06a Criterios para el diseño de pequeñas obras hidráulicas

CRITERIOS GENERALES PARA EL DISEÑO DE PEQUEÑAS OBRAS
HIDRÁULICAS PARA RIEGO Y ABREVADERO
R. Eduardo Arteaga Tovar
INTRODUCCION
Los bordos de almacenamiento se pueden construir atendiendo a solicitudes de
campesinos de diversas regiones del País; particularmente en las zonas áridas y semiáridas, donde la disponibilidad del agua es crítica por la baja precipitación pluvial.
Para cumplir con el objetivo del servicio social que debe tener un programa de
este tipo, como primera etapa se debe determinar donde deben construirse esas
pequeñas obras de captación o derivación de corrientes, después de seleccionarlas de
acuerdo con sus características económicas y sociales. En seguida se formula el
programa propiamente dicho, que especifica el número de obras, los lugares en donde
deben construirse, los beneficios que reportarán a la zona y el monto de la inversión.
Al establecer un programa de este tipo se busca que estas inversiones resulten
económicas, reuniendo las características de estabilidad mínima en las obras, para
garantizar su seguridad y correcto funcionamiento, una vez terminadas.
En relación a lo anteriormente expuesto, en el presente trabajo se discuten parte
de las posibilidades que se presentan en la práctica, al elaborar proyectos de pequeñas
obras para usos múltiples: riego de auxilio a cultivos de temporal, abrevadero para el
ganado y agua para el uso doméstico de los campesinos que habitan cerca de la obra.
Las normas que se dan a conocer tienen el objetivo de facilitar y hacer breve el
trabajo de los ingenieros de campo, son una guía de carácter práctico para resolver los
diversos problemas que suelen presentarse.
Se enfoca principalmente el problema de los pequeños almacenamientos por
medio de la construcción de bordos de tierra compactada, o bien de pequeños diques
de mampostería.
La justificación de un pequeño proyecto: queda establecida por tres criterios de
singular importancia que son: 1) altura del dique de contención, 2) almacenamiento
posible y 3) economía de la obra.
La altura del dique es importante porque se ha encontrado que se puede
construir un bordo de tierra compactada de sección homogénea hasta de 12 metros de
altura con sección económica; en cambio para alturas mayores se requieren secciones
mixtas o de materiales graduados que encarecen la construcción.
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Con respecto al almacenamiento, se tiene la experiencia de que volúmenes entre
100,000 y 250, 000 m3, permiten un fácil manejo por parte de los usuarios, ya que no se
requieren grandes canales de conducción y a su vez, pueden eliminarse conducciones
muy largas. En el caso de las derivaciones, esta alternativa debe evaluarse con un
criterio semejante.
Si las condiciones anteriores se satisfacen, el proyecto será económico, tanto en
su construcción como en su manejo útil sobre todo para riego de auxilio a pequeñas
áreas de cultivo. Tratando de aprovechar los escurrimientos torrenciales, con una
operación adecuada puede suceder que el bordo se llene hasta en varias ocasiones en
el mismo año.
Los almacenamientos para abrevadero deben contener siempre volúmenes más
pequeños que los anotados y su construcción debe proyectarse para que sea lo más
económico posible.
Los lineamientos generales para la elaboración de pequeñas obras para riego y
abrevadero, que se presentan en la secuela establecida en los párrafos siguientes,
están basados en la práctica universal, en los conocimientos más comunes de la
Ingeniería y en la experiencia de programas desarrollados durante diferentes etapas
desde los años 50’s, hasta fines de los 70’s.
I. RECONOCIMIENTO DEL SITIO
Consiste en localizar el lugar probable para la construcción de una obra. Se
recaba con los habitantes, el mayor número de datos referentes a la época de lluvias,
magnitud aproximada de escurrimientos de las corrientes por aprovechar, caminos de
acceso, localización de probables bancos de materiales, posibles afectaciones de
propiedad y sus formas viables de resolución, aspectos legales de la obra y beneficios
de la misma, etc.
De acuerdo con estos datos y los observados por el ingeniero, deberá
determinarse en forma aproximada el sitio probable de la boquilla, su longitud,
capacidad supuesta del vaso, tipo de estructura más adecuado, localización de la zona
de riego dominada por la obra y verificación de los datos proporcionados por las
personas del lugar. Deberá dibujarse un croquis que indique el sitio de la obra, zona de
riego, cultivos, vías de comunicación, localización de bancos de materiales y cualquier
otro dato útil para el proyecto.
II. ESTUDIOS
1. ESTUDIOS TOPOGRÁFICOS
a). Levantamiento de la cuenca. El levantamiento de la cuenca se hace para
determinar su superficie y la forma de concentración de las aguas. estos datos son la
base para el estudio hidrológico del proyecto.
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Para el levantamiento es necesario ubicar primero el parte-aguas, haciendo un
recorrido del mismo y dejando señales en lugares adecuados que servirán de referencia
para los trabajos posteriores. Una vez localizado el parte-aguas, se correrá una
poligonal con plancheta en toda su longitud, debiendo verificar su cierre. Se trazarán las
poligonales auxiliares necesarias, ligadas a la perimetral, para localizar los cauces
principales que determinen la forma de concentración y pendientes generales de la
cuenca.
La configuración se puede hacer mediante la plancheta o usando poligonales de
apoyo, trazadas con tránsito y estadía, que permiten obtener curvas de nivel con 2, 5 o
10 m de equidistancia, según la magnitud de la cuenca.
Otros procedimientos para el levantamiento de las cuencas pueden ser con
tránsito y estadía que es semejante al anterior o bien, por triangulación con plancheta.
La precisión de estos levantamientos no debe ser mayor de 1:100 y los cierres en las
poligonales de apoyo 1:500.
En casos de cuencas muy extensas se podrá obtener el área y forma de los
escurrimientos de un mapa cartográfico de una buena carta hidrográfica, cuya escala
no sea muy grande.
b). Levantamiento de vasos para almacenamiento. Estos trabajos sirven para
determinar la capacidad y el área inundada a diferentes alturas de cortina y para
estimar las pérdidas por evaporación. Antes de iniciar el levantamiento topográfico,
deberá hacerse un reconocimiento ocular cuidadoso del vaso, localizando puntos de
referencia que faciliten el trabajo.
A partir de la margen izquierda del arroyo o río se localizará el eje probable de la
cortina, monumentando sus extremos. Apoyándose en esta línea, que será la base de
todos los trabajos topográficos subsecuentes, se iniciará el levantamiento del vaso en la
forma que sigue:
Partiendo de uno de los extremos del eje de la cortina, previamente orientado en
forma astronómica o magnética, se llevará una poligonal con tránsito y estadía,
siguiendo aproximadamente la cota del nivel del embalse probable, hasta cerrar la
poligonal en el punto de origen. Apoyándose en esta poligonal, se trazarán poligonales
auxiliares a lo largo del cauce o cauces de los ríos y las necesarias para el trabajo de
configuración, nivelándose estas poligonales con nivel.
La configuraci6n se hará de preferencia con plancheta o bien con estadía,
apoyándose en las poligonales previamente trazadas. Simultáneamente con la
configuración, se hará el levantamiento catastral para determinar las superficies de las
propiedades inundadas por el vaso.
Los planos deberán dibujarse a una escala conveniente y la equidistancia de las
curvas de nivel deberá fijarse de acuerdo con la topografía del vaso, por lo general a un
metro de desnivel; en caso de terrenos muy accidentados podrá ser de dos metros. Se
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cubicará la capacidad del vaso, aplicando el procedimiento de las áreas medias,
obtenidas con planímetro. Se construirá con estos datos la curva de áreas-capacidades,
la cual deberá dibujarse en el plano. Se incluirá en este, el perfil de la boquilla,
indicando sus elevaciones.
c). Levantamiento de la boquilla. Localizado el eje probable de la cortina, se
trazará en el terreno, utilizando tránsito y cinta, estacando cada 20 metros o menos, de
acuerdo con la pendiente e inflexiones del terreno y se nivelará con nivel fijo.
Apoyándose en este eje y empezando en la margen izquierda para la configuración, se
obtendrán secciones transversales de una longitud por lo menos de cinco veces la
altura probable de la cortina, tanto aguas arriba como aguas abajo del eje, con objeto
de tener topografía suficiente en caso de que sea necesario mover el eje en el proyecto
definitivo.
En los casos en que por las condiciones topográficas el canal de descarga de la
obra de excedencias pueda quedar fuera de la zona anteriormente indicada, se
prolongarán las secciones transversales hacia aguas abajo, tanto como sea necesario
para obtener la topografía que permita efectuar el proyecto total de la estructura. El
plano de la boquilla se hará por separado a una escala tal que permita formarse una
idea exacta de la topografía para seleccionar el eje más conveniente y localizar las
diferentes estructuras.
Por separado debe elaborarse un plano de secciones transversales que facilite la
cubicación de los materiales de la cortina y la formación de la curva masa respectiva.
d). Levantamiento de la zona de riego. A partir del eje de la obra de toma,
señalado por medio del cadenamiento en el eje de la cortina, se llevará una poligonal
que circunde la parte más alta del área de riego probable. Esta poligonal deberá
cerrarse en el punto de partida para que analíticamente se determine la superficie real.
El plano se dibujará a una escala de 1: 1000, señalando los linderos de propiedades
existentes, apoyándose en poligonales auxiliares si fuese necesario.
e). Localización y trazo de canales. Se puede aprovechar la poligonal del
levantamiento de la zona de riego para localizar sobre ella el trazo de canales,
respetando los linderos de propiedades existentes, para evitar problemas legales. Los
canales secundarios, en caso de que sean necesarios, pueden trazarse por las partes
más altas de acuerdo con la topografía, para facilitar la localización de las tomas, o
bien, de acuerdo con los linderos de propiedad, según ya se indicó.
Los puntos de inflexión deben unirse mediante curvas circulares simples, con
grados de curvatura no menores de 12; anotándose en el plano todos los datos de las
mismas.
Una vez que el eje definitivo se tenga estacado cada 20 metros, se nivelarán
todas las estacas con nivel fijo. Sobre esta nivelación, para obtener las cotas del terreno
natural, se trazarán secciones transversales con nivel de mano para el proyecto del
canal.
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El plano a escala de 1:1000 deberá contener el trazo en planta, el perfil del
terreno, el perfil de la rasante de proyecto y los datos de cortes y volúmenes de
excavación, parcial, por estación y acumulados. Debe recordarse que para que el canal
pueda regar, el nivel libre del agua deber ir unos 20 centímetros por encima del nivel
natural del terreno por beneficiar, condición ésta que influencia la pendiente que se
pueda dar al canal y su trazo. En el caso de canales de conducción, el canal puede ir
totalmente enterrado.
f). Levantamiento de sitios para derivación. Habrá casos en que un vaso no
tenga cuenca propia y será necesario alimentarlo mediante un canal que conduzca el
agua de otra cuenca, o bien en otras ocasiones el aprovechamiento se hará
directamente de un arroyo de aguas permanentes o de un manantial, sin previo
almacenamiento. En ambos casos, será necesario construir obras de derivación para lo
cual es indispensable hacer el levantamiento topográfico de la zona elegida.
Para lo anterior, se empezará por colocar un monumento en la margen izquierda
y otro en la derecha que definan un eje de apoyo iniciando el cadenamiento en la
margen izquierda, se hará el estacado y nivelación del mismo eje que servirá de base
para las secciones correspondientes, para el trazo de poligonales auxiliares y para
efectuar la liga con el eje del canal de conducción, o de riego. El dibujo en planta,
servirá como base para ejecutar el proyecto de la obra.
2. ESTUDIOS GEOLÓGICOS
Desde el punto de vista geológico, en estas obras las características de mayor
interés para el proyecto y construcción de las estructuras, son la capacidad de carga del
terreno de la cimentación, el grado de impermeabilidad del mismo y el efecto de la
humedad sobre los estratos de cimentación, por lo que abarcará los siguientes
aspectos:
a). Vasos de almacenamiento. Deberán identificarse las formaciones de rocas
que aparezcan en el vaso (ígneas, sedimentarias o metamórficas) y de ser posible las
relaciones que existan entre ellas. Deberán observarse con todo cuidado los
recubrimientos de aluvión, de acarreos, los ocasionados por derrumbes e investigar
toda clase de plegamientos (anticlinales y sinclinales) anotando la dirección del eje de
los mismos y examinando particularmente las fallas, de las cuales se debe apreciar su
dirección y echado.
Se pondrá especial cuidado en observar la presencia de rocas solubles, yeso,
calizas, etc., anotando la extensión y lugar que ocupan en el vaso. Además deberá
observarse todo indicio de fallas o agrietamientos que perjudiquen la permeabilidad del
vaso y que puedan producir una disminución acentuada del almacenamiento,
considerando que al existir carga hidrostática en el embalse, resulta más fácil producir
vías de agua que posteriormente tengan solución más práctica.
b). Boquilla. Se observarán las grietas en la roca, determinando su anchura,
profundidad y condición del substrato, examinando si la masa está dividida en bloques
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o si se trata de roca maciza, tan solo intemperizada superficialmente, para lo cual se
harán las exploraciones que sean necesarias, mediante pozos a cielo abierto, tanto en
el fondo del cauce, como en las laderas.
Cuando exista material de acarreo en el cauce, deberá sondearse en varios
puntos del mismo, para determinar el espesor y condición del citado material. Si la
boquilla de mejor configuración topográfica, no presenta condiciones geológicas
favorables, deberá elegirse algún otro sitio, que aunque no reúna las mejores
condiciones topográficas, pueda aceptarse desde el punto de vista geológico.
En vista de la configuración del terreno y las condiciones geológicas debe
sugerirse la localización de la obra de excedencias, observando si el canal de descarga
necesita o no revestimiento, tomando en cuenta el poder erosivo que adquiere el agua
al estar funcionando la estructura y la resistencia al desgaste que ofrezca el material
descubierto.
La obra de toma procurará localizarse de modo que la zanja en que se aloja la
tubería, no tenga una fuerte excavación en roca.
El sitio de los sondeos se indicará en un plano de la planta de la boquilla,
referenciados al eje y con los datos obtenidos se construirá su perfil geológico. Se
señalará además la posición de los bancos de préstamo.
c). Sitios para derivación. Deberán observarse las condiciones del sitio para
determinar si en el cauce hay acarreo, en cuyo caso deberá sondearse para verificar su
espesor y los tipos de materiales, de modo que se puedan definir condiciones de
desplante, subpresión y otras que afecten el diseño de las cimentaciones de las
estructuras.
d). Canales. Deben sugerirse los trazos más económicos, evitando cortes en
roca o diseños en balcón, hasta donde sea posible. Cuando así se requiera, se deben
clasificar provisionalmente las rocas en el trazo probable y anotar las clases de roca y
estado de ellas en los lugares probables en que se haga necesaria la construcción de
estructuras. Se evitará que el trazo del canal cruce mantos permeables.
e). Muestras. Siempre que se requiera estudiar más detenidamente las
condiciones naturales del proyecto, deberán obtenerse muestras de las diferentes
clases de rocas que puedan emplearse como materiales para la construcción o como
bases para el desplante de estructuras.
La muestra de roca debe tomarse de la zona alejada del intemperismo, es decir,
de una zona que no haya sufrido alteración o desomposici6n de sus elementos
constitutivos.
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3. ESTUDIOS HIDROLÓGICOS.
Se obtendrá el mayor número posible de datos hidrológicos que permitan definir
el régimen de la corriente por aprovechar, el cálculo del almacenamiento económico
factible y la determinación de las condiciones de la avenida máxima.
a). Precipitación. Se recabarán los datos de precipitación pluvial que se tengan
en las estaciones pluviométricas existentes en el área de la cuenca o cercanas a ella, a
fin de poder emplear el método de Thiessen o el de las curvas isoyetas, para
determinar la precipitación promedio en la cuenca.
b). Forma de concentración de las aguas. Las aguas se concentran en las
cuencas de tres maneras: avanzada, media o retardada, según sea la inclinación de los
terrenos y la forma de la cuenca, desde su nacimiento hasta el sitio considerado. La
concentración se presenta en forma avanzada, casi siempre, cuando el terreno tiene
fuertes pendientes y en forma retardada, cuando la cuenca presenta terrenos
sensiblemente planos.
c). Coeficiente de escurrimiento. De acuerdo con el examen que se haga de la
cuenca tomando en consideración las pendientes principales, la forma de concentración
de las aguas, la cubierta vegetal existente, la permeabilidad de los terrenos y algunos
otros datos de interés, se podrá determinar en el campo, el coeficiente de escurrimiento
que deba adaptarse en cada caso particular, bien sea deducido prácticamente, o por
comparación de cuencas que guarden semejanzas con la que se estudia. En el caso de
la falta absoluta de datos, se tomará, de acuerdo con las prácticas hidrológicas
habituales (S. R. H.), un coeficiente de 0.12.
d). Volumen aprovechable de almacenamiento. De acuerdo con el área de la
cuenca, la precipitación y el coeficiente de escurrimiento, se calculará el volumen total
escurrido anualmente y se considerará el 30% de éste, como volumen máximo
aprovechable para almacenamiento.
e). Estimación de la avenida máxima. El método que se use dependerá de los
siguientes factores:
1. Disponibilidad de datos hidrométricos en o cerca del sitio de la obra.
2. Dimensiones del proyecto y magnitud de los daños que ocasionaría el fracaso
de la obra.
Considerando los factores enunciados, se presentan los siguientes casos para el
proyecto de obras de excedencias en los bordos:
1. Bordos que almacenan menos de 250,000 m3 sin construcciones ni cultivos
aguas abajo. La capacidad de la obra de excedencias en este caso puede
estimarse por simple inspección de las huellas de aguas máximas en el cauce,
en puentes, alcantarillas o en sitios donde la observación sea fácil y
perfectamente delimitada. Se comparará el caudal así determinado, con el que
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se obtenga al tomar un 25% del calculado por medio de la fórmula de Creager,
que se expone más adelante. Este caudal máximo será definitivo si no se
dispone de otros elementos de juicio. En caso de poderse obtener los dos
valores, el obtenido en el campo representa en forma más fidedigna las
condiciones de avenida máxima salvo en caso de estimaciones muy
discutibles, quedando a criterio y responsabilidad del ingeniero la elección
final.
2. Bordos que almacenan menos de 250,000 m3 con construcciones y cultivos
aguas abajo. Para la determinación de la avenida máxima en este caso, puede
usarse el método de sección y pendiente, eligiendo un tramo recto del cauce
de 200 m de longitud aproximadamente, donde puedan obtenerse las
secciones hasta las huellas de aguas máximas. Como en el caso anterior,
compárese el valor obtenido con el que se obtenga al tomar el 50% del
calculado por la fórmula de Creager. Las observaciones antes asentadas,
también son aplicables a este caso.
3. Bordos que almacenan más de 250,000 m3 sin construcciones ni cultivos
inmediatamente aguas abajo. En este caso debe usarse preferentemente el
procedimiento de las envolventes de las cuencas hidrográficas, estimando el
gasto unitario de acuerdo con la superficie de la cuenca. Se tomará el 75% del
caudal así determinado, o se aplicará este mismo porcentaje a la
determinación por medio de la fórmula de Creager.
4. Bordos que almacenan más de 250,000 m3 con construcciones y cultivos
inmediatamente aguas abajo. En este caso se preferirá ante todo, contar con
los datos hidrométricos suficientes para la estimación de la avenida máxima.
En caso de no tenerlos, se usará el procedimiento de las envolventes de las
cuencas hidrográficas o de no contarse con ellas, puede aplicarse la fórmula
de Creager para la "Envolvente Mundial" de escurrimientos, que es la
siguiente:
 A 
Q = C
 2.59 
0.936A −0.048
En la que:
Q = Gastos de la avenida máxima en m3/s
C = 70 (envolvente para la República Mexicana).
A = Area de la cuenca en Km2.
En este caso, se tomará el caudal en su totalidad, o entre el 75 y 100 % de él, de
acuerdo con los daños que el desbordamiento y paso de la avenida máxima puedan
originar, a juicio del ingeniero.
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4. ESTUDIOS DE MECÁNICA DE SUELOS
Uno de los factores más importantes que determina la posibilidad de
construcción de un bordo, es la existencia de material adecuado y en suficiente
cantidad para abastecer el volumen de terracería necesario en la obra. En
consecuencia, debe determinarse con la mayor aproximación que sea posible, la
capacidad de los bancos de préstamo que sean susceptibles de explotación, ubicados a
distancias económicas de acarreos y siempre que sea posible, fuera del vaso.
Teniendo delimitados topográficamente los bancos de préstamo, de acuerdo con
el instructivo al respecto, se tomarán las muestras necesarias para su análisis en el
laboratorio de mecánica de suelos. Las muestras serán del tipo alterado para el caso de
bancos de préstamo, e inalteradas para determinar las características de la cimentación
o las condiciones de un bordo existente, cuando se trate de sobre elevación de éste se
formará un plano con la caracterización de las bancos de préstamo, indicando su
potencialidad y referenciados respecto al eje de la cortina, datos que también pueden
incluirse en el plano topográfico de configuración del vaso o de la boquilla, según las
circunstancias de sus características de productividad, a simple vista o mediante
perforaciones con barreno de suelos o pozos a cielo abierto, que permitan tener una
idea de la calidad de los suelos, tomando como factores determinantes: el carácter del
suelo, la topografía, el drenaje y la presencia de álcalis; eventualmente pueden tomarse
en cuenta otros factores, como el viento, inundaciones, erosión, etc.
III. DISEÑO
De acuerdo con los datos obtenidos en los estudios antes citados, se procederá
a efectuar el diseño de cada una de las estructuras integrantes de la obra, pudiendo
servir como guía, las siguientes normas generales:
a). Cortina. Para pequeños almacenamientos, se emplean preferentemente
cortinas de tierra compactada por adaptarse en la mayoría de los casos a las
condiciones topográficas de la boquilla, por su relativo bajo costo, abundancia de
materiales a distancias cortas de acarreo, flexibilidad estructural, empleo de mínimo
equipo de construcción, fácil conservación, etc.
Como una guía para el ante-proyecto de una cortina de este tipo, la experiencia ha
demostrado que pueden emplearse en condiciones normales y de acuerdo con su
altura, las siguientes secciones dentro de los límites seguros, establecidos desde el
punto de vista de estabilidad:
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Fig. 1. Recomendaciones de secciones en bordos de almacenamiento
Dichos estudios producirán además, las instrucciones precisas que deberán regir
durante la construcción de los bordos, tales como bancos de préstamo elegidos, peso
volumétrico seco mínimo, grado de humedad óptima, número de pasadas para una
capa de espesor determinado con el equipo de compactación recomendado por los
análisis que se efectuaron. Para este tipo de estudios se requiere el envío de las
muestras necesarias al laboratorio de mecánica de suelos correspondiente, quien las
procesará y enviará los resultados al departamento técnico encargado de su
interpretación.
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Fig. 2. Perfiles de bordos de almacenamiento de secciones recomendadas.
Cuando las condiciones topográficas, geológicas, hidrológicas, no lo permitan o
las limitaciones de materiales hagan prohibitivo el empleo de una cortina de tierra,
podrá recurrirse a las secciones de tipo mixto, formadas por un corazón impermeable
de tierra y espaldones de enrocamiento, o bien, secciones de gravedad a base de
mampostería o concreto. Ambos casos quedarán sujetos a la existencia de los
materiales necesarios y a estudios más severos, bajo la supervisión de los
departamentos técnicos respectivos.
Fig. 3. Perspectiva de un bordo de almacenamiento.
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Para cortinas de mampostería, en la práctica se ha encontrado que en
condiciones normales y hasta 12.00 m de altura, pueden adoptarse como guía de
anteproyecto, las siguientes características para la sección que se proponga: Corona de
2.00 m de ancho; paramento vertical aguas abajo de 2.50 m de altura y de este punto
paramento inclinado aguas abajo con talud de 0.75:1; paramento vertical aguas arriba
de 5.00 m de altura y de este punto paramento inclinado aguas arriba con talud de
0.15:1.
Toda cortina deberá considerarse desplantada, en terreno resistente e
impermeable, ligándose perfectamente tanto en la zona del cauce como en las laderas,
basándose en los sondeos practicados sobre el eje de la cortina. En caso de que la
cimentación sea permeable, se proyectarán dentellones o trincheras de material
impermeable con profundidad suficiente para llegar al nivel del estrato impermeable.
Cuando por su profundidad sea antieconómico llevar los dentellones o trincheras
hasta el estrato impermeable, deberá efectuarse un estudio muy cuidadoso sobre la
filtración y determinar su importancia de acuerdo con el volumen de almacenamiento,
para su revisión posterior en los departamentos respectivos quienes, en último termino,
dictaminarán acerca de la solución más adecuada. Las cortinas de tierra deberán
protegerse en sus taludes, siempre que la economía lo permita, con una capa de
zampeado seco en el talud aguas arriba, para preservarlas del oleaje, y cuando menos
con pasto en el talud aguas abajo. En determinados casos, para su conservación, la
corona podrá revestirse en toda su longitud con algún material resistente.
b). Obra de excedencias. Teniendo en cuenta que las fallas ocurridas
mundialmente en presas de tierra se han debido de manera especial a la insuficiencia
del vertedor de demasías, se tendrá especial cuidado en su diseño, basando los
cálculos en datos obtenidos de la avenida máxima observada.
La estructura queda anclada al terreno natural, alojándose en cualquiera de las
laderas o en un puerto natural, pero jamás en el cuerpo de la cortina. Se emplearán
para ello dentellones de anclaje, de mampostería, cuya profundidad en ningún caso
podrá ser menor de 1.00 m y espesor mínimo de 0.40 m. En los extremos de la cresta
vertedora se colocarán muros de cabeza, debidamente anclados al terraplén por medio
de dentellones laterales, cuya longitud mínima será de 1.50 m.
La elevación de la cresta vertedora se fijará considerando la carga de trabajo a
su máxima capacidad, adicionada de un bordo libre que nunca será menor a 0.75 m, el
que podrá aumentarse de acuerdo con la importancia de la altura fijada a la cortina y la
longitud del "fetch", cuando haya peligro de oleaje.
La zona de descarga al pie del vertedor quedará debidamente protegida cuando
menos con un zampeado. Se procurará que en el canal de descarga se controle el
escurrimiento, encauzándolo debidamente y regulando la pendiente, pudiendo hacerse
uso en casos especiales de estructuras disipadoras.
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Fig. 4. Vertedor tipo lavadero en bordo de almacenamiento.
De las condiciones topográficas y geológicas de la zona donde se alojará la obra
de excedencias o vertedor de demasías, y del carácter del régimen de la corriente
aprovechada, de la importancia de la obra, de los cultivos o construcciones localizadas
aguas abajo, materiales y presupuesto disponible, dependerá el tipo de vertedor
empleado que puede ser cimacio, cimacio Creager, abanico, descarga lateral, de
lavadero o simple canalón, para los casos de menor exigencia.
Cuando el vertedor sea del tipo de cimacio con perfil Creager, sus coordenadas
se calcularán con la carga máxima, que nunca se considerará inferior a 1.00 m, aunque
esta dimensión calculada de acuerdo con la avenida máxima sea menor. Para el cálculo
de la longitud de la cresta vertedora, por medio de la fórmula de Francis, se tomará un
coeficiente de descarga C=2 m1/2/s. La altura mínima del vertedor sobre el nivel del piso
será de 0.80 m.
Las condiciones restrictivas tan severas, que se señalan para la obra de
excedencias en bordos de tierra, podrán modificarse a juicio del ingeniero, cuando se
trate de estructuras de este tipo en presas de gravedad o derivadoras.
c). Obra de toma. El conducto de la obra se iniciará en un muro de cabeza, este,
generalmente de mampostería, cimentado sobre terreno firme. El paramento aguas
arriba será vertical, los laterales y el de aguas abajo serán inclinados y deberán
garantizar su estabilidad.
La operación de la torna se hará por medio de una compuerta deslizante
accionada por un mecanismo elevador, el cual se instalará sobre una ménsula de
concreto reforzado anclada al muro de cabeza, o bien, sobre viguetas empotradas en la
mampostería del mismo muro. Delante de la compuerta, sobre la mampostería, se
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dejarán muescas especiales para colocar agujas de madera en caso de descompostura
de la compuerta. El acceso al mecanismo elevador se recomienda se haga mediante un
pedraplén colocado a mano.
Fig. 5. Obra de Toma en Bordo de almacenamiento
El conducto será de concreto reforzado, precolado o colado en el lugar de la
obra, con diámetro mínimo de 0.61 m, alojado preferentemente en una zanja abierta en
el terreno natural, para evitar asentamientos y provisto de dentellones de concreto, con
espaciamiento y dimensiones necesarias de acuerdo con la longitud mínima del
recorrido de filtración dada por la fórmula de Bligh o por la de Lane. La descarga del
conducto de la obra de toma se hará en una caja de mampostería con altura necesaria
para evitar el derramamiento del agua y de ella saldrá el canal o canales de riego. La
descarga también se podrá hacer mediante transición reglada, ligando directamente el
conducto con el canal de riego.
En aquellos casos en que por carencia de piedra no sea económico construir la
obra de toma de mampostería, se hará con una torre de concreto reforzado, provista de
escotaduras para agujas y compuerta deslizante o bien, con dos compuertas, una de
emergencia y otra de servicio. La sección interior de la torre tendrá como mínimo 1.00
m de cada lado, cuadrada, e interiormente se colocará una escala marina para permitir
su inspección.
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Para bordos pequeños hasta de 5.50 m de altura, generalmente para fines
auxiliares, usos domésticos y abrevadero, se puede diseñar la obra de toma con rejilla
de protección aguas arriba, tubería de asbesto cemento con diámetro máximo de hasta
20.32 cm. (8") y válvula de operación.
Uno de los factores esenciales en el buen diseño de la obra de toma es su
posición, la que en el lado aguas arriba, queda obligada su elevación, por la capacidad
de azolves y por el lado aguas abajo, en su descarga, ligada a la zona de riego debe
evitarse que la obra de toma y el vertedor queden alojados en la misma margen, lo que
ocasiona frecuentemente la construcción de obras de cruce, generalmente de elevado
costo.
d). Canales. Se calcularán siempre por medio de la fórmula de Manning deben
proyectarse con un gasto proporcional al área de riego que vayan a servir; siendo
pequeñas en general requieren un caudal unitario de 3 l.p.s./ha. La pendiente
dependerá del trazo y el coeficiente de rugosidad en tierra, se considerará de 0.030,
pero si el canal es muy pequeño debe cambiarse a 0.035.
Las condiciones geométricas se ajustarán en lo posible, a secciones tipo, de fácil
construcción.
Los canales de riego se proyectarán de modo que la superficie libre de agua
quede 0.20 m por encima del nivel natural del terreno, con bordos de protección en
ambas márgenes, tratando de obtener una sección compensada, o la sección tipo que
más se acerque a ella.
Los canales de conducción pueden proyectarse totalmente enterrados,
ajustándolos a la sección tipo más conveniente. La sección que se elija, para canales
de tierra, deberá adecuarse a una pendiente tal, que produzca velocidades entre 0.40 y
0.8 m/s, que son las que aseguran que el canal no se azolvará rápidamente, ni se
producirán erosiones destructivas en él. Las estructuras requeridas se adoptarán a
modelos tipo, en cuanto sea posible, y se someterán a una revisión muy cuidadosa por
parte del departamento técnico respectivo.
e). Obras de derivación. El diseño empieza por la determinación del caudal que
es necesario derivar ya sea para riego o para alimentación de vasos de
almacenamiento.
En el primer caso, será el resultado de considerar a todos los factores
agrológicos que intervienen; en el segundo, el gasto se fijará en proporción a la
capacidad del depósito, teniendo en cuenta las condiciones hidrológicas de la región.
En función del gasto necesario y de la pendiente escogida, de acuerdo con las
condiciones geológicas y topográficas, se determinan las características geométricas e
hidráulicas del canal de conducción o de riego, procurando siempre que sea posible,
emplear secciones tipo.
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La etapa siguiente, consiste en proyectar la bocatoma que puede ser en general
uno o varios orificios: o un vertedor. Sus dimensiones se determinan, en el primer caso
aplicando la formula de orificios, considerando la carga que propicia el gasto, igual al
desnivel entre el espejo del agua, a la entrada y a la salida del orificio; este ultimo a su
vez queda definido por el tirante en el canal, que siempre será mayor que el orificio, con
objeto de provocar ahogamiento que impida turbulencia.
En el segundo caso, se aplica la fórmula de vertedores ahogados. Ya sea que la
bocatoma sea de paso inferior o superior, necesita una carga para su funcionamiento;
la altura del dique vertedor será precisamente la que origine dicha carga, lo cual
significa que la elevación de la cresta vertedora del dique, será igual a la elevación del
espejo del agua en el canal de derivación, más la carga necesaria, para dar la velocidad
de paso deseada a través de la bocatoma.
La longitud del dique se fijará de acuerdo con el ancho disponible en el cauce del
arroyo, y en función de esa longitud se obtendrá la carga sobre la cresta, una vez que
se conoce el gasto probable de la avenida máxima.
Es necesario además, proyectar un desarenador, que invariablemente tendrá su
eje normal al de la toma, y con una elevación de la plantilla frente a la bocatoma que
será cuando menos 60 cm más baja que la elevación de la parte inferior del conducto
de la toma. Con objeto de que los sedimentos se depositen en el canal desarenador
frente a la toma, debe darse un área de paso apropiada; ésta se determina dividiendo el
gasto máximo de extracción por la toma, entre una velocidad comprendida de 0.3 a 0.6
m/s. En la sección que contiene a las compuertas desarenadoras, la velocidad de
arrastre será de 3.0 a 6.0 m/s y en el canal desarenador de 2.5 a 3.5 m/s. Para lograr lo
último se fija la velocidad y se despeja la pendiente de la fórmula de Manning.
Otros elementos que forman parte del proyecto, son los muros de encauce, cuya
longitud depende de la topografía y geología del terreno y su altura, del nivel de aguas
máximas sobre la sección vertedora, más un bordo libre mínimo de 0.50 m.
Cuando la finalidad de la obra sea la de derivar aguas de una cuenca hacia otra,
deberán proyectarse orificios libres, sin compuertas en condiciones tales, que permitan
la entrada del agua al canal en cualquier momento en que se produzca una avenida. En
el caso en que los volúmenes de acarreos sean considerables, será conveniente
preferir una bocatoma de tipo vertedor.
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IV. MEMORIAS DE CÁLCULO, PLANOS Y PRESUPUESTOS
Para que un proyecto se considere completo, listo para su revisión y aprobación
definitiva, debe formularse una memoria de cálculo, que abarque los siguientes
capítulos:
1. Cálculos hidrológicos. Determinación del escurrimiento aprovechable y en
función de éste, el volumen que se va a almacenar. Determinación de la avenida
máxima que deba descargar la obra de excedencias. Determinación del volumen de
azolve para localizar la cota a la que debe ubicarse la obra de toma.
2. Cálculos hidráulicos. Se presentará el cálculo del vertedor para la
determinación de su longitud, el cálculo del paso de filtración, del canal de descarga y
de la obra de toma. Deben incluirse el cálculo de los canales, sus características
hidráulicas y geométricas y la determinación de su capacidad. En el caso de obras de
derivación se anexarán los cálculos del canal, bocatoma, sección vertedora y la
determinación explicita de las cotas de todas las estructuras componentes del sistema.
3. Anteproyecto de la cortina. De acuerdo con lo establecido en el capitulo de
diseño, se fijará una sección para bordos de tierra, con propósito de anteproyecto, la
que debe estar de acuerdo con las características de los materiales que se encuentren
en el sitio de la obra y con la experiencia que se haya obtenido en obras anteriores.
Puede servir como guía para este fin, la tabla dada anteriormente.
La sección definitiva del bordo de tierra debe señalarla el departamento técnico,
basándose para el análisis de estabilidad de taludes y de los factores de seguridad
requeridos, en los datos proporcionados por el laboratorio de mecánica de suelos, En el
caso de diques de gravedad, debe proponerse la sección correspondiente, para la que
también se señalan normas guía en el capítulo de diseño, quedando a cargo del
departamento técnico, la revisión que conduzca a aprobar el proyecto definitivo.
4. Cálculo estructural. Se presentará el cálculo de todas las piezas
estructurales, tales como muros de retención, diques de gravedad, marcos rígidos,
losas, trabes, contratrabes, columnas, viguetas, piezas de madera y en general de
todos los elementos que constituyan el proyecto.
5. Planos. Para que la memoria de cálculos resulte suficientemente descriptiva,
se adjuntarán al legajo todas las copias de los planos que constituyan el proyecto,
requiriéndose como mínimo: plano de la obra de almacenamiento, incluyendo la
topografía del vaso, la localización de los bancos de préstamo, la curva de áreacapacidades, el perfil longitudinal que muestre la boquilla; plano de secciones para la
estimación de volúmenes; plano de la obra de excedencias y canal de descarga con
todos los perfiles y cortes que sean necesarios; plano de la obra de toma, con todas las
indicaciones de elevación y dimensiones necesarias.
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Los planos originales se dibujarán en un papel “albanene” o semejante, salvo los
de secciones, y de todos ellos se obtendrán las copias heliográficas para incluirlas en
los legajos sometidos a revisión. La presentación de los planos se ajustará a las normas
indicadas en el instructivo de dibujo en vigor, ajustándose a las leyendas y tamaños tipo
respectivos. El módulo, del tamaño de los planos será el de una hoja tamaño carta
(21.5 cm. x 28 cm.), por lo que cualquier otro tamaño mayor que éste, deberá quedar en
la proporción 1:1.414.
Para el dibujo de los planos se tomará en cuenta las siguientes especificaciones:
en todos los detalles se procurará hasta donde sea posible, que el sentido de la
corriente sea de abajo hacia arriba en los dibujos en planta, y de izquierda a derecha en
los dibujos en elevación y cortes longitudinales; en los cortes transversales y
elevaciones de tipo transversal se procurará que la margen izquierda quede del lado
izquierdo del papel y la derecha del lado derecho.
Se dibujarán siempre las elevaciones y los cadenamientos respectivos a manera
de obtener una cuadrícula de referencia. En los planos y mapas topográficos, se
consignará la lista de los símbolos convencionales que se usen, colocándose además
una tabla de ellas en algún lugar lateral del plano. En planos estructurales, de
construcción, tablas numéricas y diagramas, se usará siempre letra vertical, o bien se
dibujará con plantillas de Leroy. Se usarán siempre las escalas más adecuadas al
tamaño del plano y de los destalles estructurales que traten de mostrarse, procurando
que éstas sean las de los escalímetros universales. Para mayor claridad en la
interpretación de los símbolos de materiales constructivos, se deberá especificar con
letreros, cada material que aparezca en los planos.
6. Presupuesto. Para cada obra deberá efectuarse el presupuesto
correspondiente y anexarse al legajo de estudios y planos que se envíen para su
revisión y aprobación, indicando el concepto, unidad, cantidad, precio unitario e importe.
El presupuesto total deberá presentarse desglosado en los siguientes capítulos, para
facilitar su revisión:
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
Despalmes y limpia en áreas de construcción y bancos de préstamo.
Formación de dentellones para la cortina
Cortina.
Obra de toma
Obra de excedencias
Excavación y préstamos en canales.
Otros
Este presupuesto deberá apegarse a los conceptos y precios unitarios
previamente autorizados para la región en que se localiza la obra. Sí se presentase
algún concepto no incluido dentro del capitulo de precios unitarios, la propia
representación estatal hará la integración correspondiente, la que se someterá a la
revisión del departamento técnico, para turnarlo una vez sancionado a las autoridades
que deban aprobarlo.
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