el valor de los terrenos recuperados justifican no sólo el costo de la canalización sino su mantención futura y los riesgos de uso de esos terrenos, así como si el nuevo canal entrega beneficios mayores, a la comunidad o ambientales, que los que puede proveer el sistema natural existente. A continuación se detallan los criterios de diseño para dos tipos de canales de drenaje urbano, como son los canales revestidos de pasto y los canales con vegetación en el fondo, ya que ellos son especialmente apropiados para estos fines y presentan diferencias importantes de criterio en relación al diseño de otro tipo de canales. e. Dimensionamiento de canales revestidos de pasto. Este tipo de canales se puede considerar como el más deseable para ser empleado como cauce abierto en el drenaje urbano de aguas lluvias. Ofrece varias ventajas sobre los demás tipos, entre las cuales está el proveer de un buen volumen de almacenamiento, tener bajas velocidades, presentar espacio para el desarrollo de flora y fauna local, su buena adaptación estética y paisajista al entorno, así como la posibilidad de obtener beneficios adicionales para recreación y generación de áreas verdes. El diseño debe considerar tan importante como los aspectos hidráulicos, las condiciones estéticas y paisajísticas, el control de la erosión y de la sedimentación. Los criterios que se indican a continuación son especialmente útiles en el diseño y selección inicial. Cualquier diseño definitivo que no satisfaga estos criterios debe ser cuidadosamente revisado para ver si se adecúa a los fines que se persiguen. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 450 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA Lluvia de diseño. El gasto de diseño del canal debe considerar todos los aspectos generados por una lluvia de un periodo de retorno seleccionado de acuerdo a lo siguiente: T = 100 años, si el canal fuera parte de una red de drenaje desarrollada. T = 200 años, si no forma parte de una red desarrollada. A los gastos máximos así resultantes deben agregarse los aportes adicionales generados por otras causas, o por los otros usos del canal si los tiene. La autoridad municipal, o el SERVIU podrá requerir otros periodos de retorno si lo estima conveniente de acuerdo a las condiciones del lugar. Velocidad de diseño y número de Froude. La velocidad media del escurrimiento, V, puede estimarse en función de las condiciones geométricas de la sección y de la pendiente de fondo, I, con la ecuación de Manning: V = R 2 / 3 I 1/ 2 n (4.4.3.1) donde n es el coeficiente de rugosidad del lecho, R el radio hidráulico de la sección, calculable como: R= A P (4.4.3.2) siendo A el área de la sección transversal y P el perímetro mojado. Debe reconocerse el potencial erosivo sobre los suelos vegetales que presentan durante las crecidas importantes, por ejemplo las de 100 años de periodo de retorno. Se sugiere calcular las velocidades medias de cada sección en base a un eje hidráulico del canal, y no sólo en base a la altura normal, de manera de considerar el efecto de caídas, ensanches, angostamientos y otras obras, para detectar las secciones en las cuales se pueden producir problemas locales de erosión. Las velocidades deben mantenerse bajas, de acuerdo a los valores que se recomiendan en la Figura 4.4.3.1, suponiendo que la cubierta de pasto se mantiene en buenas condiciones. El número de Froude de una sección, F ( sin dimensiones), es un indicador de las condiciones del flujo, calculado como: F= V A g L Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos (4.4.3.3) 451 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA donde V, m/s, es la velocidad media en la sección, A, m2, el área y L, m, el ancho superficial. La aceleración de gravedad, g, puede tomarse como 9,8 m/s2. El valor máximo para el número de Froude también se indica en la Tabla 4.4.3.1. En general se trata de mantener el escurrimiento en régimen de río, con F < 1,0, evitando los torrentes. Tabla 4.4.3.1: Velocidades máximas ( y números de Froude máximos) recomendadas. Cubierta de pasto Velocidad máxima, m/s (número de Froude) Suelos cohesivo Suelos no cohesivos Sin vegetación 1,2 (0,5) 0,7 (0,3) Pastos de jardín, mezclas nativas 2,1 (0,8) 1,5 (0,6) Pastos naturales, alfalfa 1,3 (0,5) 0,9 (0,3) Altura de agua de diseño. La altura máxima de agua debe reconocer que el potencial de erosión se incrementa con la altura de agua, y con el tiempo que se mantenga al flujo. Como criterio preliminar se recomienda que la altura máxima de agua sobre suelos con vegetación no sobrepase de 1,5 m. Pendiente de fondo. Los canales revestidos de pasto para que funcionen bien tienen pendientes entre 0,001 y 0,006. Cuando la topografía del terreno presenta pendientes mayores es necesario recurrir a caídas. Coeficiente de rugosidad. El coeficiente de rugosidad de canales artificiales revestidos de pasto depende del largo al cual se corte el césped, el tipo de pasto, así como de la profundidad relativa del flujo. En todo caso se pueden emplear para el diseño los valores de la Tabla 4.4.3.2 para situaciones de canales rectos, sin matorrales, maleza ni árboles al interior de la sección mojada. Tabla 4.4.3.2: Coeficientes de rugosidad para canales de pasto. Condiciones Césped, pastos de jardín Cortado a 5-10cm Cortado a 10-15cm Cualquier pasto en buenas condiciones 25 cm de largo Hasta 50cm de largo Cualquier pasto en regular estado Hasta 25 cm de largo Hasta 50cm de largo Profundidad (*) Menor de 0,5m Más de 0,9m 0,035 0,040 0,030 0,030 0,070 0,100 0,035 0,035 0,060 0,070 0,035 0,035 (*) Para profundidades intermedias entre 0,5m y 0,9m se puede interpolar linealmente los valores de la tabla. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 452 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA Normalmente los valores de la primera columna son razonables para calcular las condiciones de tormentas habituales, hasta 2 ó 10 años de periodo de retorno, mientras los valores de la segunda columna lo son para las tormentas mayores. Cuando la altura de agua es superior a 0,6m el pasto se tiende a alinear con el lujo y genera una superficie más suave al escurrimiento, lo que disminuye el coeficiente de rugosidad y produce velocidades medias mayores que incrementan la capacidad de erosión. Algo similar ocurre durante el periodo en que el pasto está en crecimiento, periodo en el cual se pueden producir velocidades altas erosivas. Curvas. Cuanto más suaves sean las curvas horizontales es mejor para el funcionamiento del canal. El eje del canal no debiera tener curvas con un radio menor a dos veces el ancho superficial con flujo máximo, y es recomendable que no sea inferior a 30m. Sección transversal. La forma del canal puede ser prácticamente cualquiera que se adapte a las condiciones locales y ambientales. La Figura 4.4.3.11 muestra secciones típicas para estos canales. A menudo la forma de la sección transversal debe elegirse para satisfacer necesidades de recreación, espacio abierto para otros usos, paisajismo, espacio para fauna u otros beneficios que se deseen obtener. Figura 4.4.3.11: Secciones típicas de canales revestidos con pasto. 1.- Solera de fondo, 2.- Canal flujos menores, 3.- Área recreacional. Taludes. Cuanto más tendidos mejor. No se recomienda que sean más verticales que 4H:1V, para permitir el uso de maquinaria de mantención y corte de pasto. Además para que puedan ser atravesados sin problemas por los peatones cuando no tiene agua. Ancho basal. Debe seleccionarse un ancho que permita conducir el caudal máximo de diseño reconociendo las limitaciones de velocidad, profundidad y número de Froude. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 453 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA Revancha de diseño. En condiciones urbanas la revancha normalmente está determinada por los tableros de puentes u otras estructuras que atraviesan sobre el canal. En general la magnitud de la revancha puede quedar condicionada a las características locales, y las propiedades de los terrenos adyacentes al canal. En ciertas condiciones puede ser beneficioso permitir un cierto rebase hacia terrenos laterales de inundación que pueden proveer de volumen de almacenamiento beneficiosos. En todo caso cuando existan terraplenes u otras obras en las cercanías debe considerarse una revancha de 0,3 a 0,5 m para las condiciones de flujo máximo en tormentas de diseño, dependiendo de las condiciones locales y el tamaño del canal. Solera de fondo. Para canales revestidos de césped de cierta importancia, o si existen flujos permanentes mínimos, se requiere disponer de una solera en el fondo para los flujos bajos, más permanentes, o los escurrimientos menores. Este es un pequeño revestimiento en el fondo que puede ocupar parcialmente el ancho basal del cauce principal. Una pequeña solera revestida de hormigón puede ser suficiente y presenta pocos problemas de mantención. También son aceptables otros tipos si se diseñan adecuadamente. Esta solera puede no ser práctica en el caso de cauces importantes, esteros, o en canales emplazados sobre suelos arenosos. En estas condiciones se recurre a un canal de fondo. Figura 4.4.3.12: Canal con solera de fondo. b.- Ancho de fondo, F.- Solera, ancho mínimo 1,2 m, C.- Camino, T.- Taludes de pasto, I.- Área inundada, B.- Ancho total mínimo, H.- Altura de agua mínima, menor que 1,5 m, R.Revancha. Canal de fondo. En zonas urbanas debe darse especial atención a los flujos menores, a veces flujos base que ocurren con posterioridad a las tormentas. Algunos cauces que normalmente están secos antes de la urbanización, con posterioridad presentan un flujo permanente debido al riego de jardines y áreas verdes. Estos flujos continuos sobre zonas de césped destruyen el pasto y pueden causar la degradación de la sección transversal por erosión localizada del fondo una vez que la capa de pasto desaparece. Debido a lo expuesto estos flujos menores permanentes deben conducirse mediante un pequeño canal de fondo, o un ducto subterráneo bajo el centro del canal de pasto. La capacidad de diseño de este pequeño canal de fondo es Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 454 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA del 2% al 10% del gasto de la crecida de 100 años de periodo de retorno. En caso en que se use una tubería enterrada debe ser de un diámetro mínimo de 0,6m, y disponer de accesos y cámaras, con una velocidad media de 0,9 m/s con la tubería llena hasta la mitad. Si el flujo resultante para el canal de fondo es mayor que 20 l/s se recomienda considerar un canal protegido, como el que se indica en la Figura 4.4.3.13. Estos canales de fondo o de flujos menores están muy expuestos a la erosión por lo tanto deben adoptarse todas las precauciones para protegerlos. Es por ello que puede ser preferible considerar para ello un revestimiento de hormigón. Debe asegurarse que los flujos bajos ocupen este canal y evitar que se generen flujos paralelos por zonas no protegidas. Figura 4.4.3.13: Canal con cauce para flujos menores. b.- Ancho basal, E.Enrocados, C.- Camino , T.- Taludes con pasto, I.- Área inundada, B.Ancho total mínimo, H.- Altura de agua máxima, 1 a 1,5 m, R.- Revancha. Pasto. El pasto de revestimiento de canales es un aspecto esencial para el éxito de este tipo de estructuras. En este sentido no es posible dar criterios específicos en cuanto al tipo de semilla a emplear, ya que depende de manera importante de condiciones locales. La selección debe basarse en las condiciones del suelo, clima y las necesidades de resistencia a la erosión por el empleo del cauce en la conducción de las aguas lluvias. Algunas recomendaciones generales para conseguir un buen revestimiento de pasto son las siguientes: preparar una buena base, con una capa vegetal firme formada por residuos de cultivos o tierra de hojas para proteger las semillas del pasto mientras este se establece. Seleccionar una mezcla de semillas simple que se adecue a las condiciones del cauce, formada por semillas de buena calidad, con pastos de origen conocido y adaptables al lugar. Plantar en la época más adecuada para la semilla seleccionada. Usar métodos de sembrado que den una distribución uniforme de las semillas. Proveer del riego necesario mientras se establece el pasto. Fertilizar de acuerdo a las necesidades del pasto y las características del suelo. Posteriormente debe permitirse por lo menos un año para observar si el pasto crece adecuadamente. Resembrar en los espacios desnudos con pasto y tierra de hojas. Evitar el tránsito sobre el sector plantado hasta que se establezca una base firme de césped. Cortar el pasto cuando pueda recrecer. Inspeccionar el revestimiento frecuentemente, especialmente después de tormentas. Reparar Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 455 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA inmediatamente cualquier daño. Mantener equipos y elementos pesados fuera del cauce. Control de la erosión. Los canales revestidos con césped son erosionables en cierto grado. La experiencia ha demostrado que no es económico diseñar estos canales para protegerlos frente a todas las eventualidades de erosión durante tormentas muy severas. Es recomendable proveer de secciones verticales fijas, por ejemplo de hormigón, a intervalos regulares para controlar la erosión y que presentan en su parte superior una forma geométrica igual a la sección que se trata de proteger. Pueden emplearse para estos fines caídas verticales o inclinadas con disipadores de energía al pie, como las que se proponen en el punto 4.4.4. También pueden usarse muros verticales transversales a la sección. Estos muros son además útiles para mantener los flujos menores al interior de las soleras o de los canales de fondo. Estos muros están formados por una zarpa de hormigón armado de 0,2 a 0,3 m de espesor y 1 a 2m de profundidad, colocados a lo ancho de toda la sección transversal. A menudo se pueden emplear para estos fines algunos ductos que atraviesan el cauce, como sifones o alcantarillas de otras conducciones. Bajo los puentes el pasto no crece y por lo tanto estos sectores son susceptibles de erosión. Es una buena práctica colocar una zarpa en toda la sección aguas abajo de los puentes, o revestir con otro tipo de cubierta todo el fondo bajo el tablero. Para mantener una pendiente de fondo pequeña puede ser necesario disponer de caídas. En estas condiciones existe tendencia a la erosión inmediatamente aguas arriba y aguas abajo de la estructura, incluso si las caídas son de pequeña altura. En este caso es necesario el uso apropiado de revestimientos de enrocado y disipadores de energía. Eje Hidráulico. Se designa como eje hidráulico a una línea por la mitad de la superficie libre del agua en función de la longitud del canal. En base a ella es posible apreciar el nivel del agua para cada sección y definir las cotas de los bordes. Una vez definidas las características de cada tramo, y de las obras de arte necesarias, es conveniente calcular el eje hidráulico del conjunto, ya que en general las obras de arte pueden modificar las condiciones de escurrimiento normal en sus cercanías. Para ello se deben establecer las secciones control, es decir aquellas en las cuales la altura de agua se puede estimar independientemente de las condiciones de aguas arriba o de aguas abajo. A partir de estas secciones se calcula la influencia hacia aguas arriba en los tramos con escurrimiento de río y hacia aguas abajo en los tramos con escurrimiento de torrente, hasta alcanzar las condiciones de escurrimiento normal. Al conocer en detalle las alturas de agua en cada sección, así como las velocidades medias, es posible proponer las alturas totales de los muros del borde, las revanchas y las protecciones contra la erosión si ello es necesario. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 456 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA Sin embargo un buen diseño del canal y de las obras de arte considera que estas no alteren demasiado las condiciones de escurrimiento normal en los tramos inmediatos, de manera que el eje hidráulico no sea muy diferentes del que corresponde al flujo normal. f. Dimensionamiento de Canales con vegetación en el fondo. Estos consisten en canales en los cuales se permite y promueve la existencia de vegetación natural en el fondo. Es especialmente útil cuando existen zonas bajas con abundante y permanente humedad como para mantener esta vegetación, o cuando se modifica un cauce natural en el cual existe. Este tipo de canales pueden ser concebidos como canales revestidos con pasto en los cuales se permite que en el fondo crezca vegetación permanente más abundante propia de zonas húmedas. La forma más simple de lograr esto puede ser eliminando la solera o el canal de fondo revestido y limitando la pendiente superficial para asegurar el crecimiento de vegetación. En la Figura 4.4.3.14 se muestra una sección típica de un canal con vegetación. Algunas de las ventajas potenciales de este tipo de canales es que proveen de espacio para la vida acuática terrestre y también aves. Pueden disminuir los costos de mantención en relación a los canales de pasto y tienen un aspecto más natural. Entre los inconveniente debe considerarse que la tendencia a un exceso de crecimiento con mucha densidad de vegetación impide una mantención adecuada y los trasforman en lugares de apariencia descuidada. Esta abundante vegetación del fondo atrapa sedimentos y reduce la capacidad de transporte del cauce total. Aunque esto se puede considerar en el diseño, en algunos casos puede ser necesario restaurar las condiciones iniciales mediante dragado. Pueden convertirse en un buen hábitat para los mosquitos y otros insectos no deseados. Debido a la tendencia a disminuir la capacidad de transporte estos canales deben diseñarse un poco sobredimensionados. Como resultado requieren mayor espacio. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 457 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA Figura 4.4.3.14: Sección típica de un canal con vegetación en el fondo. E.- Enrocados, T.- Taludes de pasto, R.- Revancha, I.- Área inundada, B.- Ancho total mínimo, C.- Camino de mantención. El diseño de este tipo de canales puede requerir de varias iteraciones hasta lograr un diseño definitivo. Para ello es necesario adoptar ciertas suposiciones en relación al efecto que tiene la altura de agua sobre la vegetación y como esta interactúa sobre el deposito de sedimentos. Los criterios de diseño son similares a los de los canales revestidos con pasto. La principal diferencia es que en este caso no se permite el uso de soleras o del canal de fondo, aunque si se considera un canal para flujos bajos. Adicionalmente deben considerarse dos condiciones de diseño en relación a la rugosidad. Para asegurar las condiciones de estabilidad se selecciona la pendiente de fondo suponiendo que no existe vegetación, es decir como si se tratara de un canal nuevo. Después, para asegurar la capacidad de diseño una vez que la vegetación esté establecida y ocurra un cierto grado de depósito de material, la revancha del canal se calcula usando coeficientes de rugosidad en condiciones de desarrollo total de la vegetación. Lluvia de diseño. El gasto de diseño del canal debe considerar todos los aspectos generados por una lluvia de un periodo de retorno seleccionado de acuerdo a lo siguiente: T = 100 años, si el canal fuera parte de una red de drenaje desarrollada. T = 200 años, si no forma parte de una red desarrollada. A los gastos máximos así resultantes deben agregarse los aportes adicionales generados por otras causas, o por los otros usos del canal si los tiene. La autoridad municipal, o el SERVIU podrá requerir otros periodos de retorno si lo estima conveniente de acuerdo a las condiciones del lugar. Velocidad media y Número de Froude. La velocidad media en condiciones normales para la crecida de diseño suponiendo el cauce sin vegetación no debe exceder de 2,0 m/s en suelos no erosionables, cohesivos, y de 1,5 m/s en Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 458 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA suelos erosionables. El número de Froude para las condiciones de canal nuevo debe ser menor de 0,7. Pendiente de fondo. Empleando un coeficiente de rugosidad equivalente al de canales nuevos (se recomienda n=0,030), seleccione una pendiente de fondo de manera que la velocidad media para el caudal máximo de la crecida de diseño, de 100 ó 200 años de periodo de retorno, no exceda los valores especificados en el párrafo precedente. Revancha. Se recomienda una revancha mínima de 0,3m sobre el nivel del agua correspondiente al gasto máximo de la crecida de diseño en condiciones de vegetación desarrollada. Coeficiente de rugosidad. Para determinar la pendiente longitudinal y las condiciones iniciales de la sección se recomienda emplear un coeficiente de rugosidad de Manning de 0,030. Para determinar las alturas de aguas y la sección transversal se debe emplear un coeficiente mayor, equivalente a las condiciones de desarrollo total de la vegetación. En este caso se calcula un coeficiente de rugosidad ponderado de acuerdo a la siguiente relación: nc = (n0 P0 + nb Pb ) (4.4.3.4) P0 + Pb donde nc es el coeficiente de rugosidad de la sección completa a usar en los cálculos, n0 es el de la sección con pasto, sin vegetación, que en el caso de canales revestidos de pasto puede ser 0,035, y nb es el coeficiente de rugosidad del canal de fondo con vegetación, cuyo valor depende de la profundidad del flujo y está dado por la relación de la figura 4.4.3.15. P es el perímetro mojado de cada parte. 0.1 Rugosidad 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0 1 2 3 Altura normal, m Figura 4.4.3.15: Estimación de la rugosidad del canal con vegetación en función de la altura de agua normal. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 459 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA Sección transversal. El diseño de la sección transversal debe considerar las condiciones locales y ajustarse para aprovechar al máximo las características del canal. Se recomienda que el canal de flujos bajos se diseñe para conducir una crecida de 2 ó de 5 años de periodo de retorno, sin revancha. Este canal debe ser de al menos 0,8 m de profundidad pero de no más de 1,5m. Es conveniente que sus taludes e incluso el fondo estén protegidos con enrocados y reservados para el desarrollo de la vegetación. Ver Figura 4.4.3.10. Ancho de fondo. Debe estimarse de manera que el canal conduzca el gasto de diseño en las condiciones indicadas de velocidad, pero se recomienda que no sea inferior a 2,0m. Ancho superficial total. Considerar un ancho generoso para incluir el nivel del agua total, la revancha y los elementos de mantención y accesos necesarios. Taludes. Los taludes laterales del cauce deben ser 4H:1V o más tendidos. Los taludes del canal de fondo pueden ser 2,5H:1V o más tendidos. Curvas. El radio de las curvas horizontales debe ser superior al doble del ancho superficial para las condiciones de gasto máximo, y por lo menos de 30m. Vegetación. Fuera de la sección más baja en la cual se desarrolla la vegetación de fondo la parte alta de estos canales puede sembrase con pasto al igual que los canales revestidos de pasto. La vegetación del fondo debe ser la típica de zonas húmedas adaptable a las condiciones locales. g. Construcción. La construcción de canales revestidos con pasto y de canales con vegetación en el fondo es muy similar a la de canales con otros fines, agregando las necesidades de plantar el pasto si es necesario de manera de transformar el lugar en un área verde. Para las faenas típicas del movimiento de tierras requerido para configurar la sección del canal se pueden emplear sistemas constructivos y especificaciones técnicas generales similares a las de canales de riego (Ver Especificaciones Técnicas Generales, Departamento de Construcción, Dirección de Riego, Ministerio de Obras Públicas, 1991). Trazado, perfiles y pendientes. Debe ponerse especial cuidado en reproducir las dimensiones de la sección transversal y longitudinal de los planos del proyecto, efectuando un replanteo en terreno que debe ser aprobado por la inspección técnica de la obra antes de comenzar las faenas. Las cotas de Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 460 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA radier del fondo del canal y las de secciones de control no debieran apartarse de las del proyecto en más de 1cm. Las líneas que definen la sección transversal no debiera diferir del proyecto en más de 5cm. Preparación de la faja. Antes de comenzar las faenas de movimiento de tierras debe prepararse la faja en todo el ancho de la sección. Esto incluye labores como corte de árboles, descepe, limpieza, demoliciones, reubicación de obras, desvío de cauces, cercos , etc. En general los materiales resultantes de estas labores serán llevados a botadero previamente autorizados. En caso de canales en cauces existentes es necesario desviar el flujo temporalmente, evitando que inunde las faenas. Excavaciones. Las excavaciones serán las estrictas para lograr la sección transversal de proyecto, con los taludes especificados. Los materiales que se obtengan de esta excavación podrán emplearse en terraplenes de la misma obra, o de relleno de sectores que lo requieran. El sobrante se llevará a botadero. La excavación de la cuneta para canales de flujos bajos puede hacerse en una segunda etapa, una vez que está perfilada la sección completa. Terraplenes. Para los terraplenes se empleará de preferencia el material proveniente de las excavaciones siempre que tengan un porcentaje de finos superior al 12%, prefiriéndose los materiales arcillosos y limosos. Los materiales se colocan en capas de espesor menor a 20cm, eliminando las piedras de tamaño superior a 2/3 el espesor de la capa, regando y compactando hasta la densidad preespecificada en el proyecto. Vegetación. Es importante preparar la superficie de plantación evitando que aparezcan cauces preferenciales, compactando las capas de arena y tierra de hojas y empleando una semilla adecuada a las condiciones del lugar. Debe considerarse la plantación hasta el primer corte del pasto. h. Mantención. Los canales revestidos con pasto o con vegetación en el fondo requieren una moderada mantención. La responsabilidad por estas funciones, de acuerdo con las reglas de la legislación, recae sobre el propietario de las obras, el cual será una persona particular o pública según sea el dominio del terreno en el cual se encuentren emplazadas. Conviene distinguir los problemas de mantención derivados del aseo y ornato de la obra, en cuyo caso implican una responsabilidad municipal, de aquellos que significan una responsabilidad técnica propiamente tal. En este último caso tratándose de vías públicas la responsabilidad podría recaer en el SERVIU, sin embargo es necesario que ella se aclare legalmente. Si las obras se encuentran en recintos privados, la responsabilidad por su mantención es del propietario o de quien detente legalmente el recinto. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 461 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA A continuación se indica la mantención sugerida para los canales, revestidos con pasto o con vegetación en el fondo, y la frecuencia con que ésta debe realizarse. Mentención preventiva. Considera la inspección de la obra, mantención de la vegetación y limpieza. Inspección. Inspeccionar la superficie para verificar la necesidad de una limpieza en especial el fondo de los canales con vegetación. Verificar que los flujos menores no causan problemas y que el agua escurre correctamente. Rutinaria . Al menos una vez al año. Mantención de la vegetación. El ideal es que se trate de vegetación nativa que no requiere cuidados especiales, pero deben efectuarse podas y controles para evitar un crecimiento excesivo. Estos cuidados deben estar incorporados en el área verde en la cual se ubica el canal. Rutinaria. De acuerdo con la inspección y el clima. En conjunto con la mantención del sector en el cual se ubica la zanja. Remoción de basura y objetos extraños. El material acumulado debe ser removido como una medida de control general, sanitaria y con fines estéticos. No rutinaria. Cuando sea necesario. durante el otoño. Retirar hojas y ramas Mantención curativa. Reparación de canal de fondo y cunetas. Reparar sectores dañados o erosionados para restaurar las condiciones de proyecto. Verificar que los flujos bajos se mantienen en el interior de la sección correspondiente. No rutinaria. Cuando sea necesario de acuerdo a la inspección. i. Ejemplo de canal revestido con pasto. Se trata de dimensionar un canal revestido con pasto para conducir un gasto máximo de 1,8m3/s, que es el aporte de una lluvia de 100 años de periodo de retorno con la cuenca totalmente desarrollada. El canal se construirá en suelos no cohesivos y se revestirá con pastos naturales. La franja destinada al canal presenta una pendiente longitudinal de 0,4% en promedio en el tramo a diseñar. Dadas las condiciones del lugar el ancho basal del canal será de 4,0m y los taludes laterales 5/1. Debe considerarse un camino como paseo y de Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 462 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA mantención general de las obra a lo largo del canal. permanentes se estiman en un 2% del gasto de diseño. Los caudales Velocidad y número de Froude. De acuerdo a las condiciones de diseño para pastos naturales y suelos no cohesivos se recomienda una velocidad máxima de 0,9m/s y un número de Froude máximo de 0,3 de acuerdo a las recomendaciones de la Tabla 4.4.3.1. Para una primera aproximación se supondrá la velocidad máxima permitida para estimar la altura de agua y con ella el número de Froude. Si es menor que el máximo permitido se aceptará el diseño. En caso contrario se disminuye la velocidad hasta que ambos valores sean aceptables. Con V=0,9m/s el área del canal es A=Q/V=1,8/0,9=2m2. La altura de agua para esta área es tal que A=h(b+zh). Con b=4, z=5 el valor de h resulta ser h=0,35m. El ancho superficial es L=b+2zh=4+2*5*0,35=7,5m. Entonces el número de Froude es F=V/(gA/L)0,5 = 0,9/(9,8*2/7,5)0,5= 0,55. Como este valor es mayor que el máximo permitido de 0,3 se debe disminuir la velocidad media de diseño. Estos cálculos se resumen en la siguiente tabla: V A h L A/L F 0,90 2,00 0,35 7,5 0,27 0,55 0,70 2,57 0,42 8,2 0,31 0,40 0,55 3,27 0,50 9,0 0,36 0,29 Este último valor satisface las dos condiciones de diseño en relación a velocidad máxima y número de Froude, por lo tanto se acepta como valor inicial para continuar el dimensionamiento. Pendiente de fondo. Para tener el valor indicado de velocidad y altura de agua con una rugosidad de n=0,030, la mínima para este tipo de revestimiento, la pendiente de fondo debe ser la dada por la ecuación 4.4.3.1, con A=3,27m2, n=0,030 y el radio hidráulico R=A/P donde P=b+2h(1+z2)0,5 = 9,1m. De estos valores se obtiene para I: I= V 2n2 A P 4 3 = 0,55 2 0,030 2 3,27 9,1 4 = 0,00106 3 La pendiente de fondo del canal será de 0,00106, es decir 1,06 metros cada kilómetro. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 463 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA Caídas. Como la pendiente del terreno es de 0,004, superior a la del fondo del canal, se dispondrá de 5 caídas regularmente espaciadas por kilómetro a una distancia de doscientos metros y de una altura de caída H tal que: 1000*0,00106+5H=1000*0,004 de donde se deduce que las caídas deben ser de una altura de 0,59m cada una. Estas caídas serán del tipo Caída Inclinada con Enrocados (ver 4.4.4). Altura de agua. Para efectos de estimar la altura de agua se considerará un coeficiente de rugosidad en condiciones de pasto en regular estado con profundidades entre 0,5 y 0,9m adaptándose un coeficiente de n=0,05. Para este cálculo se considera la mayor rugosidad razonable para el revestimiento de pasto, de manera de tomar en cuenta las peores condiciones desde el punto de vista del efecto sobre la altura de agua. Para una pendiente de 0,00106 un ancho basal de 4m y taludes z=5 con un gasto de 1,8m3/s se obtiene la altura de agua empleando la ecuación de Manning (4.4.3.1). En este caso el área está dada por: A=h(b+zh) = h(4+5h) El perímetro mojado: P=b+2h(1+z2)0,5 = 4+2h(1+52)0,5 = 4+10,2h La ecuación (4.4.3.1) exige: Qn i = donde A P 5 2 3 3 Qn i = 1,8 * 0,05 0,00106 = 2 ,76 Entonces el valor de h se obtiene de resolver numéricamente la igualdad: [h( 4 + 5h)] 2 ,76 = ( 4 + 10,2 h) 5 2 3 3 La que se satisface para h = 0,65m, que corresponde entonces a la altura normal del tramo. Revancha. La revancha para las condiciones de gasto máximo será de 0,35m, de manera de llegar a una altura total para la sección de 1,0m. Canal de fondo. Para un gasto permanente del 2% del máximo, es decir de 36lt/s se construirá un pequeño canal en el fondo de la sección. Este tendrá una base de hormigón de 1,0m a 1,5 m de ancho y paredes de piedra, de Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 464 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA manera que puede suponerse rectangular. Con un n=0,04 resulta una altura de agua de 0,18m. Por lo tanto las paredes de este canal de fondo serán de 20cm de alto. Este canal podrá tener curvas horizontales de manera de ocupar toda la base del canal principal y ajustarse a las necesidades de uso del sector para otros fines. Sección completa. La sección completa del canal considera un ancho basal de 4,0m, en el cual se incluye el canal de flujos bajos, taludes 5/1 hacia los dos lados, un camino para peatones de 2m de ancho a una altura de 1,0m sobre el fondo y sobre él una altura adicional de 0,5m. Todo ello requiere un ancho total de B=4+2+5+5*0,5+5*1,5=21m. En el interior de esta sección no podrán construirse ni instalarse obras con otros fines. Tampoco se plantarán arbustos que entorpezcan el flujo de las aguas. Las rocas de tamaño importante, mayores de 0,5m podrán dejarse en el lugar incorporándolas al paisaje. Curvas. El canal podrá tener curvas de radio superior a 42m en el eje del canal. Detalles. En el plano adjunto se muestra un diseño completo de la sección del canal con las dimensiones calculadas en este ejemplo. Se considera la plantación de pasto natural sobre una capa de tierra de hojas en toda la sección del canal, con excepción del canal de fondo y el camino. Este último será de 2,0m de ancho, con un espesor de 5cm de maicillo sobre el suelo natural compactado o no removido. Cubicación y presupuesto. Este presupuesto considera la sección completa por un largo de 100 metros de canal. No se incluyen las caídas ni el precio del terreno. La cubicación y presupuesto de las caídas necesarias, así como su diseño, se presentan en 4.4.4. Ítem Descripción Unidad Cantidad Excavación, en terreno blando, hecha a máquina, sin agotamiento ni entibación, incluye el descepe y limpieza del terreno, así como el emparejamiento, nivelación y limpieza de la sección. m3 100,800 2 Rellenos con tierra de terraplenes para perfilar la sección transversal en zonas que se requiera según los perfiles transversales del proyecto. Compactada y perfilada con el mismo material extraído de la excavación. m3 121,280 3 Transporte de excedentes de la excavación Precio (U.F.) Unitario Subtotal 1 Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 400,0 0,252 320,0 0,379 465 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA incluyendo carguío y depósito, a distancia menor a 10 km. 5,040 4 Suministro y colocación de una capa de arena de 3cm, esparcida y compactada con pisón. 17,745 5 Suministro y colocación de una capa de 5cm de tierra de hojas, esparcida y nivelada. 91,914 6 Suministro, distribución y siembra de césped artificial. Incluyendo semilla, sembrado, riegos y cuidados hasta el primer corte del pasto. 187,699 7 Suministro y colocación de una capa de grava compactada para apoyo de hormigón en canal . Espesor 3cm. 0,527 8 Suministro y colocación de hormigón para radier de fondo de canal de flujos bajos. Colocado en espesor de 5cm y nivelado. 24,375 9 Suministro y colocación de piedras tipo cantera o natural colocadas apoyadas sobre hormigón y niveladas. Tamaño medio 20cm. 1,585 10 Compactación del suelo bajo el camino 0,336 11 Suministro y colocación de una capa de maicillo para vereda en espesor de 5cm. 17,400 Total m3 80,0 0,063 m3 54,1 0,328 m3 90,2 1,019 m2 1804,8 0,104 m3 4,5 0,117 m3 7,5 3,250 m3 5,0 0,317 m3 6,0 0,056 m2 200,0 0,087 568,701 Nota: Precios de referencia en UF ( Unidades de Fomento, 1 UF=$13.081,89 al 7 de Octubre de 1996), según “Lista Oficial de Precios de Obras de Pavimentación para Cobro por Gastos de Inspección año 1995”, MINVU y el “Boletín de Precios Nº 276 de MayoJunio de 1996” del SERVIU Metropolitano. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 466 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 467 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA j. Ejemplo de canal con vegetación en el fondo. Se trata de dimensionar un canal con vegetación en el fondo para un gasto de diseño correspondiente a la crecida de 100 años de periodo de retorno que aporta 2,3m3/s con la cuenca totalmente desarrollada. La crecida con 5 años de periodo de retorno es de 1,1 m3/s. El canal se construirá sobre una pequeña hondonada que se incorporará a un área verde formada por suelos no cohesivos y los taludes se revestirán con pasto natural. La hondonada presenta una pendiente longitudinal promedio de 1,2%. Dado el tamaño natural de la hondonada se adoptará una ancho basal de 3m y taludes 4/1. No se considera necesario incluir un camino en la sección del canal, ya que existirá otro paralelo al cauce. Velocidad y número de Froude. Según las recomendaciones para este tipo de canales se aceptará una velocidad máxima de 1,5m/s y un Froude menor que 0,7. Para una primera aproximación se supondrá la velocidad máxima permitida para estimar la altura de agua y con ella el número de Froude. Si es menor que el máximo permitido se aceptará el diseño. En caso contrario se disminuye la velocidad hasta que ambos valores sean aceptables. Con V=1,5m/s el área del canal es A=Q/V=2,3/1,5=1,53m2. La altura de agua para esta área es tal que A=h(b+zh) con b=3, z=4 el valor de h resulta ser h=0,35m. El ancho superficial L=b+2zh=3+2*4*0,35=5,8m. Entonces el número de Froude es F=V/(gA/L)0,5 = 1,5/(9,8*1,53/5,8)0,5= 0,93. Como este valor es mayor que el máximo permitido de 0,7 se debe disminuir la velocidad media de diseño. Este cálculo inicial y los siguientes hasta lograr una velocidad y un número de Froude admisibles se resumen en la siguiente tabla: V A h L A/L F 1,50 1,53 0,35 5,80 0,26 0,93 1,20 1,92 0,41 6,28 0,31 0,69 Este último valor satisface las dos condiciones de diseño en relación a velocidad máxima y número de Froude, por lo tanto se acepta para continuar el dimensionamiento. Pendiente de fondo. Para tener el valor indicado de velocidad y altura de agua con una rugosidad de 0,03, la mínima para un revestimiento de pasto en los taludes y sin considerar la base con vegetación por seguridad, la pendiente Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 468 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA de fondo debe ser la dada por la ecuación 4.4.3.1, con A=1,92m2, n=0,030; R=A/P donde P=b+2h(1+z2)0,5 = 6,38m. De estos valores se obtiene para I: I= V 2n2 A P 4 3 = 1,20 2 0,030 2 1,92 6,38 24 = 0,0064 3 La pendiente de fondo del canal será de 0,0064, es decir 6,4 metros cada kilómetro. Caídas. Como la pendiente del terreno es de 0,012, superior a la del fondo del canal, se dispondrá de 5 caídas regularmente espaciadas por kilómetro a una distancia de doscientos metros y de una altura tal que: 1000*0,0064+5H=1000*0,012 de donde se deduce que las caídas deben ser de una altura de 1,12m cada una. Estas caídas serán del tipo Caída Inclinada con Enrocados. (Ver 4.4.4). Estas caídas se dimensionarán de manera que para el gasto de diseño respeten las condiciones de escurrimiento normal en los tramos de aguas arriba y aguas abajo, con el objeto de que alteren lo menos posible el eje hidráulico del canal. Altura de agua. Para efectos de estimar la altura de agua y la sección transversal completa del canal, se considerará un coeficiente de rugosidad compuesto considerando el fondo del canal en condiciones de plantas totalmente desarrolladas, y con los taludes con pasto en regular estado con profundidades entre 0,5 y 0,9m estimándose un coeficiente de n=0,04 para los taludes. Para el fondo con vegetación la rugosidad depende de la profundidad de agua en el canal según la figura 4.4.3.15. En este caso se supone que el canal de fondo, con vegetación, no aporta al escurrimiento, de manera que la sección de cálculo es trapecial de 3m de base y taludes 4/1. Como la rugosidad compuesta, nc, , que se calcula con la ecuación 4.4.3.4 depende de la altura de agua, debe procederse por aproximaciones sucesiva. Estas condiciones son las más desfavorables desde el punto de vista del tamaño de la sección transversal. La rugosidad de la sección con pasto se estima en 0,035. El perímetro mojado de la base es constante igual a 3m. El de la sección con pasto depende de la altura de agua y está dado por Po=2h(1+42)0,5. Primero se propone una altura de agua con la cual se estima una rugosidad inicial. Con ella y la ecuación de Manning, se calcula una altura de agua para verificar la rugosidad supuesta. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 469 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA Los cálculos necesarios hasta lograr una solución se muestran en la siguiente tabla: hinicial nbinicial Po 0,50 0,110 4,12 0,60 0,100 4,95 Pb nc h 3,00 0,067 0,62 3,00 0,060 0,59 Po 5,11 4,87 nb nc 0,10 0,059 0,10 0,060 Como la altura de agua es de 0,59 m se adoptará una altura de diseño de 0,6m. Revancha. La revancha para las condiciones de gasto máximo será de 0,30m, que es la mínima para este tipo de canales, de manera de llegar a una altura total para la sección de 0,9m, sobre el canal de fondo. Canal de fondo. El canal del fondo se diseña para conducir crecidas de 5 años de periodo de retorno, con una altura mínima de 0,8m y una máxima de 1,5m. De acuerdo a los antecedentes disponibles esta crecida produce un gasto de 1,1 m3/s. Se considera una rugosidad con plantas totalmente desarrolladas, de acuerdo a la figura 4.4.3.15. Para estas condiciones no se le agrega revancha. El canal de fondo con vegetación es de sección rectangular de 3m de ancho y debe conducir 1,1 m3/s. Cuando el canal esté nuevo, sin vegetación, debe tener una velocidad menor de 1,5 m/s. En estas condiciones para una pendiente de 0,0064, una rugosidad de n=0,030 resulta una altura de agua de 0,33m de acuerdo a la ecuación de Manning, y una velocidad media de 1,11m/s que cumple con la restricción. Cuando la vegetación esté desarrollada el coeficiente de rugosidad depende de la altura de agua. Adoptando un valor seguro de n=0,100 para el gasto de diseño y la pendiente de fondo se obtiene una altura de agua de 0,73m, menor que 0,8m. Por lo tanto para el canal de fondo se propone una altura total de 0,8m. Sección completa. La sección completa del canal considera un canal con vegetación en el fondo de 3m de ancho y 0,8m de profundidad y una sección completa con taludes de pasto con inclinación 4/1 y una altura de 0,9m. Esto requiere un ancho total de 3+2*4*0,9= 10,2m, que será el ancho de la franja destinada al canal. Curvas. El canal podrá tener curvas de radio superior a 30m en el eje del canal. Detalles. En el plano adjunto se muestra un diseño completo de la sección del canal con las dimensiones estimadas en este ejemplo. Se considera la Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 470 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA plantación de pasto natural sobre una capa de tierra de hojas en los taludes exteriores del canal, y plantas palustres en el fondo. Cubicación y presupuesto. Este presupuesto considera la sección completa por un largo de 100 metros de canal. No se incluyen las caídas ni el precio del terreno. La cubicación y presupuesto de las caídas, así como su dimensionamiento, se presentan en 4.4.4.g. Ítem Descripción 1 2 3 4 5 6 7 Unidad Cantidad Precio (U.F.) Unitario Subtotal Excavación, en terreno blando, hecha a máquina, sin agotamiento ni entibación, incluye el descepe y limpieza del terreno, así como el emparejamiento, nivelación y limpieza de la sección. m3 290,0 0,252 79,080 Rellenos con tierra de terraplenes para perfilar la sección transversal en zonas que se requiera según los perfiles transversales del proyecto. Compactada y perfilada con el mismo material extraído de la excavación.m3 230,0 0,379 87,170 Transporte de excedentes de la excavación incluyendo carguío y depósito, a distancia menor a 10km. m3 60,0 0,063 3,780 Suministro y colocación de una capa de arena gruesa de 3cm, esparcida y compactada sobre los taludes exteriores de la sección. m3 22,3 0,281 6,267 Suministro y colocación de una capa de 5cm de tierra de hojas, esparcida y nivelada, sobre la capa de arena. m3 37,1 1,019 37,703 Suministro, distribución y siembra de césped artificial. Incluyendo semilla, sembrado, riegos y cuidados hasta el primer corte del pasto. m2 742,2 0,104 77,189 Suministro y colocación de piedras tipo cantera o natural colocadas apoyadas sobre el fondo y niveladas. Tamaño medio 0,8m. m3 26,2 0,317 8,305 Total 293,494 Nota: Precios de referencia en UF ( Unidades de Fomento, 1 UF=$13.081,89 al 7 de Octubre de 1996), según “Lista Oficial de Precios de Obras de Pavimentación para Cobro por Gastos de Inspección año 1995”, MINVU y el “Boletín de Precios Nº 276 de MayoJunio de 1996” del SERVIU Metropolitano. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 471 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 472 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA a. Descripción. Las caídas y los disipadores de energía que se describen en esta sección corresponden a obras que se diseñan para trabajar en conjunto como un sólo elemento. Tienen por objeto adecuar las obras de conducción a las condiciones de terreno de manera de concentrar el lugar en el cual se produce la disipación de energía para realizarla de manera segura y controlada. La caída propiamente tal consiste en un descenso importante y localizado del fondo de una canalización, al pie de la cual habitualmente se dispone de un elemento para disipar la energía del escurrimiento apenas cae. Estas obras pueden intercalarse con los canales de pasto y con vegetación en el fondo de manera de ajustarse a las condiciones del terreno sin tener que recurrir a escurrimientos con altas velocidades, o también a la entrada y salida de obras de almacenamiento, incluso en reemplazo de vertederos de seguridad de obras menores. En la literatura hidráulica existe una gran cantidad de obras propuestas para lograr los fines mencionados, la mayoría de las cuales están concebidas para ser empleadas en obras de dimensiones importantes, o como parte de sistemas de conducción de agua para riego. Se pueden consultar por ejemplo las obras propuestas con estos fines en el Manual de Carreteras, ( Dirección de Vialidad, MOP 1988) y en el Manual de Diseño de Obras Tipo Para la Conducción y Distribución de Agua de Riego, (Dirección de Riego, MOP, 1978). Todas ellas pueden ser empleadas para los mismos fines en sistemas de conducción de aguas lluvias, sin embargo en general adolecen de un carácter excesivamente pragmático que las hacen poco adaptables desde el punto de vista estético para ser empleadas en zonas urbanas o lugares de uso público. A continuación se proponen dos tipos de caídas y sus respectivos disipadores de energía que han sido especialmente desarrolladas para ser empleadas en zonas urbanas, como parte de elementos de conducción superficial de aguas lluvias por el Distrito de Control de Crecidas y Drenaje Urbano (1992) de la ciudad de Denver en EE.UU. Una consiste en una caída vertical con una cubeta de disipación al pie, denominada Caída Vertical Reforzada, CVR, y la otra en una caída inclinada con enrocado, CIE. Ambas pueden adoptarse con muy buenos resultados a condiciones paisajísticas en parques y lugares públicos de zonas urbanas. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 473 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA Caídas Verticales Reforzadas CVR. Conforman un grupo de obras que puede incluir un amplia variedad de diseños estructurales, en base a distintas configuraciones de la cubeta reforzada y de la caída misma. Se le pueden agregar una serie de efectos de contracción para reducir las velocidades de aproximación en el canal de aguas arriba y se pueden seleccionar diferentes opciones para reforzar el canal hacia aguas abajo. Por razones de seguridad la altura de caída máxima es de 1m y el caudal máximo se restringe a 5 m3/s El fenómeno hidráulico generado por este tipo de caídas es un chorro de agua que cae desde el umbral de la pared hacia la cubeta inferior. El chorro choca con la zona reforzada y es redirigido horizontalmente. Dependiendo de las condiciones del canal aguas abajo y del caudal se inicia un resalto. En caso contrario, continua horizontalmente en escurrimiento supercrítico hasta que la fuerza específica del escurrimiento aguas abajo es suficiente como para forzar el resalto. La idea básica es que la energía sea disipada dentro de la turbulencia del resalto hidráulico; por lo tanto, la cubeta debe dimensionarse para contener el flujo supercrítico y el resalto en su interior. Generalmente, conviene usar una cubeta rugosa que resulta más corta y económica. La figura 4.4.4.1 muestra una caída vertical reforzada con una cubeta de enrocado. La capa de enrocado ubicada en la zona de aproximación a la caída termina abruptamente en una estructura de retención. Esta última es a su vez la pared de la caída y tiene una sección de canal trapecial hacia aguas arriba y otra de canal para flujos bajos hacia la cubeta. Figura 4.4.4.1: Configuración general de una CVR. 1.- Canal de aguas arriba, 2.- Canal de aguas abajo, 3.- Muro vertical, 4.- Cubeta. Caída Inclinada Con Enrocado Consolidado CIE : Este tipo de estructura ha ganado popularidad en regiones rocosas donde en las proximidades existen fuentes de roca de buena calidad y también por el diseño estético y por el éxito que ha tenido su aplicación en zonas urbanas. La calidad de la roca usada, y el procedimiento de colocación son muy importantes para la integridad estructural. No hay un máximo de altura para este tipo de estructura, sin embargo para utilizarla con fines de aguas lluvias el caudal máximo se limita a 5 m3/s. La CIE se diseña para operarla como un disipador de resalto, aún cuando algo de la energía que se pierde se deba a la rugosidad Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 474 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA del lecho de enrocado. El diseño tiene por objeto la integridad estructural y la contención del resalto dentro del área de la obra. Las caídas enrocadas deben ser construidas de piedras o rocas de tamaño uniforme, ubicados a través del área de aproximación, por los taludes y en el fondo de la caída y consolidadas con mortero. La Figura 4.4.4.2 ilustra la configuración general de una CIE. Figura 4.4.4.2: Configuración general de una CIE. 1.- Canal aguas arriba, 2.- Canal aguas abajo, 3.- Rápido, 4.- Cubeta, 5.- Zarpa, 6.- Emplantillado filtro, 7.- Grada de término de la cubeta. En ambos tipos de caídas, si se usan enrocados, es importante que la profundidad del mortero de consolidación del enrocado no sea menor de los dos tercios inferiores del tamaño nominal de las rocas. La apariencia y la disipación de energía se pueden mejorar si la profundidad consolidada del enrocado se mantiene a un máximo de tres cuartos del tamaño de las rocas, tal como se ve en la Figura 4.4.4.3. Para el éxito del diseño es importante adoptar cuidados adecuados en relación al control de las filtraciones, para lo cual es conveniente que el enrocado consolidado se apoye en una capa drenante y se dispongan barbacanas de alivio en el eje de la obra. Figura 4.4.4.3: Detalle del enrocado consolidado. D.- Tamaño medio del enrocado, d.- Espesor de la consolidación, dado por 0,67Droca<d<0,75Droca. b. Ventajas y Desventajas. El empleo de caídas y disipadores de energía permite concentrar de manera localizada y controlada la disipación de energía, evitando la erosión de los elementos de conducción que es la principal causa Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 475 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA de su degradación. El empleo de caídas especialmente desarrolladas para zonas urbanas permite agregar ventajas estéticas y paisajísticas incorporándolas como elementos decorativos en parques y áreas verdes públicas. Entre los inconvenientes debe mencionarse que este tipo de caídas y disipadores pueden resultar de mayor costo que otras alternativas más sencillas. c. Consideraciones generales y criterios de diseño. Estas obras forman parte de otras más complejas como son los canales de drenaje urbano o como evacuadores de obras de retención, como lagunas o estanques, ya que desde el punto de vista estricto del drenaje urbano no se justifican por sí solas. De esta manera la factibilidad depende de la obra básica a la cual se incorporan y no requieren por lo tanto un análisis de factibilidad especial. Similarmente para el dimensionamiento los antecedentes necesarios provienen de las condiciones de la obra principal, en relación al gasto de diseño, condiciones de terreno y otros. d. Dimensionamiento de Caídas Verticales Reforzadas CVR. La Figura 4.4.4.4 muestra un detalle de los elementos de una CVR con una cubeta en base a enrocados. Se considera un canal de flujos bajos en la parte central y una zona de disipación más ancha con enrocados en el fondo y las paredes para los flujos importantes de crecidas. La caída propiamente tal está formada por una pared vertical de hormigón armado que presenta en su parte central la sección para el canal de flujos bajos o permanentes, si este existe en el canal principal. En el caso de caídas ligadas a obras de retención puede no ser necesario. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 476 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA Figura 4.4.4.4: Caída Vertical con Cubeta Reforzada. 1.- Muro de hormigón, 2.- Canal de flujos bajos, 3.- Canal de crecidas, 4.- Cubeta, 5.- Meandros y rocas grandes, 6.- Piedras enterradas, 7.- Aproximación. Figura 4.4.4.5: CVR. Corte AA. 1.- Pared de hormigón, 2.- Canal de flujos bajos, 3.- Sección aguas arriba, 4.- Sección aguas abajo. Figura 4.4.4.6: CVR. Corte BB. 1.- Cubeta, 2.- Canal de flujos bajos, 3.Rocas de mayor tamaño, 4.- Taludes de enrocado consolidado. Condiciones hidráulicas. El método de diseño hace uso de los gasto unitarios “q” en el canal central de flujos bajos y en el total de crecidas de todo el ancho de la cubeta, para determinar separadamente el eje hidráulico y la ubicación del resalto en estas zonas. Se conoce el caudal de diseño, Q, la altura de la caída, Hd, el ancho del canal central, o de flujos menores, bt, y el ancho total del vertedero en el umbral de la caída, b. El método de cálculo sigue uno planteado por Chow (1959). La altura de caída Hd corresponde a la diferencia de nivel entre el fondo del canal de flujos bajos de aguas arriba y un punto similar en el canal de aguas abajo. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 477 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA En primer lugar se considera la obra funcionando con caudales menores o permanentes, Qt, que es el gasto de diseño del canal central para flujos bajos a plena capacidad. Se calcula el número de caída, Dt como: Dt = Qt bt 2 (4.4.4.1) gYf donde : Qt: bt: gasto de diseño del canal de flujos bajos, m3/s. ancho del canal de flujos bajos, m. Yt: Altura efectiva de caída desde el borde superior, es decir desde el fondo del canal de flujos bajos de aguas arriba, hasta el fondo de la cubeta, en metros, calculada como: Yt = Hd + B siendo Hd la altura de caída, metros, y B la profundidad de la cubeta, también en metros. g: aceleración de gravedad, 9,8 m/s2. En la Figura 4.4.4.7. es posible identificar los parámetros mencionados. Las variables que definen las condiciones hidráulicas en el punto inmediatamente aguas abajo de donde la lámina golpea el fondo de la cubeta, se estiman con las siguientes relaciones: Ld/Yf = 4,3 Dt0,27 (5.5.4.2) Yp/Yf = 1,0 Dt0,22 (5.5.4.3) Y1/Yf = 0,54 Dt0,425 (5.5.4.4) Y2/Yf = 1,66 Dt0,27 (5.5.4.5) Siendo: Ld = longitud desde la pared vertical hasta el punto de choque del chorro en el piso o la longitud de la lámina de agua, metros. Yp = profundidad del agua bajo la lámina inmediatamente aguas abajo del vertedero, metros. Y1 = profundidad del escurrimiento en la cubeta justo en el punto donde la lámina hace contacto con ella, metros. Y2 = profundidad del cauce (altura aguas abajo) , requerida para provocar que el resalto se forme en el punto indicado, metros. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 478 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA Figura 4.4.4.7: Parámetros que definen el funcionamiento hidráulico de la caída vertical. Ld .- longitud de la lámina vertiente, Lj .- longitud del resalto, Lb.- longitud de la cubeta. En el caso en que el escurrimiento de aguas abajo en el canal de flujos bajos no provea una altura equivalente o mayor a Y2, el flujo seguirá hacia aguas abajo en escurrimiento supercrítico hasta que la fuerza específica se reduzca lo suficiente como para permitir que el resalto ocurra. En este caso será necesario aumentar la profundidad B de la cubeta. La longitud del resalto, Lj, es aproximadamente seis veces la profundidad de río, Y2. El largo de diseño de la cubeta, Lb , incluye la longitud de la lámina, Ld , la distancia al resalto, Dj , y al menos 60% de la longitud del resalto, Lj. De manera que en la zona del canal central se dimensiona de un largo dado por: Lbt = Ldt + Djt + 0,6(6Y2t) (4.4.4.6) Si la altura normal de aguas abajo más la profundidad de la cubeta es mayor o igual a Y2 entonces Dj es nulo ya que el resalto se forma inmediatamente a partir de la altura Y1. Si ello no es así es conveniente profundizar la cubeta, es decir aumentar el valor de B hasta que se satisfaga la condición mencionada. En general es mejor aumentar la profundidad de la cubeta en lugar de alargarla con un valor de Dj diferente de cero. De esta forma se puede considerar para el diseño Dj =0. A continuación deben repetirse los cálculos considerando ahora el ancho total de la obra, bm, con el caudal máximo de diseño del canal total, Qm, de manera que el número de caída Dm en estas condiciones es: Dm = (Qm/bm)2/(gYf3) (4.4.4.7) En base a él se estiman las características del resalto, y el largo de la zona de protección lateral del canal principal como: Lbm = Ldm + Djm + 0,6(6Y2m) Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos (4.4.4.8) 479 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA En este caso a Djm se le aplican las mismas consideraciones hechas para Dj en el canal de flujos bajos, de manera que para el diseño se adopta el valor de B que hace que el resalto se ahogue y se considera Djm = 0. Fondo de la cubeta. Se debe tener cuidado con la alta energía del escurrimiento en la zona de poca altura. La ubicación de grandes rocas sobresalientes como deflectores y meandros en el canal central se utilizan para ayudar a disipar el chorro. El enrocado se extiende hacia aguas abajo a lo largo del canal donde el escurrimiento es de poca altura. Cuando se utilizan grandes rocas como disipadores en el área de choque, la longitud de la cubeta allí, Lbt , puede reducirse, pero no a menos de Lbm . Las rocas pueden sobresalir 0,6 a 0,8 veces la altura crítica. Deben ubicarse entre el punto donde la lámina golpea la cubeta y hasta antes de 3 metros del fin de ella. Profundidad de la cubeta. La cota del fondo de la cubeta está a una profundidad B, variable según sea la altura de la caída y tal que permita el drenaje del escurrimiento hacia el canal de flujos bajos. Se debe notar que la profundidad de la cubeta B se suma a la profundidad efectiva del escurrimiento subcrítico para el cálculo de la ubicación del resalto. La cubeta puede ser construida de hormigón o de enrocado. El uso de cada material debe evaluarse según cuales sean las fuerzas hidráulicas y la subpresión de las filtraciones, la disponibilidad de materiales y las condiciones estéticas requeridas. Se recomienda un valor de B mínimo de 0,30m para caídas menores a 0,65m o de 0,45m si la caída es mayor que 0,65m pero siempre menor de 1,0m. Largo de la cubeta. La longitud de la cubeta debe permitir confinar el resalto en su interior. El largo recomendado es de por lo menos 4m para caídas menores a 0,65m y de 5m para caídas superiores. Ancho de la cubeta. El ancho debe ser el menor entre el ancho basal del canal de crecidas y el de la base del vertedero en el umbral de la caída. Grada. Existe una grada al final de la cubeta para ayudar a que el agua alcance la altura de río (subcrítica) dentro de la cubeta, de manera que el resalto se desarrolle dentro de ella. La protección con enrocados también debe usarse aguas abajo de la grada para minimizar cualquier socavación local causada por el despegue de la lámina de agua. Muro de la caída. Las dimensiones de la pared vertical y de la zapata se determinan a través de métodos estructurales convencionales considerando las cargas debidas a los efectos hidrostáticos de las subpresiones. Los requerimientos de drenaje usando un análisis de las infiltraciones. Es conveniente proveer de barbacanas en la pared del muro vertical de la caída y Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 480 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA en el fondo de la cubeta así como apoyar el enrocado consolidado sobre una capa drenante de ripio apisonado. La configuración de la caída supone altura crítica en la sección del umbral del paramento, sin que se produzca una aceleración del flujo hacia aguas arriba. Esto se logra construyendo un vertedero de sección trapecial con una base y unos taludes tales que cumplan con la relación: H1 = Hc (4.4.4.9) Donde: H1 = H1 = h1 + Energía de escurrimiento aguas arriba de la transición de entrada a la obra suponiendo la existencia de escurrimiento normal, de manera que: Q2 2 g (bh1 + zh12 ) 2 siendo h1: Q: (4.4.4.10) altura de agua normal en el tramo de aguas arriba, metros. Gasto de diseño del canal de crecidas en el tramo de aguas arriba, m3/s. Ancho basal del canal de crecidas de aguas arriba, m. Talud del canal de crecidas de aguas arriba, como H:V=z:1. aceleración de gravedad, 9,8 m/s2. b: z: g: además Hc = Energía crítica sobre el vertedero, se puede estimar dependiendo de la forma de la sección transversal como: Sección rectangular de ancho bv: Q Hc = 0,702 bv 2 3 (4.4.4.11) Sección trapecial de ancho basal bv y talud z:1=H:V: Q2 H c = hc + 2 g (bv hc + zhc2 ) 2 (4.4.4.12) donde hc debe encontrarse resolviendo numéricamente la siguiente ecuación: Q 2 (bv hc + zhc ) 3 = g bv + 2 zhc Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos (4.4.4.13) 481 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA Enrocado. Se recomienda emplear para las protecciones rocas sanas de tamaño medio mínimo de 30cm para caídas de menos de 0,65m y de 0,45m para caídas mayores. Las rocas deben ser de dimensiones uniformes, de manera que la dimensión mínima medida en cualquier sentido no sea menor a 0,7 veces la dimensión máxima. El enrocado de protección debe consolidarse en su parte inferior con mortero. El espesor consolidado no debe ser inferior a 0,67 ni superior a 0,75 del tamaño medio del enrocado, de manera de asegurar la consolidación y permitir una apariencia natural con alta rugosidad. Se recomienda emplear grandes rocas, tres a cuatro, como deflectores del chorro en el centro de la cubeta, sobre el canal de flujos bajos, colocadas a partir del punto donde cae el chorro desde el vertedero hacia aguas abajo. Continuar con el enrocado en el fondo y las paredes del canal de flujos bajos hasta unos tres metros aguas abajo del fin de la cubeta. e. Ejemplo de caída vertical reforzada. Dimensionar una caída del tipo vertical reforzada para un canal trapecial de 4m de ancho basal y taludes 5/1 con una altura total de 1,0m y un gasto de diseño de 1,8m3/s. El canal de flujos bajos es de 1,0m de ancho y 0,2m de profundidad para conducir 36lt/s. La altura de la caída es de Hd =0,59m. La altura normal del canal para el gasto de diseño es de 0,5m y en el canal de flujos bajo de 0,18m. Condiciones hidráulicas para el canal de flujos bajos. Las condiciones de funcionamiento hidráulico para el canal de flujos bajos se basan en un gasto de Qt = 0,036m3/s, un ancho de bt = 1,0m y una altura total de caída de Yf = Hd + B = 0,59+0,3m =0,89m, suponiendo una profundidad de la cubeta de B = 0,3m que es la mínima para esta altura de caída. Entonces el número de caída es: Dt=(0,036/1,0)2/(g0,893)=1,67 x10-4 En base a él, empleando las relaciones 5.5.4.2, 3, 4 y 5 los valores de los parámetros hidráulicos son: Ld=4,3D0,27 0,89=0,36m Yp=1,0D0,22 0,89=0,13m Y1 = 0,54 D0,425 =0,013m Y2=1,66D0,27 0,89 = 0,14m Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 482 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA Como Y2 es menor que la profundidad de la cubeta más la altura normal hacia aguas abajo, 0,3+0,18=0,48m, el resalto queda totalmente confinado en la cubeta. Esto indica que el resalto se forma inmediatamente después de la caída del chorro, de manera que Djt = 0. El largo mínimo requerido para la cubeta está dado por la ecuación (4.4.4.6): Lbt = Ld + Djt +0,6(6Y2) = 0,36 + 0 + 0,6*6*0,14= 0,86m Esta longitud es menor que el mínimo recomendado para esta obra, de manera que la cubeta tendrá un longitud mayor que la indicada por este cálculo, lo que se traduce en que el resalto que genera la caída de flujos bajos no presenta dificultades para ser contenido en el interior de la cubeta. Condiciones hidráulicas para el canal de crecidas. Las condiciones de funcionamiento hidráulico para el canal mayor, o total que conduce las crecidas, se basan en un gasto de Qm = 1,80 m3/s, un ancho de bm = 4,0m y una altura total de caída de Yf = 0,59+0,3m =0,89m, contando la profundidad de la cubeta de B = 0,3m. Entonces el número de caída es: Dm = (1,8/4,0)2/ (g0,893) = 0,0293 En base a él los valores de los parámetros hidráulicos son: Ld = 4,3D0,27 0,89 =1,48m Yp = 1,0D0,22 0,89 = 0,34m Y1 = 0,54 D0,425 = 0,12m Y2 = 1,66D0,27 0,89 = 0,64m Y2 también resulta ser menor que la profundidad de la cubeta más la altura normal hacia aguas abajo, 0,3+0,5=0,8m, por lo tanto el resalto queda totalmente confinado en la cubeta. En este caso también Dj =0. El largo requerido para que la cubeta contenga la mayor parte del resalto generado por el caudal de crecidas es: Lbm = Ld + Dj + 0,6(6 Y2 ) = 1,48 + 0 + 0,6*(6*0,64) = 3,78m. Para este tipo de caídas se recomienda un largo mínimo de 4,0 m. En este caso se adoptará el criterio de alargar la cubeta para contener la totalidad del resalto en su interior y no sólo el 60% como lo recomienda el criterio de largo mínimo. Es por ello que se construirá una cubeta de 6,0 m de largo. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 483 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA Muro de la caída. El muro de la caída debe tener un ancho que genere sobre él escurrimiento crítico con la misma energía que el canal de aproximación de manera que la caída no distorsione el eje hidráulico hacia aguas arriba. Este para un gasto de 1,8 m3/s tiene una altura normal de 0,5m, lo que representa una velocidad media de 0,55 m/s. Entonces la energía específica es: H = h + V2/2g = 0,50 + 0,552/(2g) = 0,52m Suponiendo, en una primera aproximación, que el vano del vertedero es de forma rectangular la energía específica sobre él es una vez y media la altura crítica, de manera que: 0,52 = 1,5hc = 1,5*0,468* (1,8/bv)2/3 de donde se deduce que el ancho basal de la sección del vertedero, bv , debe ser igual a 2,8m si es de forma rectangular. Si se adopta una sección trapecial de 2,8m de base y taludes 0,25:1 = H:V, la altura crítica para un gasto de 1,8 m3/s corresponde a la que satisface la ecuación (4.4.4.13), es decir: ( 2,8h c + 0,25hc2 ) 3 2 ,8 + 2 * 0,25hc = 1,8 2 = 0,3306 9 ,8 de donde se obtiene hc = 0,345m que se traduce en una energía específica, según la ecuación (4.4.4.12) de 0,51m, que difiere sólo en 0,01m de las condiciones normales, por lo tanto generará una depresión despreciable hacia aguas arriba. Se adopta por lo tanto una sección trapecial de 2,8m de ancho basal y taludes 0,25/1. Enrocado. Para la protección de la caída se empleará enrocado de tamaño medio 30cm, consolidado en los 20cm inferiores y manteniendo la apariencia natural. Se agregarán 3 rocas de mayor tamaño, por lo menos 0,7m de diámetro en el fondo de la cubeta, colocadas a una distancia de 1,5m aguas abajo del muro. Detalles. El plano adjunto muestra los detalles de la caída. Cubicación y presupuesto. Este presupuesto considera una caída como la descrita en el ejemplo. Ítem Descripción Unidad Cantidad Precio (U.F.) Unitario Subtotal 1 Excavación, en terreno blando, hecha a máquina, sin agotamiento ni entibación, incluye el emparejamiento, nivelación y Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 484 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA 2 3 4 5 6 limpieza de la sección de fondo. Sólo considera la sobre excavación debida a la caída ya que el resto se incluye en el canal. m3 Transporte de excedentes de la excavación incluyendo carguío y depósito, a distancia menor a 10 km. m3 Suministro y colocación de una capa de ripio de 10cm, esparcida y compactada sobre todo el fondo de la caída en las zonas con protección de enrocados, m3 Suministro y colocación de piedras tipo cantera o natural colocadas apoyadas sobre el fondo y niveladas. Tamaño medio 30cm. m3 Consolidación de las piedras con mortero m3 Hormigón H30 con 385 kg. de cem. por m3 para el muro vertical, con moldaje. m3 24,0 0,252 6,048 24,0 0,063 1,512 2,6 0,117 0,304 7,8 2,3 0,294 2,293 3,553 8,172 14,1 3,702 52,198 7 8 9 Hormigón grado H10 para emplantillado de la zapata del muro. m3 Acero H44 28 redondo con resaltes doblados según indicación de los planos, colocados con trabas y separadores de moldaje. D=16mm Kg. D=12mm Kg. D=8mm Kg. Piedras de cantera de D=0,7m U Total 1,0 3,250 3,250 352,0 240,0 192,0 3 0,016 5,200 0,016 3,840 0,016 3,072 0,317 0,951 86,840 Nota: Precios de referencia en UF ( Unidades de Fomento, 1 UF=$13.081,89 al 7 de Octubre de 1996), según “Lista Oficial de Precios de Obras de Pavimentación para Cobro por Gastos de Inspección año 1995”, MINVU y el “Boletín de Precios Nº 276 de MayoJunio de 1996” del SERVIU Metropolitano. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 485 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 486 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA f. Dimensionamiento de Caída Inclinada con Enrocado Consolidado (CIE). La principios generales que gobiernan el comportamiento hidráulico de la obra son similares a los que se describen en el punto anterior en relación a las caídas verticales. La Figura 4.4.4.8 muestra un detalle en planta de los elementos de una CIE. Las Figuras 4.4.4.9 y 4.4.4.10 presentan las propiedades de los elementos en un perfil longitudinal y transversal respectivamente. Se considera un canal de flujos bajos en la parte central y una zona de disipación más ancha con enrocados consolidados con mortero en el fondo y las paredes. Figura 4.4.4.8: Caída inclinada con enrocados. 1.- Canal de flujos bajos, 2.- Zona de aproximación, 3.- Plano del vertedero, 4.- Rápido de descarga, 5.- Cubeta de disipación, 6.- Grandes rocas, b.- ancho basal del canal principal, bt .- ancho del canal de flujo bajos. Figura 4.4.4.9: Perfil longitudinal de una CIE. y Parámetros de diseño hidráulico. 1.- fondo canal principal aguas abajo, 2.- fondo canal de flujos bajos, LA.- largo aproximación, LR .-largo del rápido, LC .- largo cubeta de disipación, LT .- largo transición aguas abajo. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 487 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA Figura 4.4.4.10: Sección de la cubeta de una CIE. Condiciones Hidráulicas. Las condiciones de funcionamiento hidráulico de este tipo de caídas son las típicas de un disipador de resalto. Desde aguas arriba existe una zona de transición desde un canal en régimen de río para pasar a condiciones críticas en el umbral del vertedero. Para ello el ancho de éste se calcula de manera de no generar una aceleración de la corriente hacia aguas arriba. La energía disponible en el canal de aguas arriba está dada por: H1 = h1 + Q2 2 g (bh1 + zh12 ) 2 siendo h1: Q: (4.4.4.14) altura de agua normal en el tramo de aguas arriba, metros. Gasto de diseño del canal de crecidas en el tramo de aguas arriba, m3/s. Ancho basal del canal de crecidas de aguas arriba, m. Talud del canal de crecidas de aguas arriba, como H:V=z:1. aceleración de gravedad, 9,8 m/s2. b: z: g: además Hc = Energía crítica sobre el vertedero, se puede estimar dependiendo de la forma de la sección transversal como: Sección rectangular de ancho bv: Q Hc = 0,702 bv 2 3 (4.4.4.15) Sección trapecial de ancho basal bv y talud z:1=H:V Q2 H c = hc + 2 g (bv hc + zhc2 ) 2 (4.4.4.16) donde hc debe encontrarse resolviendo numéricamente la siguiente ecuación: Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 488 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA (b h + zhc ) Q = v c g bv + 2 zhc 2 3 (4.4.4.17) El rápido de descarga se protege con enrocados que provocan una fricción importante durante la caída. Sin embargo para el diseño de la cubeta es conveniente suponer despreciables estas pérdidas y estimar las condiciones del torrente que llega al pie del rápido suponiendo el total de la energía disponible, de manera que si la altura de caída es Hd, la profundidad de la cubeta B, la energía el pie del rápido es: H R = H1 + Hd + B (4.4.4.18) Con ella se estima la altura del torrente al pie del resalto con la ecuación: Q2 H R = ht + 2 g b h 2 ( ) v t (4.4.4.19) La altura mínima necesaria para confinar el resalto dentro de la cubeta corresponde a la denominada altura conjugada de resalto de la altura de torrente así estimada. Esto requiere resolver la siguiente ecuación para h2: hc h2 h h2 + t 2 = c + 22 ht 2hc h2 2hc (4.4.4.20) Se debe verificar entonces que h2 es menor que la suma de B + la altura de río del canal hacia aguas abajo. El largo del resalto se puede estimar como : LR = 6h2 (4.4.4.21) La cubeta debe tener al menos una longitud igual al largo del resalto. Aproximación. La zona de aproximación aguas arriba tiene una longitud de 3 metros de enrocado consolidado y se debe cubrir también el área de la cresta y la zona del vertedero. Esta zona debe permitir el empalme de las secciones del canal de aguas arriba con la sección del vertedero. Al principio de la zona de aproximación se recomienda una zarpa de hormigón de 0,3m de profundidad. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 489 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA Vertedero. El vertedero, es decir la sección más angosta, se localiza aguas arriba del cambio de pendiente a un mínimo de 1m. Este se materializa mediante un muro vertical de hormigón o con los enrocados consolidados en todo el ancho de la caída. El ancho de la sección basal es bv. Rápido de descarga. Generalmente, no se deben usar pendientes más pronunciadas que 4:1. Si bien las pendientes más acostadas que 4:1 usualmente aumentan los costos, se puede obtener una mejoría en la apariencia. El enrocado debe apoyarse en una capa de grava que sirva de filtro y proveer de barbacanas para disipar la presión. La sección transversal del rápido debe ser del mismo ancho que el vertedero y los muros laterales también estar protegidos con enrocado. En el centro se mantiene un canal de flujos bajos de las mismas dimensiones que presenta en el canal principal, si existe. Las rocas pueden ser cuidadosamente ubicadas para crear una apariencia escalonada, la cual ayuda a aumentar la rugosidad. Cubeta de disipación. La zona de la cubeta de contención está más baja, por lo menos a 60 cm de profundidad bajo la cota de fondo del canal de aguas abajo para ayudar a estabilizar el resalto. Una fila de rocas se ubica al final de la cubeta para crear una grada de transición con la altura de río (subcrítica) aguas abajo. Es aconsejable un enrocado enterrado en una distancia de 3 m. aguas abajo de esta grada para minimizar cualquier erosión que pueda ocurrir originada por corrientes secundarias. La protección con enrocado puede extenderse hasta el canal principal y se pueden usar grandes rocas y curvas en el canal de flujos menores para disipar la energía. El largo de la cubeta debe ser de al menos 4m para caídas de menos de 1m y de 5m para caídas mayores. En todo caso debe ser igual o mayor que la longitud del resalto. El ancho del fondo es igual al ancho del vertedero y los muros se extienden hasta la altura del borde del canal de aguas abajo. Enrocado. Se recomienda emplear para las protecciones rocas sanas de tamaño medio mínimo de 45cm para caídas de menos de 1,0m y de 0,60m para caídas mayores. Las rocas deben ser de dimensiones uniformes, de manera que la dimensión mínima medida en cualquier sentido no sea menor a 0,7 veces la dimensión máxima. El enrocado de protección debe consolidarse en su parte inferior con mortero. El espesor consolidado no debe ser inferior a 2/3 ni superior a ¾ del tamaño medio del enrocado, de manera de asegurar la consolidación pero permitir una apariencia natural con alta rugosidad. Se recomienda emplear tres a cuatro grandes rocas, de tamaño igual al doble del enrocado base, como deflectores del chorro en el centro de la cubeta, Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 490 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA sobre el canal de flujos bajos. Conviene colocarlas al centro de la cubeta de disipación. Además es conveniente continuar con el enrocado en el fondo y las paredes del canal de flujos bajos hasta unos tres metros aguas abajo del fin de la cubeta. g. Ejemplo de caída inclinada con enrocado consolidado. Dimensionar una caída inclinada con enrocado consolidado para un canal trapecial de 4m de ancho basal y taludes 5/1 con un gasto de diseño de 1,8m3/s. El canal de flujos bajos es de 1,0m de ancho y 0,2m de profundidad para conducir 36lt/s. La altura de la caída es de 1,18m. La altura normal del canal para el gasto de diseño es de 0,5m y en el canal de flujos bajo de 0,18m. Esta caída es para el mismo canal del ejemplo de la caída vertical pero para el doble de altura, de manera que podría reemplazar a dos de ellas. Condiciones hidráulicas. Las condiciones de funcionamiento hidráulico consideran el canal mayor que conduce las crecidas, con un gasto de diseño de 1,8 m3/s, un ancho de 4,0m y una altura total de caída total de 1,18+0,6m = 1,78m, contando la profundidad de la cubeta de 0,6m. La energía en el canal de aproximación es: 0,552 H1 = 0,5 + = 0,52 m 2g Entonces el ancho basal de la sección del vertedero y de la caída, adoptando en una primera aproximación una sección rectangular, está dado por: 1,8 0,52 = 1,5hc = 1,5 * 0,468 bv 2/ 3 La altura crítica es de 0,35m, de donde se obtiene bv=2,8m. A partir de este valor se puede verificar si se satisfacen las condiciones de no influencia hacia aguas arriba si la sección es trapecial con taludes 4/1 (H/V). En este caso la altura crítica según la ecuación 4.4.4.17 satisface las condiciones: ( 2,8h c + 4hc2 ) 3 2,8 + 2 * 4 + hc = 1,82 = 0,331 9,8 Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 491 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA de donde se obtiene hc = 0,30m. Con este valor la energía crítica en la sección de control sería: Hc = 0,3 + 1,82 = 0,438m 2g (2,8 * 0,3 + 4 * 0,32 )2 Esta energía es menor que la del canal de aproximación de aguas arriba en 8cm, de manera que genera una aceleración del escurrimiento, que aunque pequeña conviene corregir. Para ello es necesario angostar aún más la sección control del vertedero. Si se adopta para ella un ancho basal de 1,5m y se repiten los cálculos anteriores la altura crítica resultante es de 0,38m y la energía crítica de la sección es de 0,51m, que resulta aceptable comparada con los 0,52m disponibles aguas arriba. Se propone entonces un ancho basal de 1,5m para el vertedero y la sección del rápido de la caída inclinada. La energía el pie del rápido es: H R = H1 + Hd + B = 0,52 + 118 , + 0,60 = 2,3m Con ella se estima la altura del torrente al pie del resalto con la ecuación: 1,82 2,3 = ht + 2 2 2 g (1,5ht + 4ht ) de donde se obtiene ht = 0,135m La altura mínima necesaria para confinar el resalto dentro de la cubeta corresponde a la denominada altura conjugada de resalto de la altura de torrente así estimada. Esto requiere resolver la siguiente ecuación 4.4.4.20 para h2: h22 0,38 0,1352 0,38 + = = + 2 , 88 h2 0,135 2 * 0,382 2 * 0,382 Se obtiene para h2 el valor de 0,84m. Se debe verificar entonces que h2 es menor que la suma de B + la altura de río del canal hacia aguas abajo, lo que ocurre ya que esta suma es 0,6+0,5=1,1m. Por lo tanto el resalto queda confinado en la cubeta. El largo del resalto se puede estimar como: LR = 6h2 = 6 * 0,84 = 5,04m Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 492 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA La cubeta tendrá una longitud igual a 5,5m Enrocado. Para la protección de la caída se empleará enrocado de tamaño medio 60cm, consolidado en los 40cm inferiores y manteniendo la apariencia natural, para lo cual se recomienda que el rápido sea escalonado. Se agregarán 3 rocas de mayor tamaño, por lo menos 0,8m de diámetro en el fondo de la cubeta, junto al canal de flujos bajos distribuidas aleatoriamente en el centro, colocadas a una distancia de 1,5m desde el inicio de la cubeta. Detalles. El plano adjunto muestra los detalles de la caída. Cubicación y presupuesto. Este presupuesto considera una caída como la descrita en el ejemplo. Ítem Descripción 1 2 3 4 Unidad Cantidad Precio (U.F.) Unitario Subtotal Excavación, en terreno blando, hecha a máquina, sin agotamiento ni entibación, incluye el emparejamiento, nivelación y limpieza de la sección de fondo. Sólo considera la sobre excavación debida a la caída ya que el resto se incluye en el canal. m3 Transporte de excedentes de la excavación incluyendo carguío y depósito, a distancia menor a 10km. m3 Suministro y colocación de una capa de ripio de 10cm, esparcida y compactada sobre todo el fondo de la caída en las zonas con protección de enrocados. m3 Suministro y colocación de piedras tipo cantera o natural colocadas apoyadas sobre el fondo y niveladas según las dimensiones establecidas en los planos. Tamaño medio 60cm. No se aceptarán piedras de menos de 40cm ni superiores a 80cm. m3 147,8 0,252 37,246 147,8 0,063 9,311 15,9 0,117 1,860 507,6 0,317 160,909 5 6 7 Mortero 1:4 para consolidar rocas según especificaciones en plano. Piedras de cantera o naturales de ø=0,9m. Hormigón grado H10 para las zarpas de aguas arriba y el umbral de aguas abajo m3 U 12,1 3 3,553 42,991 3,250 1,191 m3 65,0 3,250 211,25 Total Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 464,758 493 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA Nota: Precios de referencia en UF ( Unidades de Fomento, 1 UF=$13.081,89 al 7 de Octubre de 1996), según “Lista Oficial de Precios de Obras de Pavimentación para Cobro por Gastos de Inspección año 1995”, MINVU y el “Boletín de Precios Nº 276 de MayoJunio de 1996” del SERVIU Metropolitano. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 494 4.4.4. CAÍDAS Y DISIPADORES DE ENERGÍA Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 495 4.4.5. SEDIMENTADORES a. Descripción. Los sedimentadores son aparatos destinados a remover por gravedad las partículas finas que el flujo de agua transporta en suspensión o como arrastre de fondo. En el caso de obras alternativas para el drenaje urbano de aguas lluvias los sedimentadores son obras anexas que deben colocarse antes de que el flujo ingrese a una obra en la cual la sedimentación de partículas finas puede generar problemas de funcionamiento o mantención, y cuando el flujo que reciben transporte este tipo de materiales en suspensión. En general se recomienda ponerlos antes de las obras de infiltración subterráneas, como zanjas y pozos de infiltración, si existe un aporte de agua con sedimentos y no se dispone de ninguna otra posibilidad de retirarlos o de mejorar la calidad del agua aportante. Para el caso de zanjas y pozos de infiltración que se alimentan por la superficie, al igual que en el caso de estanques de infiltración, los sedimentos pueden quedar atrapados en las capas de la cubierta de la obra de donde pueden removerse periódicamente. En el caso de estanques y lagunas de retención, se contempla una zona destinada a la sedimentación de partículas gruesas al inicio de la obra y por lo tanto no requieren de un sedimentador anexo. La Norma Chilena Nch 1367 sobre “Desarenadores y Sedimentadores Simples para Plantas de Tratamiento de Agua Potable”, califica estos aparatos como desarenadores si están destinados a remover el 75% de las partículas de diámetro igual o mayor que 0,2mm, y como sedimentadores los destinados a remover del 60% al 80% de los sólidos en suspensión. Para que operen adecuadamente requieren una mantención periódica consistente en retirar los sedimentos atrapados para restituir el volumen útil del sedimentador. La falta de mantención es la primera causa de fracaso de este tipo de aparatos, por lo tanto deben colocarse sólo si se tiene la certeza de que serán mantenidos razonablemente. Debido a ello se recomienda desarrollar todas las acciones posibles para evitar que el agua que llegue a las obras de infiltración acarree cantidades significativas de sedimentos, alimentándolas con aguas limpias provenientes de techos y sectores pavimentados en los que no se produzca erosión, a intercalando zonas de pasto que atrapen sedimentos. Sólo en casos en que otras alternativas no sean factibles se recomienda recurrir a un sedimentador. Para ser empleados como obras anexas de drenaje urbano se consideran desarenadores simples que actúen por gravedad sin la adición de floculantes, Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 497 4.4.5. SEDIMENTADORES de manera que separen partículas del tamaño de las arenas gruesas o mayores. Además la remoción de los sedimentos se hará en forma manual y periódica ya que no dispondrán de sistemas automáticos de lavado. Desde el punto de vista de la operación serán de formas simples, sin mecanismos de operación o regulación y de flujo horizontal. b. Dimensionamiento. La figura muestra un esquema de los principales elementos que intervienen en un sedimentador convencional de forma rectangular. Estos aparatos también pueden dimensionarse de acuerdo a la Norma Nch 1367 como desarenadores para plantas de tratamiento de agua potable. En las plantas de tratamiento de agua potable los sedimentadores operan prácticamente de manera continua y están sometidos a una mantención y cuidado regular. A continuación se propone un procedimiento de dimensionamiento alternativo que permite algunas opciones más amplias de las variables involucradas. Figura 4.4.5.1: Esquema de los elementos de un sedimentador convencional. 1.- Entrada, 2.- Sedimentador propiamente tal, 3.- Salida. 4.- Zona para sedimentos. 5.- Espacio para retirar los sedimentos. Velocidad de sedimentación. El tamaño y dimensiones de un sedimentador por gravedad depende de la velocidad con que caen las partículas que se trata de separar, o velocidad de sedimentación. Esta es función del tamaño, forma y peso de las partículas, así como de las condiciones del flujo en el cual se intenta producir la sedimentación. La velocidad de sedimentación de las partículas puede determinarse en laboratorio en base a una muestra del material en suspensión. Para el caso de partículas de arena existen mediciones y ecuaciones que explican la velocidad de sedimentación en función de las propiedades de las partículas. Como referencia pueden considerarse los valores de la Tabla 4.4.5.1 para arenas de peso específico 2,65 Ton/m3 en agua detenida a 10ªC de temperatura. Se indica además la velocidad de arrastre de las partícula, que corresponde a la Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 498 4.4.5. SEDIMENTADORES velocidad del flujo horizontal que pone en resuspensión las partículas sedimentadas. Tabla 4.4.5.1. Velocidad de sedimentación de partículas de arena. Diámetro (mm) Velocidad de sedimentación, (cm/s) 1,0 15,0 0,5 7,2 0,3 4,0 0,1 0,7 0,05 0,15 0,01 0,01 0,005 0,0015 Velocidad de Arrastre (cm/s) 60 42 32 20 15 5 1 Una manera simple de estimar la velocidad de sedimentación de las arenas de diámetro representativo entre 0,085mm y 1,0 mm es mediante la relación propuesta en la mencionada Norma Nch 1367, para una temperatura de 10ªC propone: V = 100 d para 0,085mm < d < 1,0m (4.4.5.1) donde V es la velocidad de sedimentación en mm/s y d el diámetro de la partícula en mm. Otra manera más general de estimar la velocidad es calcularla con la fórmula de Newton que considera varias alternativas del flujo: V 2−n = donde: 4d 1+ n g ( ρ s − ρ f ) (4.4.5.2) 3Cρ f V d g ρs ρf C velocidad final de sedimentación en cm/s diámetro de la partícula, en cm aceleración de gravedad, 981 cm/s2 masa específica del sólido, arenas usar 2,65 ton /m3 masa específica del fluido, agua usar 1ton /m3 Coeficiente de arrastre de la partícula, depende de su forma y las condiciones del flujo. Se calcula como: C=2aR-n donde R es el número de Reynolds a, n coeficientes función de R. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 499 4.4.5. SEDIMENTADORES El número de Reynolds se interpreta como la relación entre las fuerzas de inercia y las viscosas, se puede estimar como: R= Vd (4.4.5.3) ν donde V es la velocidad del flujo en m/s, d el diámetro de la partícula en m y ν la viscosidad cinemática del agua, que es función de su temperatura. Para agua a 10o C se puede considerar igual a 1,5 10-6 m2/s. Los valores de a y n dependen del número de Reynolds, de acuerdo a la Tabla 4.4.5.2. Tabla 4.4.5.2: Parámetros a y n en función del Número de Reynolds. Reynolds 10-4<R<1 1<R<103 103<R<4.105 a 24 18,5 0,44 n 1 0,6 0 Fórmula de Stokes de Allen de Newton La mencionada ecuación de Newton permite estimar la velocidad de sedimentación de partículas de cualquier material en un fluido. Tamaño del sedimentador. Para estimar el tamaño del sedimentador se suponen condiciones ideales de uniformidad de flujo y sin resuspensión de las partículas una vez que sedimentan. Para ello se define el tiempo de retención del sedimentador como la razón entre el volumen y el caudal que recibe. El volumen se estima como el área en planta, A en m2, por la altura media, H en metros, de manera que el tiempo de retención está dado por: tR = Volumen AH = Gasto Q (4.4.5.4) donde Q es el gasto de diseño en m3/s. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 500 4.4.5. SEDIMENTADORES Por otra parte el tiempo de sedimentación de las partículas se calcula como el tiempo que tarda en llegar al fondo del sedimentador una partícula que posee una velocidad de sedimentación V, m/s: tS = H V (4.4.5.5) El tamaño del sedimentador ideal se selecciona de manera que, para un cierto tipo de partículas, que son las que se desea retener, el tiempo de retención del aparato sea igual o mayor que el tiempo necesario para que la partícula llegue al fondo. Esto conduce a que el área superficial del sedimentador, A en m2, esté dada por: A= Q V (4.4.5.6) Forma en planta. En este caso se recomienda sedimentadores de forma rectangular en planta, con una razón entre el largo y el ancho de al menos igual a 5. Es decir si L es el largo en metros y B el ancho, debe cumplirse: L ≥5 B (4.4.5.7) La norma Nch 1367 recomienda que la longitud del sedimentador sea 9 veces la profundidad. Profundidad del sedimentador. La profundidad del sedimentador se elige de manera que la velocidad media en la sección transversal no levante las partículas sedimentadas. Esto significa que la profundidad, H en metros, debe ser al menos la que cumpla la siguiente relación: H> Q BW (4.4.5.8) donde Q es el gasto en m3/s, B es el ancho en metros y W la velocidad de arrastre de las partículas sedimentadas en m/s, estimadas de acuerdo a los valores de la Tabla 4.4.5.1. Para facilitar las faenas de limpieza y remoción de los sedimentos decantados es conveniente que el sedimentador no tenga una profundidad superior a Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 501 4.4.5. SEDIMENTADORES 1,2m, sobre todo si la limpieza se hace en forma manual. La norma Nch 1367 recomienda profundidades entre 1,5 y 3 metros, pero debe recordarse que se trata de desarenadores para plantas de agua potable en las cuales las faenas de extracción de sedimentos pueden ser facilitadas por otros medios. Eficiencia de remoción. En la práctica un sedimentador no logra retener el 100% de las partículas para las cuales ha sido diseñado. A la razón entre la concentración de partículas de un cierto tipo retenidas en el aparato con respecto a la concentración de esas partículas en el afluente se le denomina eficiencia del sedimentador para ese tamaño. Esta eficiencia depende de una gran cantidad de factores, entre los que se mencionan las condiciones del flujo, la concentración de sedimentos, las condiciones de la entrada y salida, las corrientes secundarias. Vetters (1992) propone la siguiente relación para considerar la eficiencia de remoción de un sedimentador, η, para partículas de velocidad de sedimentación V, en m/s, área superficial A, en m2, y gasto de diseño Q, en m3/s: η = 1− e − VA Q (4.4.5.9) donde e (=2,71828) es la base de los logaritmos naturales. Una vez decidida las dimensiones de un sedimentador es conveniente verificar la eficiencia de remoción para un conjunto de tamaños de partículas que pueden estar presentes en el agua. Zona de ingreso. En general se está de acuerdo en que uno de los aspectos más importantes en la eficiencia de un sedimentador es la forma en que ingresa el agua al aparato. Se trata de lograr un flujo uniforme, sin cortocircuitos y que el agua ocupe lo antes posible toda la sección del escurrimiento, sobre todo en el plano horizontal. Para ello se emplean antecámaras con expansiones graduales, muros perforados o vertederos. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 502 4.4.5. SEDIMENTADORES Figura 4.4.5.2: Formas de entrada a un sedimentador. 1.- Expansión gradual, 2.- Vertedero, 3.- Muro perforado. Zona de salida. Normalmente la salida es mediante un vertedero de umbral grueso y se aprovecha de colocar una pantalla para retener cuerpos flotantes y líquidos livianos como aceites y grasas. Depósito de sedimentos. En el fondo del sedimentador debe proveerse de un espacio para acumular los sedimentos. Para ello se puede hacer una estimación del volumen retenido entre los periodos en que se efectúa la mantención. Si no es posible estimar se puede destinar un volumen mínimo igual al 25% del volumen del sedimentador. Este espacio debe tener una pendiente en el fondo de al menos 3% hacia un extremo en el cual se construye un pequeño pozo para poder instalar una bomba de extracción de fangos que permita retirar los depósitos con medios alternativos. Si el sedimentador es tapado este pozo se ubicará bajo la tapa de la cámara de entrada en la sección de aguas abajo del aparato. Además es necesario proveer de una espacio en el suelo que rodea al sedimentador para depositar los volúmenes de sedimentos extraídos y poder ser cargados en un medio de transporte adecuado. c. Ejemplo de sedimentador. Dimensionar un desarenador simple para retener al menos el 90% de las partículas iguales o mayores a un diámetro de 0,3mm. Considerar un gasto de 40 lt/s que posteriormente será infiltrado en una zanja de infiltración. Una muestra del agua ensayada en laboratorio indica una concentración de sólidos de 6% en peso con la siguiente granulometría: Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 503 4.4.5. SEDIMENTADORES Diámetro de la partícula (mm) 2 1 0,5 0,3 0,2 0,1 0,01 0,005 % que pasa en peso % 94 67 32 28 23 21 14 6 Velocidad de sedimentación. De acuerdo a la Tabla 4.5.4.1 la velocidad estimada de sedimentación de partículas de 0,3mm es de 4 cm/s. Con este valor aproximado se puede estimar el Número de Reynolds y calcular una mejor aproximación para la velocidad de sedimentación con la fórmula de Newton. El Número de Reynolds, adimensional, es: R= Vd ν = 0,04∗0,0003 =8 1,5∗10−6 Según la Tabla 4.4.5.2 para este valor corresponde la fórmula de Allen con a=18,5 y n=0,6. Entonces el coeficiente de arrastre, C adimensional, de las partículas es: C = 2aR − n = 2∗18,5∗8−0, 6 = 10,6 La velocidad de sedimentación se calcula con la ecuación 4.4.5.3 como: V 2 − 0,6 = 4∗ (0,03)1,6 981∗ (2,65 − 1,0) = 0,745 3∗10,6∗1,0 de donde se obtiene V=0,81 cm/s. Que resulta bastante menor que la que se había estimado inicialmente. Eficiencia de remoción. Para conseguir una eficiencia de 90% de remoción de las partículas de diámetro 0,3mm o mayores es necesario un área superficial del sedimentador que cumpla con la ecuación 4.4.5.8, es decir: 0,9 = 1 − e 0 , 0081 A 0 , 04 de donde se obtiene A= 11,4m2. Se adoptará A=12 m2. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 504 4.4.5. SEDIMENTADORES Forma en planta. Se diseñará un sedimentador rectangular de 12 m2, con un ancho de 1,5m. Con ello el largo resulta de 8m, con lo cual se obtiene una razón de largo a ancho de 8/1,5= 5,3 que es mayor que el mínimo de 5 recomendado. Profundidad. Se adoptará una profundidad del sedimentador que no arrastre partículas de un diámetro de 0,01 mm o superiores, una vez que estas han sedimentado. Para ello es necesario que la velocidad media sea inferior a 5 cm/s. Para un gasto de 40 lt/s y un ancho de 1,5m el área transversal resulta ser: H> Q 0,040 = = 0,53m BW 1,5 * 0,05 Se adoptará una profundidad mínima de 0,6m para el sedimentador. Tiempo de retención. El tiempo de retención medio del gasto de 40 lt/s es la razón entre el volumen del sedimentador y el gasto: tR = Vol Area sup erficial∗ profundidad 12 * 0,6 = = = 180seg = 3 min. Gasto Gasto 0,04 Volumen de sedimentos. Conociendo la granulometría de los sedimentos que ingresan y la concentración se puede estimar la cantidad de sedimentos retenidos. Para ello es necesario estimar la eficiencia de retención para cada tamaño de la curva granulométrica, empleando la relación de Newton para estimar la velocidad de sedimentación y la fórmula de Vetters para la eficiencia. La Tabla 4.4.5.3. presenta los valores relevantes para cada fracción de la curva granulométrica. Tabla 4.4.5.3: Estimación de la cantidad de sedimentos retenidos en el sedimentador. Tamaño pasa fracción R a n C V η(%) atrapado mm % % (mm/s) gr/lt 2 94 6 267 18,5 0,6 1,3 317 100 3,6 1 67 27 100 18,5 0,6 2,3 96 100 16,1 0,5 32 35 24 18,5 0,6 5,5 23 99 20,8 0,3 28 4 8 18,5 0,6 10,6 8,1 91 2,2 0,2 23 4 2 18,5 0,6 23,4 2,9 58 1,4 0,1 21 7 0,5 24 1 96,0 0,02 0,5 0,02 0,01 14 7 7E-3 24 1 6800 3E-6 0,0 0,0 0,005 6 8 5E-5 24 1 1E4 5E-8 0,0 0,0 Total retenido en gramos por litro de afluente: 44,12 Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 505 4.4.5. SEDIMENTADORES Como la concentración de sedimentos en peso que trae el afluente es de 6% significa que cada litro de agua trae 60gramos de sólidos. La cantidad de gramos por litro retenidos de cada fracción granulométrica se calcula como el producto de estos 60 gramos por el porcentaje retenido en esa fracción por el porcentaje de ese tamaño en la muestra. Estos valores se han colocado en la última columna de la tabla anterior. En total el sedimentador proyectado retiene 44,12 gramos por litro de afluente formado fundamentalmente por las partículas mayores de 0,2mm. Para los 40 lt/s de gasto que llega al aparato se retienen entonces 1,764 Kg. de arena por segundo. En una hora este aparato ha retenido 6,35 toneladas que ocupan un volumen de 2,4 m3. Si se considera un esponjamiento de 30% es necesario proveer de un volumen de por lo menos 3m3. Para ello se profundizará el sedimentador en 40cm dándole una profundidad de total de 1,0m. Entrada. Para la entrada se dispone de un muro perforado formado por ladrillos tipo rejilla dispuestos en forma de pandereta sin estuco. Salida. La entrega final se realiza mediante un vertedero con un interceptor transversal de cuerpos flotantes. Cubicación y presupuesto. A continuación se presenta una cubicación y presupuesto aproximado para la construcción de un sedimentador como el descrito. Se consideran precios típicos de enero 1996. Sedimentador rectangular de 12m2 y 1,0m de profundidad. Ítem Descripción 1 2 3 4 5 6 7 Unidad Cantidad Precio (U.F.) Unitario Subtotal Excavación, en terreno blando, hecha a 30,2 0,252 7,560 mano, sin agotamiento ni entibación. m3 Transporte de excedentes de la excavación incluyendo carguío y depósito, a distancia 26,4 0,063 1,663 menor a 10 km. m3 Relleno compactado por capas de 0,2m 3,8 0,379 1,440 con los excedentes de la excavación. m3 Emplantillado de hormigón de 255 kg de m3 1,9 3,720 7,068 cem por m3, e=10 cm. Hormigón armado grado H-20 con dosificación mínima de 297,5 kg. de cemento m3 12,5 4,339 54,238 por m3, colocado. Acero A44-28H con resaltes, colocado y doblado de acuerdo a los planos, con separadores de moldaje. 291,0 0,016 4,656 D= 8mm kg. Albañilería de ladrillo tipo rejilla colocado Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 506 4.4.5. SEDIMENTADORES en pandereta con mortero 1:3, e=15 cm. m2 8 Estucos a grano perdido con mortero 1:4 de espesor mínimo 2,5 cm. m3 9 Acero ES ángulo 40x40x5 anclado al muro para marco de tapas. m 10 Parrilla tipo Acustermic en acero galvanizado modelo ZZ/S tipo 5 m2 Total 1,5 0,453 0,680 1,1 3,553 3,908 23,4 0,084 1,966 15,0 3,355 53,25 136,429 Nota: Precios de referencia en UF ( Unidades de Fomento, 1 UF=$13.081,89 al 7 de Octubre de 1996), según “Lista Oficial de Precios de Obras de Pavimentación para Cobro por Gastos de Inspección año 1995”, MINVU y el “Boletín de Precios Nº 276 de MayoJunio de 1996” del SERVIU Metropolitano. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 507 4.4.5. SEDIMENTADORES Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 508 4.4.6. CÁMARAS DE INSPECCIÓN a. Descripción. Estas cámaras consisten en un receptáculo de forma rectangular enterrado bajo el nivel del suelo que permite tener acceso a los ductos y canalizaciones para su revisión y limpieza. Se ubican al inicio de las canalizaciones enterradas, en los cambios de dirección o nivel y cuando la longitud del ducto es mayor de 50m. El tramo de la canalización entre cámaras debe ser recto. Si es necesario colocar una cámara en lugares públicos como complemento de obras alternativas de drenaje urbano deben diseñarse y construirse de acuerdo a las recomendaciones de este capítulo. En las obras de drenaje estas cámaras están asociadas fundamentalmente a las obras de infiltración como zanjas y pozos alimentadas por medio de tuberías. Se presentan dos tipos de cámaras, dependiendo de la ubicación de la obra. Cámaras tipo A. Para ser usadas en lugares públicos en los cuales existe la posibilidad de tránsito de vehículos sobre la cámara, como es el caso de cámaras ubicadas en calzadas, estacionamientos, pasajes para vehículos, patios de carga y descarga e incluso veredas. Estas se construyen en hormigón armado y disponen para el acceso de una tapa circular tipo calzada. Cámaras tipo B. Para ser empleadas en lugares sin tránsito de vehículos, como es el caso de áreas verdes, recintos privados, patios, jardines, interiores de instituciones de acceso controlado. Se pueden construir en albañilería de ladrillo y disponen para su acceso de una tapa tipo calzada. Adicionalmente también pueden usarse cámaras de inspección prefabricadas del tipo de las empleadas en redes públicas de alcantarillado dimensionadas de acuerdo a la Norma Chilena Nch 1623. b. Dimensionamiento. Las dimensiones de estas cámaras están preestablecidas. Debe seleccionarse una profundidad total adecuada a cada situación dentro del rango de profundidades máximas recomendadas. Es necesario también seleccionar el diámetro de los tubos de entrada y salida de acuerdo a la obra a la cual sirve y según las exigencias de la conducción. La conexión de los tubos de entrada y salida puede ubicarse en paredes opuestas como se indica en las láminas o en paredes adyacentes. En el caso de cámara anexas a zanjas de infiltración es posible ubicar la cámara inmediatamente en un extremo de la zanja, de manera que la pared por la cual sale el tubo de alimentación es a su vez una pared de la zanja. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 503 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS Para ambos tipos de cámaras se emplearán tapas tipo calzada con marco, según norma Nch 1632. Of79. En el futuro la autoridad municipal o el SERVIU podrán requerir el uso de tapas similares especialmente diseñadas para sistemas de aguas lluvias en zonas urbanas. c. Cubicación y presupuesto. A continuación se presenta una cubicación y presupuesto aproximado para la construcción de una cámara de cada tipo. Se consideran precios de la ciudad de Santiago. Cámara tipo A, profundidad total 2,0m. Ítem Descripción 1 2 3 4 5 6 7 Unidad Cantidad Precio (U.F.) Unitario Subtotal Excavación, en terreno blando, hecha a 2,42 0,252 0,610 mano, sin agotamiento ni entibación m3 Transporte de excedentes de la excavación incluyendo carguío y depósito, a distancia 2,18 0,063 0,137 menor a 10 km. m3 Relleno compactado por capas de 0,2m 0,24 0,379 0,091 con los excedentes de la excavación. m3 Hormigón de radier de 212,5 Kg. de cem. m3 0,18 3,720 0,670 por m3 Hormigón armado grado H-20 con dosificación mínima de 297,5 kg. de cemento m3 1,1 4,339 4,773 por m3, colocado. Acero A44-28H con resaltes, colocado y doblado de acuerdo a los planos, con separadores de moldaje. 0,016 1,374 D= 8mm kg. 85,9 Tapa losa de hormigón armado tipo 1 2,398 2,398 calzada, puesta en obra. un Total 10,053 Nota: Precios de referencia en UF ( Unidades de Fomento, 1 UF=$13.081,89 al 7 de Octubre de 1996), según “Lista Oficial de Precios de Obras de Pavimentación para Cobro por Gastos de Inspección año 1995”, MINVU y el “Boletín de Precios Nº 276 de MayoJunio de 1996” del SERVIU Metropolitano. Cámara tipo B, profundidad total 1,5m. Ítem Descripción Unidad Cantidad Precio (U.F.) Unitario Subtotal Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 504 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS 1 2 3 4 5 6 7 Excavación, en terreno blando, hecha a mano, sin agotamiento ni entibación. m3 Transporte de excedentes de la excavación incluyendo carguío y depósito, a distancia menor a 10km. m3 Relleno compactado por capas de 0,2m con los excedentes de la excavación. m3 Hormigón de radier de 212,5 kg. de cem3 mento por m3. Albañilería de ladrillo muralla con mortero 1:4, e=20cm. m2 Estuco a grano perdido con mortero 1:3. e=2 cm. m3 Tapa de cámara tipo acera tipo calzada, con marco y colocada. un Total 2,1 0,252 0,529 1,7 0,063 0,107 0,4 0,379 0,152 0,3 3,720 1,116 5,2 0,538 2,798 0,1 3,891 0,389 1 2,398 2,398 7,489 Nota: Precios de referencia en UF ( Unidades de Fomento, 1 UF=$13.081,89 al 7 de Octubre de 1996), según “Lista Oficial de Precios de Obras de Pavimentación para Cobro por Gastos de Inspección año 1995”, MINVU y el “Boletín de Precios Nº 276 de MayoJunio de 1996” del SERVIU Metropolitano. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 505 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 506 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 507 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS A continuación se revisan cuatro aspectos básicos necesarios para seleccionar obras alternativas de drenaje urbano en casos específicos. Ellos corresponden a criterios de selección considerando las condiciones del lugar, de la urbanización, las perspectivas de otros usos y la influencia de la ubicación geográfica. Posteriormente se proponen acciones específicas para el uso de las obras presentadas en este estudio en el caso de urbanizaciones consolidadas y nuevas, de manera de lograr que las denominadas obras alternativas contribuyan a solucionar los problemas de aguas lluvias en ambas situaciones de zonas urbanas. Por último se hace un análisis de las probabilidades de ocurrencia, periodo de retorno y riesgo en relación a las aguas lluvias, como una guía para seleccionar las condiciones de diseño de cada obra en particular. 4.5.1. Criterios de selección. Como una guía para la selección de las obras posibles de diseñar se propone en primer lugar revisar las propiedades del lugar en términos físicos para visualizar el tipo de obra más conveniente, así como descartar otras que no se recomiendan. Similarmente se puede observar los posibles beneficios y desventajas que puede presentar cada tipo de obra frente a las características de la urbanización. También es de interés analizar los posibles usos adicionales que se pueden potenciar con cada obra. Finalmente se hacen algunas observaciones en relación a la ubicación geográfica de las obras y su efecto sobre la selección de soluciones. Todo esto en conjunto entrega una primera visión global para plantear un esquema de solución en que el uso de obras alternativas puede tener enormes ventajas en relación a soluciones más tradicionales. Como criterios generales de selección para las obras propuesta se plantea un esquema general basado en cuatro aspectos: condiciones del lugar, características urbanas, potencialidades de las obras y ubicación geográfica. Para los dos primeros se indica en cada obra cuando es factible su utilización y en que condiciones no se recomienda ya que pueden generarse incompatibilidades que impidan su correcto funcionamiento. Además se agregan comentarios en algunas circunstancias que permiten modificar esta situación recurriendo a precauciones especiales o agregando obras adicionales. a. Condiciones del lugar. En la Tabla 4.5.1.1 se muestra el conjunto de obras propuestas y una serie de características relevantes del lugar. Estas incluyen propiedades del suelo, del subsuelo y climáticas generales. Muchas de estas Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 508 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS características se pueden conocer o percibir con un conocimiento general de la ubicación o una visita inspectiva. Algunas pueden requerir un análisis más detallado, consultas a especialistas o pruebas de terreno. En general las propiedades que se analizan son inhibitorias al empleo de la obra. Aunque no se indica explícitamente, el caso complementario de cada propiedad presenta un comportamiento también complementario. Por ejemplo para el caso en que las aguas lluvias con sedimentos se indica que existe incompatibilidad con casi todas las obras, excepto estanques y lagunas. Es obvio que si el agua no tiene sedimentos, esta incompatibilidad no existe. En el caso en que se muestra la casilla blanca la obra no presenta incompatibilidades serias con la característica en cuestión y por lo tanto se puede recurrir a ella para abordar los problemas de las aguas lluvias. En el caso en que la casilla se muestra gris no se recomienda el empleo de ese tipo de obra. En algunos casos especiales para ambas situaciones, tanto aceptadas como no recomendadas, se agregan notas aclaratorias que pueden alterar estas decisiones si se recurre a obras o cuidados adicionales, o para indicar el motivo por el cual se recomienda no emplearlas. En general es posible en todos los casos encontrar un tipo de obra que se acomoda mejor que otra dadas las características especiales del lugar. Esta revisión es importante para destacar los aspectos que se deben considerar con especial atención al momento de decidir emplear cualquier tipo de obra alternativa o estar atento a los inconvenientes que se pueden generar una vez iniciado el proyecto. En particular no se debieran emplear estas obras en casos en que pueden presentar conflictos o su eficiencia puede verse tan afectada que al poco tiempo pierden su utilidad. Tampoco es recomendable emplearlas en casos en que la mantención de la obra sea demasiado onerosa, o se tengan antecedentes para predecir que no se realizará. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 509 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS Tabla 4.5.1.1: Incompatibilidades de las obras con condiciones del lugar, (1). Condiciones D.A.I del lugar . (2) Suelo poco propicio a la presencia de agua Agua subterránea vulnerable Poca capacidad de infiltración Aguas contaminadas Aguas con sedimentos Agua subterránea poco profunda Sin agua permanente Sin salida posible del agua Tráfico intenso Poca capacidad de soporte Pendiente fuerte Elementos de infiltración Pavimento Estanque Zanjas Pozos Si el suelo presenta esponjamiento con el agua la infiltración puede provocar inestabilidad de obras. Debe considerarse una salida de rebase hacia otro receptor. Pueden emplearse con reserva y previa verificación de las medidas de protección del acuífero receptor y sus usos Si la capacidad de absorción profunda es buena Prever Prever prepretratamien tratamient to o Se colmatan Se colmatan rápidamente rápidamente Prever decantador No hay experiencia Puede provocar problemas Disponer de divisiones Puede provocar problemas En zonas bajas Disponer divisiones Elementos de almacenamiento Estanque Laguna No para otros usos No para otros usos Problema s constructivos y estructurale s Mejor me- nos extendida y más profunda En zonas bajas de la red de drenaje natural Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 510 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS Condiciones D.A.I del lugar . (2) Elementos de infiltración Pavimento Poco espacio Clima de montaña Sector con muchas redes Estanque Zanjas Elementos de almacenamiento Pozos Estanque Laguna Poca experiencia No es factor inhibitorio si se planifica al principio No es factor inhibitorio si se planifica al principio (1) Se recomienda no emplear la solución en los casos en que el casillero correspondiente está oscurecido totalmente. Si esta semioscurecido debe atenderse la observación incluida. (2) D.A.I.: Desconexión de áreas impermeables. b. Características urbanas. Otro aspecto importante en la decisión son las características de la urbanización, el destino y uso de los terrenos que recibirán el agua lluvia, al cual se supone que deben servir las obras, o en los cuales se implantarán. Para ello se consideran diferentes categorías de urbanización de acuerdo a un esquema típico que es fácilmente reconocible en la mayoría de las ciudades del país. Algunos de ellos se prestan con mayor facilidad para aceptar algunas soluciones y, más importante aún, en otros casos existen incompatibilidades que hacen poco recomendable recurrir a ciertas obras. Es así como en general las zonas construidas en densidad, tienen inconvenientes con obras que requieren espacios generosos, mientras otros tipos de urbanizaciones no presentan inconvenientes con ningún tipo de solución, como ocurre con las clasificadas como ciudad jardín o casas y edificios aislados. Los posibles problemas en esos casos se pueden deber más a las características del lugar o las condiciones de diseño específico que presenten. Los sectores industriales son en general conflictivos y requerirán un tratamiento especial, ya que es difícil proponer soluciones generales en estos casos dada la gran diversidad de productos contaminantes de todo tipo que pueden llegar a ser arrastrados por las aguas lluvias. Sin embargo el tipo de soluciones propuestas en esta guía pueden ser muy útiles en sectores industriales si se dispone de los antecedentes necesarios para adoptar las decisiones correctas, o se asegura un tratamiento previo de las aguas. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 511 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS La Tabla 4.5.1.2 presenta para cada una de las categorías urbanas comentadas, los elementos de decisión que pueden considerarse en relación a las obras alternativas típicas. En el caso de las áreas verdes, de recreación o esparcimiento se han separado en dos ya que existen mucho terrenos destinados a áreas verdes que en realidad no son tales por problemas de mantención o excesivo uso. Las áreas verdes con vegetación se prestan muy bien a cualquier solución alternativa, y de hecho constituyen en sí mismas un control eficaz de la escorrentía urbana al facilitar la infiltración y retención de las aguas lluvias, además de proveer de espacio para la materialización de soluciones en superficie. Sin embargo en el caso de espacios abiertos destinados a la recreación, pero que en sí no son áreas verdes, es decir sin vegetación permanente, se debe poner especial cuidado en el control de las condiciones superficiales que rápidamente impermeabilizan el terreno, o generan cantidades importantes de polvo y barro. Tabla 4.5.1.2: Incompatibilidades de las obras con características de la urbanización, (1). Aspectos urbanos D.A.I. (2) Elementos de infiltración Pavimento Estanqu e En densidad Ciudad Jardín Edificio o casa Semirural Industrial Comercial Áreas verdes Zanjas Pozos Elementos de almacenamiento Estanque Laguna Depende del tamaño Mejor Depende del tamaño de pozos la parcela y del poco volumen profundos Es difícil tener un control total de los Alto riesgo elementos que se producen en una zona de industrial y resulta muy arriesgado contaminaci infiltrarlos. ón Si bien no hay restricciones en sí para el uso de cualquier técnica depende de los destinos del sector comercial y debe estarse atento a que se generen problemas como en los sectores industriales Controlar polvo y barro en lugares deportivos sin pasto Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 512 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS Aspectos urbanos D.A.I. (2) Elementos de infiltración Pavimento Estanqu e Estacionami entos Pasajes o veredas Calles o avenidas Zanjas Pozos Elementos de almacenamiento Estanque Laguna Considerar pretratamiento para evitar colmatación (1) Se recomienda no emplear la solución en los casos en que el casillero correspondiente está oscurecido totalmente. Si esta semioscurecido debe atenderse la observación incluida. (2) D.A.I.: Desconexión de áreas impermeables. c. Potencialidades de las obras. Es necesario recalcar que la mayoría de estas soluciones alternativas para las aguas lluvias urbanas se materializan a través de obras que presentan una gran potencialidad de ser empleadas con fines múltiples. En países donde este tipo de soluciones se ha empleado durante varias décadas, el público a veces relaciona estas obras con sus fines secundarios y no reconoce en ellas un objetivo de control de las aguas lluvias. Resulta entonces importante reconocer las potencialidades que cada tipo de obra presenta, de manera de aprovecharlas al máximo, así como reconocer que por mucho interés que exista, algunas obras no pueden emplearse con ciertos fines. Por ejemplo es obvio que resulta muy difícil emplear las obras de infiltración para fines recreativos. En contraste las obras de almacenamiento se prestan muy bien para ello. En la Tabla 4.5.1.3 se muestra el caso de las obras propuestas frente a diferente usos múltiples potenciales, destacando el caso en que se facilite o no esta otra finalidad. Tabla 4.5.1.3: Potencialidades de las obras para otros usos. Potencial de Usos múltiples Recarga de acuíferos Áreas D.A.I. (1) Elementos de infiltración Pavimento Estanqu Zanjas e No conPotencialmente pueden ser tribuye útiles con un diseño adecuado Pueden ser útiles con un No con- Elementos de almacenamiento Pozos Son muy útiles No sirve Estanque Laguna No sirve para estos fines Puede ser útil Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 513 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS Potencial de Usos múltiples verdes Paisajismo D.A.I. (1) Elementos de infiltración Pavimento Estanqu Zanjas Pozos e diseño adecuado tribuye Pueden ser útiles con un No contribuyen diseño adecuado No contribuyen a estos fines No contribuyen a estos fines Recreación Regulación, incendio, riego Importancia Es más importante el fin de su adicional al control de las función aguas lluvias Elementos de almacenamiento Estanque Laguna Son muy útiles Son muy útiles Son muy útiles Poco notorio para el público sino se advierte especialmente (1) D.A.I.: Desconexión de áreas impermeables. Los usos más destacados se relacionan con el efecto sobre el agua subterránea, para emplear las obras de infiltración en la recarga de acuíferos, el uso de los terrenos para áreas verdes, paisajismo o recreación. Así como otros usos destinados a disponer de reservas de agua para incendios, lavado o riego. Además se indica cuando el fin de control de las aguas lluvias es considerado importante por el público que no cuenta con antecedentes específicos sobre el tema. Resulta curioso destacar que ello sólo ocurre en las obras subterráneas (zanjas y pozos de infiltración) que no tiene usos destacados en la superficie. d. Ubicación geográfica. La gran variabilidad geográfica que presentan las ciudades en Chile se refleja en la diversidad de climas, suelos, topografía, drenaje, urbanización y otros aspectos que influyen en la selección. Desde el punto de vista práctico puede no ser tan importante la ciudad en la cual se ubicará la obra como sus aspectos de detalle, ya mencionados en los párrafos precedentes. Sin embargo se menciona a continuación algunas ideas generales que pueden influir en la selección de las obras más adecuadas. Es claro que en una misma ciudad es posible encontrar diferentes condiciones del lugar y urbanísticas cuya influencia en las decisiones puede ser más importante que las generales o regionales. Ello hace que los criterios que se indican en la Tabla 4.5.1.4 deban tomarse sólo como una referencia general. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 514 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS Tabla 4.5.1.4: Influencia de la ubicación regional (1). Ubicación regional D.A.I. (2) Elementos de infiltración Estanques Pavimentos Zanjas Pozos Región I No se Prevenir la colmatación recoEmplear materiales de cubierta Región II mienda. en base a gravas o maicillo Difícil Evitar aportes de áreas extensas Región III de materializar Región IV Las Evitar polvo en verano Usar con agua obras y barro en invierno. directa desde techos. Región V anexas Preferible si el área Prevenir la necesita aportante no genera colmatación. n Región XIII riego. sedimentos. En sectores con Por lo Para estanques con sedimentos prefeRegión VI tanto es césped proveer de rir alimentación factible riego. Aprovechar superior o poner Región VII en áreas áreas verdes sedimentador verdes y jardines. previo Región VIII Verificar profunSe didad de la napa puede Región IX emplear y riesgos de contavegetaminación del agua Región X Región XI Región XII ción natural en obras anexas. subterránea. No hay experiencia con la nieve. Elementos de almacenamiento Estanques Lagunas Evitar la Sólo si es formación posible de barro. tener Usar con agua cubiertas permaadecuadas nente Requiere Sólo si hay agua riego o el uso de cubier- permanente. tas de otro tipo. Muy apropiado en áreas verdes Evitar humedad Preferible en zonas bajas con otros usos Muy conveniente en zonas con agua excesiva subterráo nea alta. constante que Preferir impide en lugares otros usos con alternati- muchas vos lluvias (1) Se recomienda no emplear la solución en los casos en que el casillero correspondiente está semioscurecido o atender la observación incluida. (2) D.A.I.: Desconexión de áreas impermeables. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 515 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS En general puede apreciarse que en las ciudades del norte del país el problema para el empleo de soluciones alternativas radica principalmente en la escasez de precipitaciones, o en lo esporádico que se presenta el problema de aguas lluvias. Esto hace que la mayoría de estas técnicas presenten problemas de mantención para permanecer operativas frente a eventos demasiado distanciados en el tiempo. Sin lugar a dudas en algunos casos especiales podrá justificares la incorporación de obras como las que se proponen en este estudio, sin embargo en términos generales la escasez de vegetación o las dificultadas para mantener una cubierta vegetal sana, no sólo en la obra sino en toda el área aportante, harán que este tipo de obras o se colmaten rápidamente o se transformen en zonas barrosas una vez que comienzan a recibir agua. En estos casos debe ponerse especial cuidado en las cubiertas de las capas superiores del suelo, las que a falta de una vegetación sana, podrían emplearse con gravillas, maicillo, filtros de arena u otras alternativas similares que no demanden una mantención excesiva. En las regiones de la zona central deberán tomarse precauciones especiales para mantener una vegetación adecuada en las obras superficiales y para evitar que se colmaten por polvo los pavimentos y las obras de infiltración. Sin embargo en estas regiones para las áreas verdes habitualmente se recurre a vegetación artificial y al riego para mantenerla, de manera que pueden aprovecharse estas circunstancias para incorporar este tipo de soluciones donde corresponda. Las soluciones en base a lagunas dependerán de la disponibilidad de agua para mantener un volumen base durante los periodos de estiaje. En las regiones de la zona central sur, de la VIII a la X, en las cuales la precipitación supera a la evaporación, normalmente es más fácil mantener una vegetación natural saludable, lo que facilita el empleo de soluciones en superficie, al mismo tiempo que se genera una escorrentía con menos sedimentos. En estos casos los estanques de retención pueden permanecer tiempos prolongados con agua debido a lo frecuente de las precipitaciones lo que desincentiva su empleo para otros fines como recreación. Por el contrario las soluciones de almacenamiento basadas en lagunas con un volumen permanente pueden resultar más abordables. En las obras de infiltración es posible encontrar la superficie del agua subterránea muy cerca de suelo sobre todo en ciudades con topografía plana cruzadas por ríos importantes. En las ciudades del extremo sur es frecuente encontrar nieve durante el invierno, de manera que los pavimentos porosos pueden presentar dificultades. Sin embargo todo el resto de las obras no tienen ninguna contraindicación regional específica si se consideran cubiertas adecuadas. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 516 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS 4.5.2. Empleo de soluciones alternativas de aguas lluvias. En el Capítulo 1 se plantea un enfoque global para enfrentar el problema de las aguas lluvias en sectores urbanos complementando el procedimiento tradicional de colectores mediante obras alternativas que favorecen la disposición local de las aguas lluvias, incluyendo una explicación de los criterios, ventajas y limitaciones, la tipificación de las obras que se consideran en este enfoque alternativo y las oportunidades que se visualizan para conseguir la cooperación entre este tipo de soluciones y otros actores que participan en la urbanización. En esta sección se presenta un enfoque más práctico para enfrentar el problema de las aguas lluvias en urbanizaciones consolidadas y en nuevas urbanizaciones, con especial énfasis en el uso de las obras. Esto complementa la selección de las obras dadas las condiciones específicas de cada lugar analizadas en los párrafos anteriores. En general las obras que se proponen pueden emplearse en cualquier tipo de urbanización, sean estas nuevas o ya desarrolladas, dependiendo de las condiciones de espacio y las causas de los problemas que se desea resolver, teniendo siempre presente que el tipo de obras alternativas planteadas tienen por objetivo la disposición local de las aguas lluvias, es decir sólo pretenden abordar el problema de las aguas lluvias que se generan en el mismo lugar. No están concebidas para hacerse cargo de inundaciones producidas por desborde de cauces o canales, sobreelevación del agua subterránea, mareas, zonas litorales bajas, ni tampoco para las aguas lluvias que escurren desde otras cuencas laterales y que no han sido tratadas en el lugar de origen. Todas estas situaciones significan volúmenes excesivos de agua o caudales instantáneos muy elevados. A continuación se mencionan acciones concretas que podrían adoptarse para enfrentar problemas de aguas lluvias en el caso de áreas urbanas consolidadas y en nuevas urbanizaciones. a. Urbanizaciones consolidadas. En el caso de urbanizaciones ya consolidadas los problemas de aguas lluvias pueden tener diferentes causas. De hecho la situación más corriente es aquella en que se superponen varias de ellas, dando origen a situaciones aparentemente muy complejas. Para intentar solucionarlos uno de los primeros pasos consiste en detectar el origen de los problemas de aguas lluvias en el lugar. Si se deben a aguas lluvias de origen local las técnicas alternativas que se proponen pueden ser de utilidad. Si se deben a otras causas el empleo de obras alternativas puede ayudar a disminuir los problemas pero no logrará solucionarlas totalmente. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 517 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS En el caso de urbanizaciones ya desarrolladas las obras alternativas pueden colaborar a recuperar aunque sea parcialmente la capacidad de infiltración del suelo, de manera de disponer de los excesos de aguas lluvias en el lugar. A continuación se mencionan algunas acciones concretas orientadas a mejorar las condiciones en zonas ya urbanizadas. Áreas verdes. Reponer la capacidad de infiltración del suelo en áreas verdes y despejadas, si ellas existen. Una de las acciones más efectivas para contribuir a mejorar la situación de las aguas lluvias es favorecer la infiltración en el lugar y evitar que la erosión del suelo incremente los problemas con el arrastre de sedimentos. Las zonas abiertas, libres de construcciones, deben recuperar su capacidad de retener e infiltrar las aguas lluvias que caen sobre ellas, sin comportarse como impermeabilizadas por la formación de capas superficiales de barro. Esto requiere inversión en los lugares públicos para recuperar la vegetación y mantenerla. En el caso de lugares con abundante pluviometría es posible recuperar la vegetación natural. En el caso en que la cantidad de lluvia no sea suficiente se requiere riego. En estas condiciones la cubierta vegetal puede reemplazarse por zonas cubiertas por grava o maicillo, niveladas de manera que no generen escorrentía localizada que pueda aportar sedimentos hacia aguas abajo. Techos. Un buen avance puede lograrse con la infiltración de aguas lluvias provenientes de techos. Esta es una acción que es posible adoptar en terrenos que disponen de poco espacio despejado en superficie tomando las aguas que caen sobre los techos, antes que ellas alcancen a escurrir por el suelo. Para ello se pueden emplear zanjas y pozos de infiltración. Es necesario que los suelos tengan capacidad de infiltración suficiente y que la napa freática se encuentre profunda. Pavimentos. Infiltración de aguas lluvias provenientes de áreas pavimentadas en pequeñas zonas evitando la acumulación excesiva de aguas lluvias. En la medida en que sea posible se pueden reemplazar algunos pavimentos por pavimentos porosos. Retención. Aprovechar las áreas verdes para la materialización de elementos de retención. Si existen áreas verdes con espacios disponibles se puede intentar la materialización de estanques o lagunas de retención que amortigüen los gastos máximos para descargarlas posteriormente a las tormentas a tasas mucho menores, que no provoquen problemas aguas abajo. En el caso de zonas urbanizadas con problemas de inundaciones por aguas lluvias es posible aprovechar los sectores que habitualmente acumulan aguas superficiales para transformarlas en estanques o lagunas, dándoles un carácter de mejor calidad urbana aprovechando la acumulación natural en el lugar de las aguas lluvias. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 518 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS b. Nuevas urbanizaciones. En el caso de nuevas urbanizaciones es posible adoptar un conjunto de medidas si ellas se incorporan a los planes de urbanización desde las primeras etapas del proyecto. El objetivo básico mínimo debiera ser mantener al menos la capacidad de retención e infiltración del terreno previo a la urbanización. Para lograrlo se puede emplear como criterio para el dimensionamiento de las obras que el caudal y volumen generado por las aguas lluvias después de la urbanización no sea superior al que se generaba previamente en condiciones de terreno natural. En algunos casos es posible incluso mejorar estas metas si existen en el lugar las condiciones apropiadas. Aunque se adopten todo tipo de medidas para disponer localmente de las aguas lluvias, y se incluyan ellas desde el inicio del proyecto de la urbanización, de manera que no existan restricciones mayores para impulsar libremente todo tipo de medidas, ello no significa que no deban abordarse la inclusión de sistemas convencionales de drenaje, incluyendo las redes de colectores. De hecho una de las medidas básicas que debiera tomarse en toda urbanización nueva es considerar la forma en que el drenaje al interior de la urbanización se incorpora en la red general de la ciudad, si ella existe, o cómo afecta al drenaje hacia aguas abajo, se disponga o no de un sistema convencional o desarrollado de drenaje. Una vez que los escurrimientos sobrepasan la capacidad de las obras alternativas, lo que ocurrirá inevitablemente para condiciones más exigentes que las de diseño, se generarán flujos hacia aguas abajo, aunque menores que los que se generarían si las obras no existieran, cuyo destino y consecuencias deben visualizarse en el proyecto de la urbanización. A continuación se menciona un conjunto amplio de acciones que pueden adoptarse para facilitar la disposición local de las aguas lluvias en nuevas urbanizaciones. En casos reales no necesariamente deben materializarse todas ellas. Respetar la red de drenaje incipiente. Como un antecedente inicial para el proyecto de urbanización es conveniente reconocer la red de drenaje natural del sector a urbanizar, independientemente de su tamaño y desarrollo. Ello puede hacerse en base a un mapa topográfico del lugar con curvas de nivel, y una visita al lugar. En este mapa es conveniente agregar la forma en que esta red se inserta en el sistema general hacia aguas abajo independientemente del grado de desarrollo que ella tenga, sea esta natural o artificial. Es conveniente considerar la forma en que la urbanización incorporará la red de drenaje natural detectada, reconociendo que las aguas lluvias una vez urbanizado el sector tenderán a ocupar el espacio de su sistema natural de drenaje. Los lugares bajos concentrarán las aguas lluvias y puede ser conveniente desarrollar las áreas Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 519 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS verdes y espacios abiertos en concordancia con esta red de drenaje. Los problemas de aguas lluvias en el sector urbanizado pueden generarse aguas arriba de la urbanización propiamente tal. Para evitar sorpresas una vez que la urbanización se encuentre desarrollada debe reconocerse como se evitará o abordará la llegada, desde aguas arriba, de aguas lluvias no generadas en el sector. Ello puede significar respetar cauces naturales existentes cuyo origen se encuentra más allá de los límites de la urbanización, evitar el ingreso de aguas o redireccionar flujos hacia otros sectores. Sedimentos. Como medida general hay que considerar que los problemas de aguas lluvias se agravan si además estas vienen cargadas de sedimentos y contaminantes. Es, por lo tanto, importante realizar todos los esfuerzos para que la escorrentía urbana no erosione las superficies del suelo y no produzca sedimentos. Las obras de infiltración deben disponerse para infiltrar aguas limpias, antes que estas corran el riesgo de contaminarse. Los elementos de retención que reciban sedimentos deben mantenerse periódicamente para que recuperen su capacidad de retención. La labor más eficaz de mantención puede consistir en evitar las superficies erosionables, ya sea cubriéndolas de vegetación natural si no se necesita riego, de pasto artificial con riego si ello es factible, o de otras cubiertas como maicillo, gravillas o jardines de rocas si la naturaleza del lugar lo admite. Evitar la producción de sedimentos en los aportes de aguas lluvias contribuye eficazmente a la solución de problemas. Desconexión de las áreas impermeables. Esta es una de las medidas que puede emprenderse con mayor facilidad en las nuevas urbanizaciones. El éxito de esta medida depende de que se desarrolle ampliamente con una gran cobertura de aplicación y no de una obra específica. Se puede imponer como parte de los requisitos de la urbanización a todas las construcciones que se realicen en su interior. Si ella se adopta junto con las primeras etapas de la nueva urbanización tiene más posibilidades de contribuir a disminuir los excesos de aguas lluvias generados en el lugar. Consiste básicamente en recomendar que el agua que escurre desde cada superficie impermeable no pase directamente a otra superficie impermeable, sino que antes escurra sobre una permeable, permitiendo y favoreciendo su retención e infiltración. Una medida eficaz en este sentido consiste en imponer a todos los sitios con patio interior que las aguas lluvias de los techos sean dirigidas al fondo del patio y que sólo rebasen a la calle después de haber escurrido sobre los jardines interiores, si ellos se consideran en el lugar. Los jardines interiores deberán diseñarse de manera que retengan el agua que escurre desde los techos de la misma casa. Esta medida se complementa con la materialización de franjas Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 520 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS filtrantes, zanjas con vegetación y el tratamiento adecuado de las superficies permeables. Franjas filtrantes. Las franjas filtrantes son planos cubiertos con vegetación que reciben las aguas lluvias en toda su extensión por un extremo, las retienen e infiltran para evacuar sólo los excesos por el otro. En una urbanización nueva se puede asociar a todas las veredas, pasajes y estacionamientos, que son impermeables, una franja filtrante a su lado hacia donde escurre el agua que cae sobre ellas y tiene la oportunidad de infiltrarse. Las calles con bandejones o jardines centrales deben drenar hacia ellos, para lo cual estos jardines se proyectan a un nivel inferior y conectados a las calle mediante soleras discontinuas que permitan el paso del agua. Zanjas con vegetación. En los lugares en que exista espacio, o cuando se junte una cantidad de agua suficiente, a los costados de los caminos e interceptando el flujo que sale de los terrenos privados, se puede disponer de zanjas con vegetación que acumulen, retengan e infiltren las aguas lluvias. Este tipo de obras depende de las características de la urbanización ya que no siempre es posible incorporarlas. Superficies. Las superficies no impermeabilizadas debieran ser lo más horizontales posible, de manera que retengan el agua que cae sobre ellas y la infiltren, evitando el flujo con velocidades altas, la formación de cárcavas y la erosión del suelo. Ello da oportunidad de tratar las superficies mediante aterrazamientos, muros de contención, y jardineras en las zonas con pendiente. Se recomienda nivelar las superficies mediante aterrazamiento para impedir el flujo de alta velocidad. Infiltración. Recurrir a obras de infiltración para evitar que las superficies que deben impermeabilizarse por diferentes motivos contribuyan a incrementar la escorrentía. En los predios que no dispongan de jardines interiores por los cuales hacer escurrir las aguas lluvias, estas debieran infiltrarse en el mismo terreno, directamente desde los techos y demás superficies impermeables, antes de que escurran por la superficie del suelo y se contamine, empleando para ello estanque de infiltración si existe espacio suficiente, y si no recurriendo a zanjas y pozos de infiltración. Pavimentos. Emplear pavimentos porosos en las veredas, pasajes y calles que se pueda, de manera de lograr que los pavimentos no aporten escorrentía directa, es decir, que no se comporten como superficies totalmente impermeables. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 521 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS Estacionamientos. En el caso de estacionamientos de importancia, como los de instituciones, centros comerciales, educacionales y similares, recomendar la adopción de pavimentos celulares porosos, que puedan hacerse cargo en el mismo lugar de las aguas lluvias que caen sobre ellos y sus aceras. Entradas de vehículos. Cuando se construyan urbanizaciones con viviendas terminadas, que se entreguen con entradas de vehículos y estacionamientos interiores, promover la ejecución de pavimentos celulares porosos en esos lugares. Retención. Cuando las urbanizaciones sean de dimensiones importantes, de manera que se propongan espacios verdes agrupados con el tamaño suficiente para desarrollar en ellos áreas de diferente naturaleza, es posible emplearlos como estanques o lagunas de retención. Para ello se recomienda colocarlos en lugares en los cuales se pueda reunir las aguas lluvias en exceso generadas en la urbanización, es decir las que no han podido ser infiltradas o retenidas ya sea por falta de capacidad de infiltración o porque superan la capacidad de las obras destinadas a ello, antes de que estas aguas se dirijan hacia aguas abajo. Estos elementos de retención, de tamaño más importante, son obras comunitarias o públicas en el sentido de que sirven a varios terrenos y difícilmente puede proyectarse para terrenos individuales, a menos que se trate de instituciones con predios grandes. Estos elementos de retención debieran proyectarse para evitar que la urbanización genere hacia aguas abajo gastos máximos mayores que los establecidos para el lugar. Cauces y canales. Si en el lugar urbanizado aparecen canales o cauces naturales que conduzcan agua concentrada se intentará desarrollarlos como canales de características urbanas, con bajas velocidades, pocas alturas de agua que favorezcan la retención e infiltración según corresponda, y que generen un entorno aprovechable para fines urbanos, o por lo menos no deteriorante de él. 4.5.3. Selección de lluvias de diseño. Las obras alternativas para solucionar problemas planteados por las aguas lluvias en los sectores urbanos necesariamente deben diseñarse para enfrentar condiciones reales del comportamiento de las precipitaciones en el lugar en el cual se implantan. Se designa como lluvia de diseño aquella para la cual la obra opera en condiciones límites, de manera que si ocurre una situación más exigente la capacidad de la obra se ve superada, lo cual puede tener diferentes consecuencias dependiendo de la naturaleza de la obra y las condiciones del evento. En la elección de la lluvia de diseño debe tenerse en cuenta que las precipitaciones tienen un comportamiento eminentemente aleatorio, en el sentido de que las características de las tormentas, como su duración, intensidad, magnitud, no se Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 522 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS pueden predecir con exactitud sino sólo mediante una descripción estadística o probabilística. Sin embargo, para determinar las dimensiones de las obras se deben seleccionar valores concretos y específicos de las variables que definen las lluvias. En todo caso, dada la naturaleza probabilística de los eventos lluviosos es claro que siempre debe aceptarse un cierto riesgo de que la obra sea superada, ya que aunque sea poco probable siempre es posible concebir un evento peor al de diseño. Lo importante es seleccionar una lluvia de diseño que entregue un riesgo razonable, o aceptable para los fines que persigue la obra y concordante con la aversión al riesgo de mal funcionamiento que tenga la comunidad a la cual sirve. Ello dependerá en gran medida de las consecuencias que tenga el hecho de que la obra sea superada por eventos mayores que los de diseño y la frecuencia con que ello ocurra. Período de retorno. Para describir estadísticamente el comportamiento de los eventos de precipitaciones es necesario establecer la distribución de probabilidades de las características de las lluvias en un lugar. Normalmente ello se hace asignando a cada valor de la magnitud de precipitación de una duración determinada una probabilidad de ocurrencia durante un periodo de tiempo. Para ello se establece la probabilidad de que un cierto valor de la precipitación máxima diaria sea sobrepasado en un año cualquiera. En hidrología es corriente referirse al período de retorno en lugar de la probabilidad de ocurrencia para designar el carácter aleatorio de los eventos hidrológicos. Ambos conceptos están relacionados. Se define como periodo de retorno al valor esperado del tiempo que pasa entre dos ocurrencias sucesivas de un evento dado. También se puede definir como el valor esperado del tiempo que transcurre hasta que un evento dado ocurre por primera vez en el futuro a partir del instante en que la obra es puesta en servicio. Para el caso de las precipitaciones ambas definiciones son estadísticamente equivalentes. Así por ejemplo si se dice que el periodo de retorno de una lluvia es de 10 años, quiere decir que si se consideran los intervalos de tiempo que transcurren entre ocurrencias sucesivas de lluvia como esa o peores en el futuro, el promedio del tiempo entre ellos es de 10 años. Está claro que en algunos casos puede que ocurra este tipo de eventos durante años seguidos, mientras en otras ocasiones se presenten separados por intervalos mucho mayores que 10 años. Ello refleja la naturaleza aleatoria del fenómeno. Para el caso de las precipitaciones máximas anuales se puede demostrar que si el evento en cuestión está definido por una propiedad X0, de tal manera que P0 es la probabilidad de que la característica X sea mayor que el valor X0 en un año cualquiera, entonces el periodo de retorno de ese evento, T en años, está dado por: Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 523 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS T= 1 P0 (4.5.3.1) con P0 = probabilidad (X>X0). Para estimar los valores de T es necesario establecer las probabilidades de X. Para el caso de las lluvias ello se refleja en las curvas de intensidad duración frecuencia, IDF, analizadas en 3.1.2.c. Riesgo de falla. El riesgo de falla, o hidrológico, es la probabilidad de que ocurra al menos una vez un evento de condiciones peores que el empleado para el diseño de la obra durante la vida útil de ella, provocando una operación inadecuada de la obra. En algunos casos es posible que la ocurrencia de un evento peor desencadene la falla física de la obra, como puede ocurrir cuando el vertedero de una presa de tierra es sobrepasado, y en otras puede que ello sólo signifique un problema de operación sin mayores consecuencias, como es el caso de un sumidero de aguas lluvias que no alcanza a captar toda el agua que viene por la cuneta y deja pasar un poco hacia aguas abajo. El riesgo de falla, R, está relacionado con el periodo de retorno de la lluvia de diseño, T, y los años de vida útil de la obra, N, mediante la expresión: 1 R = 1 − 1 − T N (4.5.3.2) La Tabla 4.5.3.1 muestra valores del riesgo de falla para diferentes valores del periodo de retorno de la lluvia de diseño y de la vida útil de la obra. Tabla 4.5.3.1: Riesgo de falla en función del periodo de retorno (años) y la vida útil de la obra (años). Periodo de Retorno (años) 2 2 0.75 5 0.36 10 0.19 20 0.10 50 0.04 100 0.02 5 0.97 0.67 0.41 0.23 0.10 0.05 Vida útil de la obra ( años) 10 15 20 30 1.00 1.00 1.00 1.00 0.89 0.96 0.99 1.00 0.65 0.79 0.88 0.96 0.40 0.54 0.64 0.79 0.18 0.26 0.33 0.45 0.10 0.14 0.18 0.26 50 1.00 1.00 0.99 0.92 0.64 0.39 100 1.00 1.00 1.00 0.99 0.87 0.63 De acuerdo a los valores indicados en la Tabla 4.5.3.1 se puede observar que el riesgo de falla de una obra que tiene una vida útil o de servicio de 20 años Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 524 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS cuando es dimensionada para una lluvia de diseño de 10 años es de 0,88. Esto quiere decir que la probabilidad de que esta obra no opere adecuadamente al menos una vez durante su tiempo de servicio es de un 88%. Otro valor de interés que se puede estimar a partir del periodo de retorno de la obra y la duración de la vida útil es la cantidad de veces en promedio que se espera que la obra sea superada por un evento peor que el de diseño. Este valor, que puede definirse como el número esperado de fallas, es útil cuando las fallas no son catastróficas, de manera que la obra sigue en pie y operando para otros eventos, y el que sea superado el evento de diseño sólo significa problemas de operación. Esos valores se presentan en la Tabla 4.5.3.2. Tabla 4.5.3.2: Número esperado de fallas en función del periodo de retorno de diseño (años) y la vida útil de la obra (años). Periodo de Retorno (años) 2 5 10 20 50 100 2 1.0 0.4 0.2 0.1 0.04 0.02 5 2.5 1.0 0.5 0.2 0.1 0.05 Vida útil de la obra (años) 10 15 20 30 5.0 7.5 10.0 15.0 2.0 3.0 4.0 6.0 1.0 1.5 2.0 3.0 0.5 0.8 1.0 1.5 0.2 0.3 0.4 0.6 0.1 0.15 0.2 0.3 50 25.0 10.0 5.0 2.5 1.0 0.5 100 50.0 20.0 10.0 5.0 2.0 1.0 Debido a que las estadísticas de las precipitaciones anuales se refieren a la lluvia máxima anual es evidente que durante el año se presentan otras tormentas con precipitaciones menores, de manera que la cantidad de veces que la obra es sobrepasada considera una posible ocurrencia por año. Sin embargo en la percepción que puede tener el público sobre la falla de operación de la obra influye la cantidad de tormentas que ocurren en el lugar en un año. Selección del período de retorno. La selección de una lluvia de diseño requiere adoptar un periodo de retorno para la lluvia de diseño. Existen varias formas de seleccionar este valor. Lo más sencillo puede ser que se adopte para cada tipo de obra una recomendación de acuerdo a la experiencia sobre su funcionamiento en un lugar y las consecuencias estimadas de las fallas. Este tipo de valores pueden considerarse los mínimos a falta de mayor información y es posible que la autoridad competente los modifique en cada caso particular. La Tabla 4.5.3.3 entrega valores recomendados para diferentes tipos de obras alternativas. En el caso de las obras de infiltración se supone que los gastos no aceptados por la obra cuando queda sometida a tormentas mayores que la de diseño en ningún Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 525 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS caso superarán los 0,1 m3/s. Para el caso de los vertederos de rebase de los estanques y las lagunas de retención los caudales no debieran superar los 2 m3/s para tormentas de 100 años de periodo de retorno. En todo caso caudales de esta magnitud debieran ser conducidos hacia aguas abajo por una red de drenaje adecuada, de manera de asegurar que no provoquen daños. Tabla 4.5.3.3: Valores mínimos recomendados del periodo de retorno de lluvias de diseño para obras alternativas. Obra alternativa aguas abajo Condiciones de la red de drenaje hacia Red desarrollada Sin red desarrollada Obras de infiltración Estanques Zanjas Pozos Pavimentos porosos Pavimentos celulares Obras de almacenamiento Estanques de retención Volumen base Cámara de descarga Vertedero Lagunas de retención Volumen base Cámara de descarga Vertedero Obras anexas Franjas filtrantes Zanjas con vegetación Sección base Revancha Canales de pasto Canales con vegetación Caídas 5 5 5 5 5 10 10 10 10 10 5 10 100 5 10 200 5 10 100 5 10 200 5 10 5 50 100 100 100 10 100 200 200 200 Análisis económico. En rigor la selección del periodo de retorno de las tormentas de diseño es una variable de diseño que se puede seleccionar de acuerdo al óptimo económico de la obra considerando los costos de inversión, los de operación y los daños generados por las fallas de las obras. Cuanto mayor es el periodo de retorno seleccionado mayores resultan las dimensiones Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 526 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS necesarias de las obras y por lo tanto más caras de construir. Sin embargo los costos asociados a las fallas de operación se reducen. Entre los costos de inversión debe considerarse el valor del terreno, de la construcción de la obra, así como los valores actualizados de los costos anuales de operación y mantención. Esto genera una curva creciente con el periodo de retorno de diseño como la que se indica en la Figura 4.5.3.1. Entre los costos de falla se debe considerar los efectos hacia aguas abajo, los daños directos e indirectos. Estos tienen un carácter aleatorio por lo tanto habitualmente se estima un valor esperado de los daños para cada año que dependen del caudal por el cual la obra es excedida. Empleando una tasa de interés adecuada se actualizan los costos anuales durante la vida útil de la obra, obteniendo un valor actualizado de los daños anuales esperados de la obra. Estos costos son decrecientes con el periodo de retorno de diseño. Es decir si el periodo de retorno de la tormenta de diseño es grande los daños esperados son menores. En el caso de obras de aguas lluvias urbanas uno de los aspectos que resultan más complejos de evaluar son los efectos hacia aguas abajo de las fallas de operación de las obras. Al combinar ambas curvas de costos, una creciente y la otra decreciente con el periodo de retorno, y obtener una curva de costos totales actualizados, es posible obtener un valor óptimo económico para el periodo de retorno en cuestión, como se ilustra en la Figura 4.5.3.1. Figura 4.5.3.1: Selección del periodo de retorno óptimo desde el punto de vista económico. 1.- Curva de costos de inversión. 2.Curva de costos de falla actualizados. 3.- Curva de costos totales, T0.- Período de retorno óptimo. Desde el punto de vista práctico este procedimiento presenta varias dificultades para ser aplicado al dimensionamiento de obras alternativas de drenaje urbano. En primer lugar no resulta razonable pensar que cada obra deba diseñarse para Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 527 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS su propio óptimo económico, ya que ello conduciría a situaciones en que en una misma urbanización coexistan obras con diferentes riesgos de falla. Otro aspecto que lo hace impracticable es la dificultad de disponer de información detallada para estimar los costos de las consecuencias de las fallas, muchas de las cuales, más que generar daños, afectan la calidad de vida de las personas. Una selección económica del periodo de retorno de diseño debiera abordarse y establecerse en la elaboración de planes maestros, o en el diseño de las redes principales, o primarias, de drenaje, en las cuales se seleccione para un sector urbano amplio valores de riesgo uniformes, y para las cuales las fallas pueden acarrear inundaciones y daños evaluables a nivel general. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 528 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS 4.6. PRESENTACIÓN DE PROYECTOS 4.6.1. Profesional responsable. Todo proyecto de obras alternativas de drenaje urbano debe ser desarrollado por un profesional responsable, quien lo presentará para su aprobación a la institución que corresponda. Los profesionales habilitados para proyectar infraestructura de aguas lluvias son los Ingenieros Civiles. Otros profesionales que pueden habilitarse para proyectos de aguas lluvias, como Arquitectos, Constructores Civiles y otros, deberán contar con la autorización de los servicios que aprueban los proyectos, o estar inscritos en registros especiales que se consideren para tal efecto, siempre que los caudales máximos del proyecto no sobrepasen los 50 litros por segundo, en cuyo caso el profesional responsable será un Ingeniero Civil. 4.6.2. Instituciones que aprueban los proyectos. Todo proyecto de obras alternativas de drenaje urbano debe ser aprobado para su ejecución por la Dirección de Obras de la Municipalidad en la cual se emplace la obra. Sin perjuicio de ello en algunos casos se requerirá la aprobación de otras instituciones. En particular deben considerarse las siguientes situaciones: Proyectos de pavimentación de calles públicas. Deben ser aprobados por el SERVIU. Proyectos que además incluyan la utilización de cauces naturales, canales, o el empleo de agua subterránea o superficial, deben ser consultados adicionalmente por la Dirección General de Aguas del Ministerio de Obras Públicas, o su oficina en Región. 4.6.3. Antecedentes que conforman el proyecto. Todo proyecto de obras alternativas de drenaje urbano debe contener los siguientes documentos y antecedentes: Carta de presentación Memoria Explicativa Certificados e Informes de Laboratorio Especificaciones Técnicas Generales y Especiales Cubicación y Presupuesto Planos Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 529 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS Además de lo anterior el Servicio, Dirección o la Municipalidad podrán solicitar otros antecedentes que se estimen necesarios. Los proyectos de drenaje urbano con obras alternativas que formen parte de un proyecto de pavimentación deberán ser presentados al SERVIU conteniendo por lo menos los antecedentes que se indican en el “Código de Normas y Especificaciones Técnicas de Obras de Pavimentación”, Publicación Nª291 de Julio de 1994 del Ministerio de Vivienda y Urbanismo. A esos antecedentes deben agregarse los específicos relativos a las obras de drenaje. a. Carta de Presentación. Esta carta se dirigirá a la autoridad que debe pronunciarse sobre la aprobación del proyecto, indicando la fecha de presentación, identificación del proyecto, del propietario y el profesional responsable. Se mencionará explícitamente el motivo de la presentación ( aprobación, autorización para construcción, información de antecedentes adicionales, antecedentes para archivo o lo que corresponda). Deberá indicar de manera sucinta los antecedentes que se acompañan. b. Memoria Explicativa. La Memoria Explicativa consiste en un informe ejecutivo de carácter técnico en el cual se resumen y exponen los principales aspectos del proyecto. Debe incluir los aspectos que se mencionan a continuación: Generalidades. Objetivos del proyecto y sus principales características, indicando al menos la siguiente información: Nombre o número que identifique el proyecto Región, Provincia, Comuna Urbanización o loteo Límites del terreno afectado que permita individualizarlo Propietario del terreno en el cual se realizarán las obras Profesional responsable del proyecto Fecha de presentación Listado de las obras consideradas y sus tamaños Código de identificación de cada una de las obras Destino de las aguas lluvias drenadas Destino de las aguas lluvias rebasadas o no aceptadas por las obras Antecedentes. Describir de manera simple y objetiva los antecedentes que se consideran para el diseño y dimensionamiento de los elementos de drenaje, con especial indicación de las cantidades consideradas. En particular deben indicarse los siguientes: Cuadro del tipo de superficies drenadas aportantes a la obra, indicando áreas de cada una y coeficientes de escorrentía considerados. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 530 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS Periodo de retorno de diseño adoptado y su justificación. Lluvia de 24 horas y 10 años de periodo de retorno en el lugar. Para obras de infiltración: Capacidad de infiltración de diseño Profundidad del nivel del agua subterránea Para obras de almacenamiento: Capacidad de descarga hacia aguas abajo Destino inmediato de las descargas normales Estudio Hidrológico. El estudio hidrológico debe justificar los caudales y volúmenes considerados para el diseño de las obras, indicando los valores de precipitaciones, coeficientes de escorrentía, coeficientes de duración y de frecuencia empleados. Debe señalar claramente los caudales de diseño de los principales elementos de la obra, y los volúmenes de regulación determinados. Dimensionamiento hidráulico. Debe indicarse el tipo de solución adoptado revisando las condiciones de factibilidad, el procedimiento empleado para dimensionar los principales elementos que forman la obra de drenaje y sus dimensiones. Estructural. Justificación de cálculos estructurales, incluyendo bases de cálculo, determinación de cargas de diseño, estructuración de elementos principales y enfierraduras. Si corresponde agregar memoria de cálculo para piezas estructurales importantes. Detalles. Señalar los procedimientos de cálculo para diseñar las obras complementarias, e indicar las dimensiones que ellas adoptan. Considerar los elementos de paisajismo, vegetación y riego necesarios para completar el proyecto. c.- Certificados, Informes y Ensayos de Laboratorio. Deben acompañarse los informes de laboratorio o certificados que avalan algunas de las decisiones adoptadas. Entre estos se consideran: Autorización del propietarios del terreno si se trata de un particular. Autorización Municipal para el caso de uso de áreas verdes o bienes de uso público. Si el agua a infiltrar o almacenar proviene de urbanizaciones consolidadas y no directamente desde techos u otras superficies normalmente limpias, incluir un certificado de análisis de un laboratorio autorizado indicando que cumple con la Norma Nch 1333 Calidad del Agua para Diferentes Usos, en relación a usos recreacionales. Para obras de infiltración: Informe de laboratorio con los resultados de ensayos de infiltración con indicación de la capacidad de infiltración del suelo. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 531 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS Informe de la Dirección General de Aguas, o de su oficina en Región, o de un laboratorio autorizado, indicando la profundidad máxima estacional del nivel de agua subterránea. Para el caso de pozos de infiltración, autorización de la DGA para infiltrar aguas lluvias en ese lugar mediante la obra propuesta. Para pavimentos porosos, informe técnico de un laboratorio autorizado indicando que el suelo está en condiciones de recibir agua sin afectar su capacidad de soporte. Para obras de regulación: Si la obra emplea para su operación recursos de agua de cauces naturales o artificiales que pertenecen a terceros, autorización para su empleo de parte del titular de los derechos de agua y la asociación de canalistas correspondiente. Si la obra de regulación intercepta la napa de agua subterránea debe contarse con la autorización de la Dirección General de Aguas, o de su Oficina en región. d. Especificaciones Técnicas Especiales. Las obras se ejecutarán de acuerdo a lo establecido en las Especificaciones Técnicas Generales y los aspectos que se señalan en esta Guía. Además para cada obra en particular se elaborará un conjunto de Especificaciones Técnicas Especiales que complementan y aclaran las Generales en todos los aspectos que sea necesario agregar, o modificar para lograr una adecuada ejecución de las obras. Las siguientes partidas deben ser especificadas en detalle: Replanteo. Indicar el sistema de coordenadas adoptado, su orientación y punto de origen. Indicar el sistema de cotas empleado, así como los detalles del PR describiendo su ubicación y cota con detalle de milímetros. Movimiento de tierras. Para las excavaciones indicar espesores mínimos de limpieza y descepe si es necesario. Indicar las necesidades de mantener y/o respetar especies vegetales o de realizar destronques. Definir el destino de los sobrantes y el origen aceptable para los empréstitos. Materiales de relleno. Para el relleno de elementos de almacenamiento, como zanjas, pozos, bases de pavimentos porosos o celulares, indicar el tamaño mínimo, medio y máximo de los materiales, tipo y calidad de ellos, las necesidades de ensayos para su aceptación, las condiciones específicas de rechazo, y el grado de compactación. Mencionar si es necesario algún procedimiento de colocación especial. Obras de captación y descarga. Indicar calidad de los materiales, grado de compactación de lo suelos de soporte, especificar las capas drenantes y filtros, barbacanas y emplantillados. Tamaño de enrocados y procedimientos de Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 532 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS colocación. Niveles de los umbrales, fondos y su precisión aceptable. Colocación de insertos para afirmar elementos de acero, calidad de mecanismos, tubos, rejas y compuertas. Obras anexas. Indicar especificaciones de niveles, referencias, y precisión para cotas de umbrales, llegadas y salidas en tubo. Calidad del suelo de soporto y grado de compactación, inclinación de taludes definitivos y de excavaciones temporales. Calidad de los materiales y ensayos necesarios para su aceptación. Obras complementarias. Especificar el tipo de vegetación, tamaños y forma de plantación si se considera en el proyecto. Tipo de semilla para la siembra de césped, así como su aceptación. Sistema de riego, elementos en cantidad y calidad. Especificar elementos de ornato y para otros usos si forman parte del proyecto. e. Cubicación y Presupuesto. El presupuesto indicará las cantidades de obras de cada una de las partidas consultadas en el proyecto, expresadas en las unidades correspondientes de medida, los precios unitarios estimativas de cada partida, los costos parciales y el costo total o presupuesto de las obras. Indicar si los precios considerados incluyen IVA, gastos generales, imprevistos y utilidades. EN el caso de obras con financiamiento público, los precios unitarios de cada partida serán los que establezca la institución que aprueba el proyecto. f. Planos. Constituyen la expresión gráfica del proyecto y entregan los elementos necesarios para su construcción. Están formados por una o más láminas, de acuerdo al tamaño del proyecto y el criterio del proyectista. Se recomienda que sus dimensiones sean en formatos A0, A1, A2 o A4. Cada plano se identifica con una viñeta tipo que contiene la siguiente información: Código que identifique el proyecto Ubicación: Región, Provincia, Comuna, loteo o grupo habitacional. Propietario Profesional responsable: nombre y título completo, sin abreviaturas. Fecha Contenido de la lámina y escalas Número de orden en el total de láminas Identificación de la institución que aprueba el proyecto La Municipalidad, Dirección o Servicio que debe aprobar el proyecto podrá proponer una viñeta especial y su contenido. Dependiendo del tamaño del proyecto los planos que se indican a continuación podrán presentarse en una o más láminas. Plano de ubicación. Debe indicar el emplazamiento de las obras con indicación de los límites de la zona drenada. Ubicar las obras en relación al Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 533 4.5. SELECCIÓN Y USO DE LAS OBRAS sector y sus principales accesos. Mostrar la red de drenaje hacia aguas abajo hasta su descarga definitiva si se trata de una obra de almacenamiento. Dibujar a una escala adecuada al tamaño del proyecto. Plano de planta. Contendrá una relación de la obra y sus principales elementos. Incluirá las referencias de ubicación en planta y altura para emplazar cada uno de los elementos de al obra de acuerdo al proyecto. En especial deben considerarse los siguientes aspectos: Individualización de la zona servida o drenada hacia el proyecto, con indicación de los límites de cada uno de los tipos de suelos o superficies comprometidas, en su condición previa o natural si es necesario y urbanizado o totalmente desarrollada. Curvas de nivel que indiquen la forma del drenaje, natural o modificado, hacia la obra. Elementos considerados para encauzar los caudales drenados hacia la obra si se consideran en el proyecto. Red de drenaje hacia la cual la obra descarga, si se trata de una obra de almacenamiento o los rebases y caudales no aceptados en otros casos. Indicación de ubicación, coordenadas y cota, de al menos un referencia para el emplazamiento de la obra de acuerdo al proyecto. punto de Ubicación en planta de los principales elementos de la obra referidos a puntos de referencia topográficos. Perfiles longitudinales. Estos considerarán los perfiles según el recorrido del flujo, con indicación de las distancias y cotas de los elementos que conforman el funcionamiento hidráulico de la obra, de manera que queden emplazados tanto en planta como en elevación de acuerdo a los requerimientos del proyecto. Elementos principales. Planta, perfiles y detalles necesarios para materializar los elementos que conforman la obra. Indicación de espesores, fundaciones, materiales, elementos estructurales, terminaciones, líneas de excavación y relleno. Detalles y obras complementarias. Incluir todos los detalles necesarios para completar el proyecto en su conjunto, considerando incluso los usos alternativos o secundarios considerados. Poner especial atención a los aspectos de paisaje y adecuación al entorno. Indicar tipo y ubicación de plantas, zonas con vegetación, sistemas de riego, accesos permanentes y demás detalles necesarios. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. 534