“SECRETARÍA DE AGRICULTURA, GANADERÍA, DESARROLLO RURAL, PESCA Y ALIMENTACIÓN” Subsecretaría de Desarrollo Rural Dirección General de Apoyos Para el Desarrollo Rural Presas con cortina de tierra compactada para abrevadero y pequeño riego Presas con cortina de tierra compactada para abrevadero y pequeño riego Introducción. Para poder aprovechar el recurso hídrico, con el fin de satisfacer los diferentes beneficios, en un país donde la lluvia es insuficiente, se requiere necesariamente de la infraestructura de aprovechamientos hidráulicos, que se va a distinguir acorde a la fuente de abastecimiento de agua, que puede ser superficial o subterránea. Para la superficial serán presas de almacenamiento para escurrimientos donde estos se dan asociados a la precipitación; presas derivadoras donde el escurrimiento es independiente de la precipitación y se presenta en pequeña magnitud, y tomas directas cuando el escurrimiento es de gran magnitud. para las comunidades rurales que se encuentren cercanas a la obra. Ventajas de la obra. Los bordos de almacenamiento con fines de abrevadero presentan la gran ventaja de poder disponer de agua para el abrevadero del ganado y reducir la mortandad en épocas de estiaje, ya que sin ellos sería difícil disponer del recurso. Desventajas de la obra. El presente trabajo pretende apuntar algunas consideraciones sobre la utilización mediante pequeños almacenamientos denominados bordos de almacenamiento para abrevadero, cuyo destino principal es para proveer de agua al ganado y satisfacer las necesidades de cultivos en zonas pequeñas de riego. Alguna desventaja que se podría plantear respecto a los bordos de almacenamiento serían las afectaciones de terrenos que necesariamente tienen que hacerse para disponer de los espacios para la construcción de la obra, otra desventaja seria desde el punto de vista ambiental que altera el régimen del escurrimiento de un cauce y en cierto momento a la flora y la fauna que se afecta al alterarse el escurrimiento normal del cauce. Definición. Condiciones donde se establece. El bordo de almacenamiento con fines de abrevadero es una obra hidráulica consistente en una pequeña presa con cortina de tierra compactada, acompañada de un vertedor de excedencias y una obra de toma para cuando se tienen pequeñas superficies de riego, o cuando el abrevadero se conforma aguas abajo del vaso. Se exigen que se tengan condiciones topográficas, hidrológicas, geológicas y de mecánica de suelos. Las condiciones topográficas son necesarias para tener un estrechamiento topográfico suficiente para conformar la boquilla donde se ubique el bordo, así como un valle hacia aguas arriba para ubicar el vaso de almacenamiento. Las condiciones hidrológicas son exigentes para tener una cuenca lo suficientemente grande, así como la precipitación suficiente para garantizar el escurrimiento necesario que garantice el abastecimiento para lograr que se llene el vaso. Las condiciones geológicas son necesarias para garantizar en el caso del bordo la capacidad para resistir el peso del mismo así como la impermeabilidad necesaria, y para el vaso el que no se presenten fallas o materiales que impidan la impermeabilidad necesaria. Las condiciones de mecánica de suelos se exigen para contar con bancos de materiales arcillosos que proporcionen la impermeabilidad necesaria en el bordo de almacenamiento. Objetivos. a)General. Orientar al técnico involucrado en programas de Conservación y Uso Sustentable de Suelo y Agua, en aspectos prácticos que le permitan establecer en campo las obras necesarias de conservación que se deriven. b)Específicos. Brindar los elementos técnicos necesarios para el diseño, construcción y operación de bordos de almacenamiento de tierra compactada con fines de abrevadero y pequeño riego con un almacenamiento menor de 250,000 m3. Beneficios. Los beneficios que se esperan con un bordo de almacenamiento son el abrevadero de ganado, el riego de pequeñas superficies y eventualmente el uso domestico del agua 2 Criterio y especificaciones de diseño. Para poder efectuar el diseño de un bordo de almacenamiento se requiere de un conocimiento previo de las condiciones del sitio en lo que respecta a la topografía, geología, hidrología y mecánica de suelos, fundamentalmente en la etapa que se ha dado en llamar estudios previos, comenzando con un reconocimiento del sitio. I. Reconocimiento del sitio. Consiste en localizar el lugar probable para la construcción de una obra. Se recaba con los habitantes, el mayor número de datos referentes a la época de lluvias, magnitud aproximada de escurrimientos de las corrientes por aprovechar, caminos de acceso, localización de probables bancos de materiales, posibles afectaciones de propiedad y sus formas viables de resolución, aspectos legales de la obra y beneficios de la misma, etc. De acuerdo con estos datos y los observados por el ingeniero, deberá determinarse en forma aproximada el sitio probable de la boquilla, su longitud, capacidad supuesta del vaso, tipo de estructura más adecuado, localización de la zona de riego dominada por la obra y verificación de los datos proporcionados por las personas del lugar. Deberá dibujarse un croquis que indique el sitio de la obra, animales beneficiados, coeficientes de agostadero, zona de riego, cultivos, vías de comunicación, localización de bancos de materiales y cualquier otro dato útil para el proyecto. II. Estudios 1. Estudios Topográficos. a) Levantamiento de la cuenca. El levantamiento de la cuenca se hace para determinar la superficie de la misma y forma de concentración de las aguas, con el fin de utilizar estos datos como base para el estudio hidrológico del proyecto. Para el levantamiento es necesario ubicar primero el parte aguas, haciendo un recorrido del mismo y dejando señales en lugares adecuados que servirán de referencia para los trabajos posteriores. Una vez localizado el parte aguas, se correrá una poligonal en toda su longitud, debiendo verificar su cierre. Se trazarán las poligonales auxiliares necesarias, ligadas a la perimetral, para localizar los cauces principales que determinen la forma de concentración del agua y las pendientes generales de la cuenca. La configuración se puede hacer usando poligonales de apoyo, trazadas con alguno de los aparatos actuales, que permitan obtener curvas de nivel con 2, 5 o 10 m de equidistancia, según el tamaño de la cuenca. Otros procedimientos para el levantamiento de las cuencas pueden ser mediante métodos más expeditos. La precisión de estos levantamientos no debe ser mayor de 1:100 y los cierres en las poligonales de apoyo 1:500. En casos de cuencas muy extensas se podrá obtener el área y forma de los escurrimientos de una carta topográfica de INEGI. b) Levantamiento de vasos para almacenamiento. Este trabajo se efectúa para determinar la capacidad y el área inundada a diferentes alturas de cortina y también para estimar las pérdidas por evaporación. Antes de iniciar el levantamiento topográfico, deberá hacerse un reconocimiento ocular cuidadoso del vaso, localizando puntos de referencia que faciliten el trabajo. A partir de la margen, que observando la dirección del flujo en el cauce, se ubica a la izquierda del arroyo o río se localizará el eje probable de la cortina, monumentando sus extremos. Apoyándose en esta línea, que será la base de todos los trabajos topográficos subsecuentes, se iniciará el levantamiento del vaso en la forma que sigue: Partiendo de uno de los extremos del eje de la cortina, previamente orientado en forma astronómica o magnética, se llevará una poligonal con los aparatos respectivos, siguiendo aproximadamente la cota del nivel del embalse probable, hasta cerrar la poligonal en el punto de origen. Apoyándose en esta poligonal, se trazarán poligonales auxiliares a lo largo del cauce o cauces de los arroyos y las necesarias para el trabajo de configuración, nivelándose estas poligonales con nivel. La configuración se efectuará con el aparto respectivo, apoyándose en las poligonales previamente trazadas. Simultáneamente con la configuración, se hará el levantamiento catastral para determinar las superficies de las propiedades inundadas por el vaso. Los planos deberán dibujarse a una escala conveniente y la equidistancia de las curvas de nivel deberá fijarse de acuerdo con la topografía del vaso, por lo general a un metro de desnivel, en caso de terrenos muy accidentados podrá ser de dos metros. Se cubicará la capacidad del vaso, aplicando el procedimiento de las áreas medias, obtenidas con planímetro o electrónicamente. Se construirá con estos datos la curva de áreas-capacidades, la cual deberá dibujarse en el plano. Se incluirá en este, el perfil de la boquilla, indicando sus elevaciones. c) Levantamiento de la boquilla. Localizado el eje probable de la cortina, se trazará en el terreno, utilizando tránsito y cinta, estacando cada 20 metros, cuando la longitud de la cortina rebase a 200 m o a cada 10 m cuando la longitud sea menor, así mismo cuando la pendiente e inflexiones del terreno así lo exijan, y posteriormente se nivelará con nivel fijo. Apoyándose en este 3 eje y empezando en la margen izquierda para la configuración, se obtendrán secciones transversales de una longitud por lo menos de cinco veces la altura probable de la cortina, tanto aguas arriba como aguas abajo del eje, con objeto de tener topografía suficiente en caso de que sea necesario mover el eje en el proyecto definitivo. En los casos en que por las condiciones topográficas el canal de descarga de la obra de excedencias pueda quedar fuera de la zona anteriormente indicada, se prolongarán las secciones transversales hacia aguas abajo, tanto como sea necesario para obtener la topografía que permita efectuar el proyecto total de la estructura. El plano de la boquilla se hará por separado a una escala conveniente, que permita formarse una idea exacta de la topografía para seleccionar el eje más conveniente y localizar las diferentes estructuras. Por separado debe elaborarse un plano de secciones transversales que facilite la cubicación de los materiales de la cortina y la formación de la curva masa respectiva. d) Levantamiento de la zona de riego. A partir del eje de la obra de toma, señalado por medio del cadenamiento en el eje de la cortina, se llevará una poligonal que circunde la parte más alta del área de riego probable. Esta poligonal deberá cerrarse en el punto de partida para que analíticamente se determine la superficie real. El plano se dibujará a una escala de 1: 1000, señalando los linderos de propiedades existentes, apoyándose en poligonales auxiliares si fuese necesario. e) Localización y trazo de canales. Se puede aprove- char la poligonal del levantamiento de la zona de riego para localizar sobre ella el trazo de canales, respetando los linderos de propiedades existentes, para evitar problemas legales. Los canales secundarios, en caso de que sean necesarios, pueden trazarse por las partes más altas de acuerdo con la topografía, para facilitar la localización de las tomas, o bien, de acuerdo con los linderos de propiedad, según ya se indicó. Los puntos de inflexión deben unirse mediante curvas circulares simples, con grados de curvatura no menores de 12; anotándose en el plano todos los datos de las mismas. Una vez que se tenga estacado cada 20 metros el eje definitivo, se nivelarán todas las estacas con nivel fijo. Sobre esta nivelación, para obtener las cotas del terreno natural, se trazarán secciones transversales con nivel de mano para el proyecto del canal. 4 El plano a escala de 1:1000 deberá contener el trazo en planta, el perfil del terreno, el perfil de la rasante de proyecto y los datos de cortes y volúmenes de excavación, parcial, por estación y acumulados. Debe recordarse que para que el canal pueda regar, el nivel libre del agua debe ir unos 20 centímetros por encima del nivel natural del terreno por beneficiar, condición que influye en la pendiente del canal y su trazo. En el caso de canales de conducción, el canal puede ir totalmente enterrado. f) Levantamiento de sitios para derivación. Habrá casos en que un vaso no tenga cuenca propia y será necesario auxiliarse del escurrimiento de una cuenca vecina, alimentándolo mediante un canal que conduzca el agua de la otra cuenca, o bien en otras ocasiones el aprovechamiento se hará directamente de un arroyo de aguas permanentes o de un manantial, sin previo almacenamiento. En ambos casos, será necesario construir presas derivadoras para lo cual es indispensable hacer el levantamiento topográfico de la zona elegida. Se empezará por colocar un monumento en la margen izquierda y otro en la derecha que definan un eje de apoyo iniciando el cadenamiento en la margen izquierda, se hará el estacado y nivelación del mismo eje que servirá de base para las secciones correspondientes, para el trazo de poligonales auxiliares y para efectuar la liga con el eje del canal de conducción, o de riego. El dibujo en planta, servirá como base para ejecutar el proyecto de la obra. 2. Estudio Geológico. Desde el punto de vista geológico, en estas obras las características de mayor interés para el proyecto y construcción de las estructuras, son la capacidad de carga del terreno de la cimentación, el grado de impermeabilidad del mismo y el efecto de la humedad sobre los estratos de cimentación, por lo que abarcará los siguientes aspectos: a) Vasos de almacenamiento. Deberán identifi- carse las formaciones de rocas que aparezcan en el vaso(ígneas, sedimentarias o metamórficas) y de ser posible las relaciones que existan entre ellas. Deberán observarse con todo cuidado los recubrimientos de aluvión, de acarreos, los ocasionados por derrumbes e investigar toda clase de plegamientos (anticlinales y sinclinales) anotando la dirección del eje de los mismos y examinando particularmente las fallas, de las cuales se debe apreciar su dirección y echado. Se pondrá especial cuidado en observar la presencia de rocas solubles, yeso, calizas, etc., anotando la extensión y lugar que ocupan en el vaso. Además deberá observarse todo indicio de fallas o agrietamientos que perjudiquen la permeabilidad del vaso y que puedan producir una disminución acentuada del almacenamiento; considerando que al existir carga hidrostática en el embalse, resulta bastante más fácil producir vías de agua que posteriormente tienen difícil solución. b) Boquilla. Se observarán las grietas en la roca, determi- nando su anchura, profundidad y condición del substrato, examinando si la masa está dividida en bloques o si se trata de roca maciza, tan solo intemperizada superficialmente, para lo cual se harán las exploraciones que sean necesarias, mediante pozos a cielo abierto, tanto en el fondo del cauce, como en las laderas. Cuando exista material de acarreo en el cauce, deberá sondearse en varios puntos del mismo, para determinar el espesor y condición del citado material. Si la boquilla de mejor configuración topográfica, no presenta condiciones geológicas favorables, deberá elegirse algún otro sitio, que aunque no reúna las mejores condiciones topográficas, pueda aceptarse desde el punto de vista geológico. En vista de la configuración del terreno y las condiciones geológicas debe sugerirse la localización de la obra de excedencias, observando si el canal de descarga necesita o no revestimiento, tomándose en cuenta el poder erosivo que adquiere el agua al estar funcionando la estructura y la resistencia al desgaste que ofrezca el material descubierto. La obra de toma procurará localizarse de modo que la zanja en que se aloja la tubería, no tenga una fuerte excavación en roca. El sitio de los sondeos se indicará en un plano de la planta de la boquilla, referenciados al eje y con los datos obtenidos se construirá su perfil geológico. Se señalará además la posición de los bancos de préstamo. c) Canales. Deben sugerirse los trazos más económicos, evitando cortes en roca o diseños en balcón, hasta donde sea posible. Cuando así se requiera, se deben clasificar provisionalmente las rocas en el trazo probable y anotar las clases de roca y estado de ellas en los lugares probables en que se haga necesaria la construcción de estructuras. Se evitará que el trazo del canal cruce mantos permeables. d) Muestras. Siempre que se requiera estudiar más de- tenidamente las condiciones naturales del proyecto, deberán obtenerse muestras de las diferentes clases de rocas que puedan emplearse como materiales para la construcción o como bases para el desplante de estructuras. La muestra de roca debe tomarse de la zona alejada del intemperismo, es decir, de una zona que no haya sufrido alteración o descomposición de sus elementos constitutivos. 3. Estudio Hidrológico. Se obtendrá el mayor número posible de datos hidrológicos que permitan definir el régimen de la corriente por aprovechar, el cálculo del almacenamiento económico factible y la determinación de las condiciones de la avenida máxima. a) Precipitación. Se recabarán los datos de precipitación que se tengan en las estaciones pluviométricas existentes en el área de la cuenca o cercanas a ella, a fin de poder emplear el método de Thiessen o el de las curvas isoyetas, para determinar la precipitación promedio en la cuenca. b) Forma de concentración de las aguas. Las aguas se concentran en las cuencas de tres maneras: avanzada, media o retardada, según sea la inclinación de los terrenos y la forma de la cuenca, desde su nacimiento hasta el sitio considerado. La concentración se presenta en forma avanzada, casi siempre, cuando el terreno tiene fuertes pendientes y en forma retardada, cuando la cuenca presenta terrenos sensiblemente planos. c) Coeficiente de escurrimiento. De acuerdo con el examen que se haga de la cuenca tomando en consideración las pendientes principales, la forma de concentración de las aguas, la cubierta vegetal existente, la permeabilidad de los terrenos y algunos otros datos de interés, se podrá determinar en el campo, el coeficiente de escurrimiento que deba adaptarse en cada caso particular, bien sea deducido prácticamente, o por comparación de cuencas que guarden semejanzas con la que se estudia. En el caso de la falta absoluta de datos, se tomará, de acuerdo con las prácticas hidrológicas habituales (S.R.H.), un coeficiente de 0.12. d) Volumen aprovechable de almacenamiento. De acuerdo con el área de la cuenca, la precipitación y el coeficiente de escurrimiento, se calculará el volumen total escurrido anualmente y se considerará el 30% de éste, como volumen máximo aprovechable para almacenamiento, en caso de no tener información que nos precise un valor diferente. 5 e) Estimación de la avenida máxima. El método que se use dependerá de los siguientes factores: 1. Disponibilidad de datos hidrométricos en o cerca del sitio de la obra. 2. De las dimensiones del proyecto y la magnitud de los daños que ocasionaría el fracaso de la obra. Considerando los factores enunciados, se presentan los siguientes casos para el proyecto de obras de excedencias en los bordos: 1.Bordos que almacenan menos de 250,000 m3 sin construcciones ni cultivos aguas abajo. La capacidad de la obra de excedencias en este caso puede estimarse por simple inspección de las huellas de aguas máximas en el cauce, en puentes, alcantarillas o en sitios donde la observación sea fácil y perfectamente delimitada. Se comparará el caudal así determinado, con el que se obtenga al tomar un 25% del calculado por medio de la fórmula de Creager, que se expone más adelante. Este caudal máximo será definitivo si no se dispone de otros elementos de juicio. En caso de poderse obtener los dos valores, el obtenido en el campo representa en forma más fidedigna las condiciones de avenida máxima salvo en caso de estimaciones muy discutibles, quedando a criterio y responsabilidad del ingeniero la elección final. 2.Bordos que almacenan menos de 250,000 m3 con construcciones y cultivos aguas abajo. Para la determinación de la avenida máxima en este caso, puede usarse el método de sección y pendiente, eligiendo un tramo recto del cauce de 200 m de longitud aproximadamente, donde puedan obtenerse las secciones hasta las huellas de aguas máximas. Como en el caso anterior, compárese el valor obtenido con el que se obtenga al tomar el 50% del calculado por la fórmula de Creager. Las observaciones antes asentadas, también son aplicables a este caso. Como este documento se elabora para volúmenes de almacenamiento no mayores a 250,000 m3, no se detalla para cuando los almacenamientos rebasan a esta cantidad. La fórmula de Creager para la “Envolvente Mundial” de escurrimientos, que es la siguiente: A Q C 2.59 6 En la que: Q = Gastos de la avenida máxima en m3/seg C = valor del coeficiente de Creager = 70 (envolvente para la República Mexicana). A = Área de la cuenca en Km2. 4. Estudios de Mecánica de Suelos. Uno de los factores más importantes que determina la posibilidad de construcción de un bordo, es la existencia de material adecuado y en suficiente cantidad para abastecer el volumen de terracerías necesario en la obra. En consecuencia, debe determinarse con la mayor aproximación que sea posible, la capacidad de los bancos de préstamo que sean susceptibles de explotación, ubicados a distancias económicas de acarreos y siempre que sea posible, fuera del vaso. Teniendo delimitados topográficamente los bancos de préstamo, se tomarán las muestras necesarias para su análisis en el laboratorio de mecánica de suelos. Las muestras serán del tipo alterado para el caso de bancos de préstamo, e inalteradas para determinar las características de la cimentación o las condiciones de un bordo existente, cuando se trate de sobre elevación de éste se formará un plano con la caracterización de las bancos de préstamo, indicando su potencialidad y referenciados respecto al eje de la cortina, datos que también pueden incluirse en el plano topográfico de configuración del vaso o de la boquilla, según las circunstancias de sus características de productividad, a simple vista o mediante perforaciones con barreno de suelos o pozos a cielo abierto, que permitan tener una idea de la calidad de los suelos, tomando como factores determinantes: el carácter del suelo, la topografía, el drenaje y la presencia de álcalis; eventualmente pueden tomarse en cuenta otros factores, como el viento, inundaciones, erosión, etc. III. Diseño de la obra. De acuerdo con los datos obtenidos en los estudios antes citados, se procederá a efectuar el diseño de cada una de las estructuras integrantes de la obra, pudiendo servir como guía, las siguientes normas generales: Primeramente se define el almacenamiento, el cual se basa el proyectista en los estudios hidrológicos y en los estudios topográficos, partiendo de los primeros se define primeramente el Volumen escurrido: Ve = Ce pm Ac -----------------(2) 0.936A −0.048 1 En la que: Ve = volumen escurrido, en m3; Ce = coeficiente de escurrimiento, adim.(varia de 0.1 a 0.23); pm = precipitación media de la cuenca, en m; Ac = Área de la cuenca, en m2. Se selecciona el coeficiente de aprovechamiento (Kapr), el cual varía de 0.3 a 0.9, que al aplicarlo al volumen escurrido se obtiene el volumen aprovechable: Vapr = Kapr Ve --------------- (3) Este pasa a conformar una restricción hidrológica, que limita a la Capacidad Total de Almacenamiento(CTA), no debiendo esta última rebasar al Vapr, que en función de la capacidad del vaso de almacenamiento, dado por la topografía del mismo, si es mayor, la restricción será exclusivamente hidrológica, pero si la capacidad es menor, pasa a conformarse una restricción topográfica, con lo que queda definida la CTA. A continuación se pasa definir la Capacidad de Azolves, que está en función de la vida útil de la obra, que para pequeños almacenamiento se consideran 25 años, calculándose así: CAZ= kAZ NA Ve ----------------- (4) Donde: CAZ=Capacidad de azolves, en m3, kAZ= Coeficiente de Azolvamiento, adim.=0.0015, para presas pequeñas; NA = Vida útil de la presa, en años =25años, para presas pequeñas. Con este volumen se define la Capacidad Muerta (CM), que queda conformada fundamentalmente por la capacidad de azolves, volúmenes para la cría de peces, recreación, turismo, abrevadero (cuando se va a utilizar el vaso para abrevar), etc., siendo: CM = CAZ + Vcp+ Vr + Vt + Vabr Por diferencia entre las dos capacidades anteriores se define la Capacidad útil: Cu=CTA-CM, la que se limita a una segunda restricción hidrológica denominada Capacidad Útil Calculada (CUc), obtenida con: CUc= Vapr/Ev ------------- (5) En la que: Ev = eficiencia del vaso, adim., que varia de 0.3 a 1.5. Con las anteriores capacidades se definen los niveles fundamentales del almacenamiento denominados N.A.N. (= Nivel de Aguas Normales), dado por la CTA, y que define la cota de la obra de excedencias, para cuando se tiene un vertedor de cresta libre; y el N.A.min.(=Nivel de Aguas mínimo), dado por la CM, y que para el caso de irrigación o de abrevadero aguas abajo de la obra, define la cota de la obra de toma. El diseño del vertedor determina el N.A.M.E., y el de la obra de toma el N.m.o.(Nivel mínimo de operación). Figura.1.Representación esquemática de los diferentes niveles de un almacenamiento. Nivel de almacenamiento mínimo Nivel de aguas normales = N.A.M.Q.= Nivel de aguas máximas de operación Nivel mínimo de operación (carga mínima de funcionamiento de la O. de T.) Nivel de aguas máximas extraordinarias. Carga del vertedor para la avenida máxima de diseño. CAPACIDADES EN MILL m3 Libre bordo CAP 0.1 Cu Muerta ELEV. CORONA 0 A CAP. UTIL N.A.N. Vertedor de Cresta libre N.m.o. N.A.min VOL. CRÍA PECES Y OTROS 70 L.B. H Obra de excedencias Obra de Toma VOL. AZOLVE Z V N.A.M.E N.A.N 60 ELEVACIONES EN m N.A.M.E. CAP. SOBRE Cu (CAP. UTIL) 50 100 ALMAC. 150 Desagüe de fondo 1250 ES 40 PCAA CPAICDI DAA AR DDES E A AR S EA = = = = = = 30 CA N.A.min. N.A.N. N.m.o. N.A.M.E. H L.B. 20 10 1200 0 1 2 3 4 5 6 AREAS EN Km2 PERFIL POR EL EJE DEL CAUCE CURVAS DE AREA -- CAPACIDADES ALTURA MAXIMA = ELEV. A - ELEV. Z 7 A continuación se define la altura máxima de la cortina, calculada con: Para pequeños almacenamientos, según la extinta SRH, el bordo libre se puede tomar como: Hmáx. = HNAN + Hv + L.B. --------- (6) Donde: Hmáx.=altura máxima de la cortina (desnivel entre la corona y la menor cota del cauce en la zona de la cimentación), en m; HNAN=altura del N.A.N.(desnivel entre la cota del vertedor -descarga libre- y la menor cota del cauce en la zona del desplante), en m; Hv = carga del vertedor, en m (determinada en el diseño de la obra de excedencias), y L.B. = libre Bordo, en m = f(marea del viento oleaje del viento, pendiente y características del paramento mojado, factor de seguridad, etc.). Bordo Libre (en m) < 1.6 1.0 1.6 a 4.0 1.22 4.0 a 8.00 1.52 > 8.0 1.83 a) Cortina. Para pequeños almacenamientos, se emplean preferentemente cortinas de tierra compactada por adaptarse en la mayoría de los casos a las condiciones topográficas de la boquilla, por su costo relativo bajo, abundancia de materiales a distancias cortas de acarreo, flexibilidad estructural, empleo de mínimo equipo de construcción, fácil conservación, etc. Figura.2. Vaso de almacenamiento en planta y caracterización del Fetch. Como una guía para el ante-proyecto de una cortina de este tipo, la experiencia ha demostrado que pueden emplearse en condiciones normales y de acuerdo con su altura, las siguientes secciones dentro de los límites seguros, establecidos desde el punto de vista de estabilidad: Fetch (Línea máxima, medida desde la cortina hasta la cola del vaso no necesariamente en dirección normal al eje de la cortina) VASO Fetch (en Km) Línea del N.A.M.E. Figura 3. Sección típica de bordo de almacenamiento. CL C mínimo 75 Revestimiento de la corona con grava. 20cms. de Espesor N.AM.E. T1 MATERIAL ARCILLOSO IMPERMEABLE COMPACTADO En copos de 20 cms. Zampeado Seco para protección T2 H Protección con Pasto Despalme mínimo 20 T.N. 400 Trinchera en caso de subsuelo permeable relleno con material arcilloso impermeable compactado máximo Estrato Impermeable 350 SECRETARIA DE AGRICULTURA Y GANADERIA DIRECCIÓN GENERAL DE INGENIERIA AGRICOLA RECOMENDACIÓN DEPARTAMENTO DE CONSTITUCIÓN DE OBRAS DE RIEGO BORDOS DE SECCIÓN HOMOGENEA (CONDICIONES LIMITE MINIMAS) TIPO 1 2 3 4 8 H 0.00 - 4.50 4.50 - 6.00 6.00 - 7.50 7.50 - 9.00 C 3.50 4.00 4.00 4.50 T1 T2 2:1 2:1 2.5:1 2.5:1 2:1 2:1 2:1 2.5:1 BORDO TÍPICO ESQUEMA EL SUBDIRECTOR EL DIRECTOR GENERAL 1 DE 2 JUNIO - 1968 APROBO EL SECRETARIO 1093-I - PT Dichos estudios producirán además, las instrucciones precisas que deberán regir durante la construcción de los bordos, tales como bancos de préstamo elegidos, peso volumétrico seco mínimo, grado de humedad óptima, número de pasadas para una capa de espesor determinado, con el equipo de compactación recomendado por los análisis previamente efectuados. Para este tipo de estudios se requiere el envío de las muestras necesarias al laboratorio de mecánica de suelos correspondiente, quien las procesará y enviará los resultados al departamento técnico encargado de su interpretación. en este tipo de obras son: el tipo lavadero, que se ilustra en la Figura.4 y el tipo cimacio, que se ilustra en la Figura. 5. Figura.4. Vertedor tipo lavadero. CANAL DE ACCESO CANAL DE DESCARGA SECCION DE CONTROL b) Obra de excedencias. Teniendo en cuenta que las fallas ocurridas mundialmente en presas de tierra se han debido de manera especial a la insuficiencia del vertedor de demasías, se tendrá especial cuidado en su diseño, basando los cálculos en datos obtenidos de la avenida máxima observada. La estructura queda anclada al terreno natural, alojándose en cualquiera de las laderas o en un puerto natural, pero jamás en el cuerpo de la cortina. Se emplearán para ello dentellones de anclaje, de mampostería, cuya profundidad en ningún caso podrá ser menor de 1.00 m y espesor mínimo de 0.40 m. En los extremos de la cresta vertedora se colocarán muros de cabeza, debidamente anclados al terraplén por medio de dentellones laterales, cuya longitud mínima será de 1.50 m. La elevación de la cresta vertedora se fijará considerando la carga de trabajo a su máxima capacidad, adicionada de un bordo libre que nunca será menor a 0.75 m, el que podrá aumentarse de acuerdo con la importancia de la altura fijada a la cortina y la longitud del “fetch”, cuando haya peligro de oleaje. La zona de descarga al pie del vertedor quedará debidamente protegida cuando menos con un zampeado. Se procurará que en el canal de descarga se controle el escurrimiento, encauzándolo debidamente y regulando la pendiente, pudiendo hacerse uso en casos especiales de estructuras disipadoras. Figura. 5. Vertedor tipo cimacio. COTA CORONA N.A.M.E N.A.N CANAL DE ACCESO CANAL DE DESCARGA De las condiciones topográficas y geológicas de la zona donde se alojará la obra de excedencias o vertedor de demasías, y del carácter del régimen de la corriente aprovechada, de la importancia de la obra, de los cultivos o construcciones localizadas aguas abajo, materiales y presupuesto disponible, dependerá el tipo de vertedor empleado: cimacio, cimacio Creager, abanico, descarga lateral, de lavadero o simple canalón, para los casos de menor exigencia. Los vertedores más usados 9 Para el cálculo de la longitud de la cresta vertedora, se utilizará la fórmula de Francis: Q = C L HV3/2 ------------ (7) En la que: Q= Gasto de diseño de la obra de excedencias, que es el de avenida máxima determinado en el estudio hidrológico, en m3/seg; L= longitud de cresta, en m; HV = Carga de diseño del vertedor de excedencias, en m; C = Coeficiente del vertedor, se tomará un coeficiente de descarga C = 2 m1/2/seg, para perfil cimacio, y 1.45 m1/2/seg, para vertedor lavadero. La altura mínima del vertedor con cresta cimacio tendrá sobre el nivel del piso del canal de acceso 0.80 metros. Las condiciones restrictivas tan severas, que se señalan para la obra de excedencias en bordos de tierra, podrán modificarse a juicio del ingeniero, cuando se trate de estructuras de este tipo en presas de gravedad o derivadoras. c) Obra de toma. Es la estructura que permite manejar las extracciones del almacenamiento para satisfacer los diferentes beneficios para el cual fue concebida la obra, en tanto se encuentren aguas abajo de la obra. Los tipos más comunes que se utilizan en este tipo de obras son el tipo: Tubería a presión y válvulas a la salida, el tipo muro de cabeza y el tipo torre y galería. El tipo tubería a presión y válvulas a la salida, se conforma con un canal de acceso, que permite la comunica- ción con el vaso de almacenamiento en niveles bajos del agua en el almacenamiento; una estructura de rejillas, que evitara la entrada de cuerpos flotantes en el agua en niveles bajos, una tubería que permitirá atravesar la sección del bordo, auxiliándose de dentellones para anclar la tubería y para incrementar la trayectoria de filtración, y disminuir el peligro de tubificación, a continuación una caja de válvulas, donde se alojarán de preferencia dos válvulas, una de emergencia y otra de operación, concluyendo la estructura con una caja amortiguadora, donde se disipara la energía cinética, para entregar el agua al canal. El tipo Muro de Cabeza de obra de toma, inicia en un muro de cabeza, generalmente de mampostería, cimentado sobre terreno firme. El paramento aguas arriba será vertical, los laterales y el de aguas abajo serán inclinados que garanticen su estabilidad, a partir de aquí inicia el conducto. La operación de la toma se hace por medio de una compuerta deslizante accionada por un mecanismo elevador, el cual se instala sobre una ménsula de concreto reforzado anclada al muro de cabeza, o bien, sobre viguetas empotradas en la mampostería del mismo muro. Delante de la compuerta, sobre la mampostería se dejarán muescas especiales para colocar agujas de madera en caso de descompostura de la compuerta. El acceso al mecanismo elevador se recomienda se haga mediante un pedraplén colocado a mano. El conducto puede ser de concreto reforzado, precola- Figura 6. Obra de toma tipo tubería a presión y válvulas. 0+000 Estructura de Rejillas o+ TAL U D D U TAL 2.5 :1 2.5:1 ELEV. PERFIL NATURAL DEL TERRENO Canal de acceso 10 Dentellones Tuberia Caja de Válvulas o+ 30 N.A.N. Estanque amortiguador CORONA, ELEV. N.A.M.E Figura. 7. Obra de Toma tipo muro de cabeza. Corona, Elev. N.A.M.E N.A.N. Transición MATERIAL IMPERMEABLE Canal de Acceso de salida Dentellones Tuberia Longitud de la tuberia do o colado en el lugar de la obra, con diámetro mínimo de 0.61 metros(24”), alojado preferentemente en una zanja abierta en el terreno natural, para evitar asentamientos y provisto de dentellones de concreto, con espaciamiento y dimensiones necesarias de acuerdo con la longitud de la trayectoria de filtración necesaria. La descarga del conducto de la obra de toma se hace a una caja de mampostería con altura necesaria para evitar el derramamiento del agua y de ella saldrá el canal o canales de riego. La descarga también se podrá hacer mediante transición reglada, ligando directamente el conducto con el canal de riego. El tipo torre y galería de obra de toma, se conforma con una torre, que podrá quedar al inicio, en medio o al final del conducto, que comúnmente este fue parte de la obra de desvío, por lo cual la magnitud es mayor que para lo que se requiere para la obra de toma, por lo que forma una galería, que por lo general trabaja como canal. Inicia en un canal de acceso, y dependiendo si la torre se encuentra al inicio, en medio o al final del con- ducto, se tendrá la conformación, respectiva, esto es si se encuentra al inicio, iniciara con estructura de rejillas, a continuación una compuerta deslizante, que servirá de emergencia y da acceso al interior de la torre donde al final se encuentra otra compuerta deslizante que sirve de operación; si la torre se encuentra en medio, o al final la obra se iniciara con una estructura de rejillas, y en la torre se conformaran dos espacios, para ubica las dos compuertas una de emergencia y otra de operación. En aquellos casos en que por carencia de piedra no sea económico construir la obra de toma de mampostería, se hará con una torre de concreto reforzado, provista de escotaduras para agujas y compuerta deslizante o bien, con dos compuertas, una de emergencia y otra de servicio. La sección interior de la torre tendrá como mínimo 1.00 de cada lado, cuadrada, e interiormente se colocará una escala marina para permitir el acceso para su inspección y mantenimiento. Fig. 8. Obra de toma tipo torre y galería. Puente de acceso N.A.M.E Cortina Torre Tanque amortiguador Rejilla s Canal de acceso Transición de entrada Conducto Transición de salida 11 Para diseñar la obra de toma primeramente se debe tener el Gasto Normal (Qn) de la demanda que, en función de la superficie de riego, se pueden considerar los siguientes Coeficientes Unitarios de riego (Cur); a menos que se tenga un estudio específico sobre este aspecto: En base a coeficientes unitarios de riego (Cur) Superficies (en ha) de extracción normal (Qn) y del almacenamiento mínimo de operación (Am), bajo el siguiente procedimiento: 1. Se obtiene el Nivel mínimo de Operación Inicial (N.m.o.i) determinando previamente el valor del almacenamiento mínimo de operación (Am) y obteniendo su cota respectiva en el vaso, entrando en la gráfica Elevaciones-Capacidades, así: Cur (en lps/ha) < 100 2.5 De 100 a 1200 1.75 De 1200 a 2000 1.41 De 2000 a 10,000 1.16 > 10,000 1.0 Am = CM + 0.1 Cu ---------- (8) Figura. 11. El N.m.o. en la gráfica Elevaciones Capacidades. N.A.M.E. N.A.N. ELEVACIONES Utilización de gráficas Figura.9. Gráfica superficie gasto N.m.o.i. Cota O. de T. Cu 0.1 Cu GASTO EN m3/seg. RR TIE A RE CM Am ETO NCR E CO D TIDO VES CAPACIDADES Vol. 2. Se supone un diámetro comercial, o un tamaño construible, del conducto en la obra de toma: un pequeño diámetro D, exige gran carga y un gran diámetro D, exige pequeña carga. 3.Se obtiene la velocidad media, determinando previamente la sección transversal del conducto: SUPERFICIE DE RIEGO EN HECTAREAS Cálculos hidráulicos. V= Q/A ≥1.5 m/seg; para evitar azolvamiento del conducto. Figura.10.Elementos para el diseño de la obra de toma. N.A.M.E. Hmáx N.m.o. Limitador de gasto Hmín N.N.A. D Sumerg. min. = 25 cm Hlim dmáx d N.N.A.= Nivel Normal del Agua en el canal para gasto normal (Qn) Diseño Hidráulico de Obras de Toma para Presas Pequeñas. El diseño hidráulico de obras de toma es el proceso mediante el cual se obtiene el diámetro (o tamaño) del conducto, el cual es determinado por iteraciones en función del gasto 12 4.Se obtiene la carga mínima de operación, mediante la fórmula: v2 L h min (1.0 ∑ k f ) x 2g D (9) Donde: Σkx= suma de parámetros de pérdidas de carga localizada. Las pérdidas de carga localizadas, pueden ser: a) Rejilla: -----------------------hr= kr v2/2g b) Por entrada: ------------------ he = ke v2/2g c) Por válvulas(o compuertas):-----hG= kG v2/2g d) Por cambio de dirección:--------hC= kC v2/2g e) Por salida: ------------------- hS= kS (v-vC)2/2g---....... etc. Para determinar el valor de f (factor de fricción), se puede usar la expresión de Swamee-Jain, para Re> 4000: ε log10 D 5.74 0.9 3.7 Re do Hmáx por hmáxi en la formula del inciso (b). g) Se circula este gasto (Qmáx), por la sección normal dise- 0.25 f f) Se determina el gasto máximo real (Qmáx), sustituyen- ñada, obteniéndose dmáx. 2 9. Se diseña el limitador de gasto, ubicado aguas debajo de la obra de toma. (10) a) Se determina la carga del limitador: 5.Se determina el Nivel mínimo de operación: Hlim = dmáx - d N.m.o.= N.N.A.canal+ hmín ------ (11) Figura 12. Esquema de la Obra de toma y los elementos para el diseño. b) Se selecciona el coeficiente del limitador: Si es un vertedor tipo cimacio: N.A.M.E. C = 2.0 m1/2/seg N.m.o.i. Hmáx hmín Sumergencia Mínima N.A.min. C = 1.45 m1/2/seg N.N.A. H lim 25 Cota de Inicio Valvulas 100% abiertas para ambos niveles Si es un vertedor tipo lavadero: Limitador de gasto N.m.o. dmáx Llim c) Se obtiene el gasto del limitador: d Qlim= Qmáx –Qn Estanque Amortiguador 6.Se compara el N.m.o. con el N.m.o.i. Debe ser prácticamente igual (si es mayor se aumenta el diámetro D -o tamaño del conducto) hasta satisfacer esta condición. 7.Se diseña la sección normal del canal (Qn, s y n), obteniéndose la cota de inicio mediante: Cota Inicio Canal=Elev.N.N.A.-d = N.A.mín+D+0.25-d ------------ (12) 8. Se determina el gasto máximo de la O. de T. por tanteos. Figura. 13. Elementos geométricos del limitador de gasto. Hlim dmáx 2 g hmáxinic L 1.0 ∑ k x f D acompañarlo con una pantalla aguas abajo: Maquinaria y Equipo 3 d d) Se determina la longitud del limitador, es conveniente a) Se obtiene: hmáx = Elev. N.A.M.E.- Elev.N.N.A. Qmáxinic A L.B. Llim Motoescrepas Tractores D-7 Camión Pipa Camión de volteo Cargador Frontal Rodillo Pata de cabra Palas, Picos Etc. Debe evitarse que la obra de toma y el vertedor queden alojados en la misma margen, para evitar obras de cruce, de elevado costo. Costos de la obra Piedra Arena Grava Internos Insumos Cemento Impermeabilizante Externos Tubería PVC y accesorios Cerca b) Se obtiene: Qmáxinic IV. Construcción de la obra. c) Se circula este gasto por la sección normal diseñada, Tomando como base el proyecto efectuado de la obra se procede a su construcción, para lo cual se deberán considerar una serie de recomendaciones, las que se muestran a continuación: obteniéndose así el valor de dmáxi. d) Se determina el incremento de la carga de operación de la O. de T.: ∆h = dmáxi – d e) e) Se obtiene la carga máxima real: Hmáx=Elev.N.A.M.E.-(Elev.N.N.A.+ 0.9∆h) Mano de obra Familiar Contratada Aspectos generales de construcción. A continuación se da en forma breve una secuencia sobre las actividades por ejecutar en la construcción de una pe- 13 queña presa de terracerías, haciendo hincapié en aquellos aspectos en los que hay que tener mayor cuidado en su ejecución. Se construirá o acondicionará el camino de acceso desde la carretera más cercana al sitio de la obra. Generalmente la misma maquinaria destinada a la construcción de la presa es utilizada en estas labores. De preferencia este camino deberá construirse con un ancho mínimo de 7 metros y pendientes no mayores de 1%. plante del terraplén. Para lograr lo anterior, muchas veces es necesario auxiliarse con la excavación de pozos a cielo abierto; para confirmar la no existencia de estratos permeables o cauces sepultados que, en un momento dado, habrá que interceptar ya sea con la totalidad del núcleo impermeable, con trincheras o dentellones. Una vez definida la elevación del desplante y sobre todo cuando aparece en parte o en la totalidad de la superficie de cimentación roca fija, se tendrá que efectuar a mano un amacise del material flojo o alterado. Efectuándose el amacise, en algunos casos con la rompedora neumática, ya que el uso de maquinaria pesada, propiciaría la trituración o resquebrajamiento del material de desplante impermeable. Se pueden atacar también los caminos de acceso a los bancos de préstamo de los materiales que se utilizarán en el terraplén. Estos caminos, durante la construcción, deberán tenerse en buen estado de conservación con el objeto de tener un mayor rendimiento del equipo y una menor conservación del mismo. Programa de trabajos Simultáneamente, es conveniente proceder al montaje de las instalaciones para residencia, bodega y taller. Localizándolas estratégicamente con relación a las estructuras de la presa; en cuanto se refiere a visibilidad, y que no interfieran los accesos de trabajo. La realización de toda obra requiere que sea materializada conforme un programa constructivo previamente meditado y acorde a las características especiales de la estructura, tanto por la técnica con la cual requiere ser construida, como por el tiempo en que se ha planeado su terminación. En algunas ocasiones, es necesario contar con un pequeño polvorín, el cual debe ubicarse fuera de las zonas de trabajo o habitables. Se recomienda generalmente no tenerlo a una distancia menor de 1 kilómetro del sitio de la obra o poblados vecinos. En el caso especial de la construcción de presas de almacenamiento de terracerías, este programa constructivo toma especial relevancia, en virtud de que la estructura tiene que ejecutarse sobre una corriente sujeta a escurrimientos variables y que en un momento dado, una mala programación de la ejecución de los trabajos, puede traer como consecuencia la destrucción de lo ejecutado, daños materiales y en ocasión hasta pérdida de vidas cuando existen comunidades aguas abajo de la obra. Por tal motivo, dentro del Programa Constructivo, el control y manejo del río requiere de una especial atención. Una vez concluidos los trabajos anteriores podrán iniciarse los relativos a desmontes, tanto del área donde se ubicará la presa, vertedor y obra de toma, como la de los bancos de préstamo. Dado que la superficie por desmontar, para este tipo de obras, es casi siempre pequeña, se utiliza el tractor con cuchilla normal para su ejecución. Ya desmontada la superficie, que marcan las trazas del proyecto, con un margen adicional mayor, se está en posibilidad de iniciar las excavaciones para desplante de cortina, vertedor y obra de toma. Estas excavaciones tienen por objeto remover todos aquellos materiales indeseables para cimentar las estructuras de la presa. Por lo que se refiere a la cortina, estas excavaciones casi siempre se realizan con tractor, el cual desplaza el material, que haya necesidad de remover, fuera de las trazas del terraplén y deje una superficie libre para el acceso libre de la maquinaria que posteriormente colocará las terracerías. Durante el proceso de estas excavaciones y en función de los materiales que vayan apareciendo, se determinará hasta qué profundidad se tienen que efectuar el nivel de des- 14 Es muy importante aclarar, que la ejecución de la obra dentro del tiempo programado, depende de que las decisiones técnicas inherentes a este tipo de estructuras sean tomadas oportunamente. Como ejemplo de estas decisiones técnicas se pueden citar entre otras las siguientes: definir hasta dónde se deben profundizar las excavaciones para el desplante de la cortina, obra de toma y vertedor, así como el retiro de los materiales indeseables para la cimentación. Lo cual, en la mayoría de las ocasiones, se define por deficiencias en los estudios de exploración o por cambios geológicos imprevisibles. Indicar qué tratamiento o preparación hay que darle a la superficie donde se desplantarán las estructuras, en función de la dureza del material o bien por las irregularidades que presenta la excavación. Definir el número de pasadas que hay que dar con el equipo disponible a las terracerías, para lograr la compactación requerida (93 a 95 %), lo cual se logra generalmente haciendo terraplenes de prueba. En el proceso constructivo y por deficiencias en la explotación de los bancos de préstamo, muchas veces se requiere hacer cambios en los taludes de las terracerías; por haber variado las propiedades mecánicas de los materiales que se están explotando, con relación a las consideradas en el diseño y determinadas en los estudios de Mecánica de Suelos, o bien porque la potencialidad de los bancos de préstamo de material es menor que la supuesta y no resulte ya económico transportar ese material a distancias muy grandes, teniendo algún otro tipo de material más cercano que pudiera utilizarse mediante la variación de los taludes de la cortina o de las zonas que lo integran. La profundidad que hay que dar a trincheras o dentellones (para la cortina, vertedor y obra de toma), cuando se tienen estratos permeables adyacentes que hay que interceptar, requiere que el ingeniero residente tenga una preparación adecuada para tal objeto, o se implemente una oficina regional que atienda este tipo de problemas. El programa constructivo para estas presas, debe elaborarse en una forma muy simplista, partiendo de los volúmenes por ejecutar, la producción del equipo que se dispone, fecha de iniciación, período en que se presentan las lluvias, etc.. Dando un orden a las actividades por ejecutar en las diferentes fechas, mediante una secuencia lógica, no olvidando el manejo o desviación del río. Este programa generalmente se formula por conceptos de trabajo, representándolo gráficamente por medio de un diagrama de barras, marcando claramente el período de ejecución para cada uno de los conceptos, los rendimientos diarios que hay que producir, para terminar la obra en el tiempo planeado. Así como los precios unitarios e importe de cada concepto, para fines de control de erogaciones. La vigilancia de ejecución de la obra, dentro del programa, se verifica mediante estimaciones semanales; con el objeto de ir cuantificando en todo momento su avance y estar en posibilidad de tomar las acciones necesarias para acelerar el ritmo de construcción de aquellos conceptos de trabajo que se hayan retrasado. La responsabilidad de vigilar el cumplimiento del programa corresponde a la supervisión o residencia, así como también, la formulación de estimaciones para el pago de los trabajos ejecutados. Organización de los trabajos. El costo de un núcleo de maquinaria que se requiere para la construcción de una pequeña presa de terracerías, con relación a los volúmenes por ejecutar, así como los cargos por fletes para su movilización y el costo de los tiempos muertos, obliga a programar la construcción de este tipo de obras, en serie y de preferencia dentro de una misma zona o región, ya que en cierta fase constructiva, es posible liberar algo de equipo. La supervisión o residencia debe contar con el personal necesario para atender los aspectos de líneas y niveles del proyecto, lo cual se logra generalmente con una brigada topográfica. Además requiere de un laboratorista y 6 auxiliares que estén determinando el grado de compactación del terraplén, y tomando cilindros de muestra de los concretos y morteros. Este personal deberá además vigilar el control de humedad del material impermeable, el cual debe estar alrededor de la óptima, el espesor de capa de las terracerías, la calidad de los materiales y dosificaciones de morteros y concretos. Figura. 14. Ilustración de un proceso de compactación con rodillo pata de cabra. Para estas pequeñas presas el equipo de laboratorio requerido es ínfimo, de bajo costo en relación al monto de inversión en la obra, y consta básicamente de lo siguiente. Para terracerías: medidor volumétrico, espátulas, charolas, balanza de torsión, horno, cápsulas, equipo proctor, tamices, básculas, etc.. Para morteros y concretos: moldes para cilindros, cono para prueba de revenimiento, varilla de 5/8" de 60 cm de longitud, probetas, crisoles, moldes para mortero, mallas, etc.. Cuadro 1. Revenimientos que se recomiendan según el elemento estructural a colar. 15 Tipo Colado Flúidez Revinimiento en centimetros Mínimo Máximo Promedio Presas, pilas de puen- Seca tes, cimientos, rellenos pavimentos 0 8 4 Losas, trabes y muros Plástica de sección grande 8 12 10 Columnas, muros y fluido formas de sección reducida, con gran cantidad de refuerzos y de difícil acceso 10 20 15 Para que el control de colocación del material impermeable sea efectivo, se deberá tomar un mínimo de 3 calas diarias, o bien, una cala por cada 500 metros cúbicos colocados, teniendo cuidado de que estas no sean tomadas a espesores mayores de un metro de terraplén. Cuando se requieran respaldos se deberá tomar una cala para determinar el peso volumétrico seco con que se vienen colocando, por cada 2,000 m3 de material, teniendo en cuenta no rebasar 1 metro de espesor de terraplén. Dado que en estas obras los concretos y mamposterías que intervienen en el vertedor y obra de toma cuyos volúmenes por ejecutar, generalmente son reducidos, el control de calidad tanto de morteros como de concretos, se hará mediante la toma de 4 cilindros por turno de trabajo, para tronarse dos a los 7 días y otros dos a los 28 días de colocado. Estos cilindros se mandarán probar al laboratorio de alguna institución oficial o de alguna facultad próxima a la presa. La superintendencia, encargada básicamente del aspecto producción de las cantidades de trabajo, debe contar como mínimo con el siguiente personal: 1 Superintendente 1 Encargado de control de costos 1 Almacenista 1 Mecánico Diesel y ayudante 1 Soldador 1 Sobrestante Operadores de maquinaria 2 Albañiles 6 Choferes Peones en general Para la atención de los trabajos tanto de residencia y superintendencia, se deberá disponer en el sitio de la obra de una oficina, un almacén y un taller, las cuales casi siempre, en este tipo de obras, son desmontables. 16 Como maquinaria mínima indispensable para la construcción de estas pequeñas presas, cuando el banco impermeable de construcción se encuentre a no más de 1.5 Km de acarreo es el siguiente: 2 Motoescrepas autocargables 2 Tractores D-7 1 Camión Pipa 1 Cargador frontal 4 Camiones de volteo 1 Rodillo Pata de cabra 1 Riper o arado 1 Compresor con equipo de barrenación 2 revolvedoras (1 saco). En caso de no contar con motoescrepas autocargables se requerirá un tractor D7 adicional, y cuando el banco de préstamo se encuentre mas allá de 1.5 Km, será conveniente que en lugar de las motoescrepas autocargables se sustituyan por dos cargadores frontales y 16 camiones de volteo. Operación y mantenimiento. La operación de este tipo de obras, cuando se tiene una obra de toma, exige que se maneje de acuerdo a la demanda que se vaya dando, en función de las cabezas de ganado a atender, así como de los cultivos y superficie establecidos en la zona de riego. En caso de satisfacer nada mas al abrevadero de ganado, sin tener superficie de riego alguna, no lleva mas acciones de operación que permitir el acceso de las cabezas de ganado a la zona del vaso o en bebederos aguas abajo. El mantenimiento de la obra consistirá en mantener en condiciones normales de funcionamiento todos los componentes que integran la obra, desyerbando permanentemente las partes de la obra para evitar el crecimiento de plantas, el conservar todos los componentes metálicos debidamente pintados con pintura anticorrosiva, así como engrasar y lubricar las partes movibles de la obra de toma, como compuertas o válvulas. Costos asociados. Para este tipo de obras, es necesario que la superintendencia lleve un control de los costos de construcción de los diferentes conceptos de trabajo, de tal forma, que sirvan de base para modificar el procedimiento constructivo o en caso de notarse un alto valor en alguno de estos conceptos se mejore la utilización del equipo y sus rendimientos. También para que se mejore la programación del equipo para evitar tiempos muertos, su utilización con el máximo rendimiento, la preparación del personal que opera, mantiene y repara el equipo de construcción, el suministro oportuno de refacciones, combustibles y lubricantes. En la construcción de estas pequeñas presas debe buscarse abatir los precios unitarios y se maximice los volúmenes de terracerías con relación a los volúmenes almacenados. Maquinaria y Equipo Motoescrepas Tractores D-7 Camión Pipa Camión de volteo Cargador Frontal Rodillo Pata de cabra Palas, Picos Etc. Información topográfica para la Curva Áreas Capacidades: Elevación (m) Área (m2) Capacidades (en m3) 1270 100.0 --- 1271 730.0 415.0 1272 2,810.0 2,185.0 1273 5,830.0 6,505.0 1274 11,750.0 15,295.0 1275 19,750.0 31,045.0 1276 28,280.0 55,060.0 1277 40,250.0 89,325.0 1278 49,390.0 134,145.0 1279 60,000.0 188,840.0 Solución: Costos de la obra Piedra Arena Grava Internos Primero se construye la curva Áreas y Capacidades contra elevaciones: A continuación se determina el volumen escurrido: Insumos Cemento Impermeabilizante Externos Mano de obra Tubería PVC y accesorios Cerca Familiar Contratada Ve=Ce pm Ac= 0.12×0.85×200×104 Ve = 204,000 m3 Considerando un Coeficiente de aprovechamiento (Kapr) de 0.6, el volumen aprovechable es: Vapr = Kapr × Ve =0.6×204,000 = Vapr= 122,400 m3 Figura. 15. Gráfica Elevaciones Áreas Capacidades Ejemplo de cálculo. Se tiene un sitio ubicado en la parte alta de la región hidrológica del Balsas, donde se desea construir un bordo de almacenamiento con fines de abrevadero y pequeño riego, se solicita efectuar el proyecto de dicho bordo para lo cual se tiene: Ac= 200 Ha = 2 Km2 pm=850 mm Ce=0.12 Kapr=0.6 Ev=1.05 QAV.MAX.= 3.1 m3/seg (met. Secc. y Pend.); F= 0.45 Km 17 Entrando a la curva de Áreas Capacidades, se determina la Capacidad Total de Almacenamiento, resultando que: CTA = 112,000 m3, que se ubica en la cota 1,277.50 m.s.n.m.(N.A.N.), siendo esta la cota donde se ubicara la cresta de la obra de excedencias, arrojando un área de embalse de 4.5 ha, según la Figura 15. La capacidad de azolves se calcula con: Caz= Kaz Nu Ve=0.0015×25×204,000=7,650 m , adicionando a esta la capacidad para cría de peces como 2,350 m3, se toma como capacidad muerta a: 3 CM = 10,000 m , que al llevarse este a la curva Elevaciones Capacidades se ubica el N.A.min. en 1,273.40 m, cota a la que se ubicara la base de la obra de Toma, arrojando un área de embalse de 0.8 ha, según la Figura 15. El número de cabezas que pueden pastar en un potrero, es determinado por la cantidad de forraje que en él se pueda obtener; ello condiciona, en gran medida, el tamaño del abrevadero, tomando además en consideración la distancia que el ganado tiene que cubrir de los pastizales a los aguajes, condición muy importante para que no pierdan más de las energías necesarias. El número de cabezas está determinado por la siguiente expresión: 100 π d a2 nc Ca 3 La capacidad Útil, es: Cu= CTA - CM Sustituyendo valores: Cu = 112,000 – 10,000= 102,000 m3 Cu = 102,000 m3, verificando la segunda restricción hidrológica, a través de la Cuc=Vapr/Ev= 122,400/1.05=116,571 m3, entonces como: Cu < Cuc, esta bien. Considerando un 10% de la CTA, como pérdidas por evaporación e infiltración, el Volumen útil es: Vu = Cu – Vper= 102,000-11,200= 90,800 m3 Este volumen es el que se destina integramente a los beneficios, tanto para abrevadero como para una pequeña superficie de riego. Determinación de las capacidades de abrevadero y riego. El volumen útil destinado para abrevadero y riego dependerá del tamaño y profundidad de la construcción y del volumen de los escurrimientos que se encaucen hacia el almacenamiento. El primero esta supeditado al coeficiente de agostadero, al tamaño de los potreros y a otros factores limitativos. Dentro de los aspectos que deben considerarse para determinar el volumen útil para abrevadero, pueden mencionarse, entre otros, la precipitación pluvial, coeficiente de escurrimiento, los que fueron considerados para el abastecimiento, cantidad de ganado, terreno sobre el que se construye, pérdidas por filtración y por evaporación, etc. 18 (1) En la que:nC = Número de cabezas, da = Distancia máxima en Km que puede recorrer el ganado para abrevar; 16 Km para una cabeza de ganado mayor y 8 Km para una cabeza de ganado menor; y Ca = Coeficiente de agostadero, expresado por el número de hectáreas que son necesarias para mantener una cabeza; 10 ha/cab. en donde predomina el mezquite y 20 ha/cab. en donde predomina la gobernadora y pastos naturales. El factor 100 resulta de convertir Km2 en hectáreas. Para determinar la capacidad necesaria de un abrevadero se puede emplear la siguiente fórmula: 0.1π d 2 D d Td P a V a C a (2) en la que: Va = Volumen útil para abrevadero en m3 Dd = Dotación diaria de agua por cabeza de ganado en lt. Td = Tiempo en días que se considera que el ganado tomará agua en el abrevadero(en el tiempo de lluvia toman agua en cualquier depósito o charco). P = Coeficiente de pérdidas, originado en la filtración o evaporación. da y Ca = tienen el mismo significado anterior. Ejemplo de aplicación de la fórmula. Para la región donde se ubica el sitio, considerando que existen pastos naturales y gobernadora, se toman los siguientes valores para los elementos de la ecuación para el volumen de un abrevadero. da= 2 Km Ca = 10 ha / Cabeza Dd = 40 l/día / Cabeza Td = 300 días/año P = 1.3 (30% de pérdidas por evaporación o infiltración) Va 0.1 × 3.1416 × 2 2 × 40 × 300 × 1.3 1,961 m 3 10 Va = 1,961 m3 Si el depósito se va a alimentar con agua de escurrimiento que tiene su origen en la lluvia y tomando en consideración que en muchos lugares se presentan años en que poco llueve, es conveniente duplicar la capacidad del depósito para aprovechar el agua de los años lluviosos, y asegurar cuando menos un año de escasa precipitación pluvial. Por lo tanto, el volumen útil necesario para abrevadero en el ejemplo que se desarrolla, deberá ser de 3,950 m3. Puesto que los campesinos generalmente se dedican a actividades mixtas, es decir, a la agricultura y a la ganadería, es conveniente estudiar la posibilidad de que los abrevaderos cumplan estas dos funciones. Lo anterior se logra mediante el riego de superficies de cultivo factibles de irrigación, siempre que el área sea suficientemente grande para no elevar demasiado los costos por cada hectárea que implican las obras de riego. Volumen de abrevadero= 300×15 + 215×6 = 4,500 + 1,290 =5,790 m3 Diseño de la obra de excedencia. Este proceso exige la determinación de la avenida máxima, basados en el estudio hidrológico, para el presente caso habiéndose efectuado su valor por el método de sección y pendiente que dio un gasto: Q = 3.1 m3/seg, el cual se va a comparar con el de la envolvente de Creager, que al estar ubicado el sitio en la parte alta de la cuenca del Balsas (región 7B), que para la superficie de la cuenca de 2 Km2, se obtiene un coeficiente de: q = 9.28m3/seg/Km2, que al multiplicarse por el área de la cuenca, resulta: Q= Ac q=2 × 9.28=18.56 m3/seg, pero este valor es para las corrientes principales, que teniéndose una determinación puntual por el método de sección y pendiente, y ante la incertidumbre en su determinación se incrementa un 50% este último, que a la vez representa el 25% de la calculada por el método de las envolventes de Creager, teniéndose así el gasto de avenida máxima: QAV.MAX.= 3.1×1.5 = 4.65 m3/seg Figura. 16. Gráfica de las envolventes de Creager para la región hidrológica del Balsas. Vabr = 3,950 m3 Vrgo= Vu – Vabr = 90,800–3,950 = Vrgo = 86,850 m3 Considerando un Volumen bruto para medio riego -Vbmr(riego de auxilio) de 5,000 m3/ha/año La superficie de riego, es: Sr = Vrgo/Vbmr= 86,850/5,000= Sr = 17.40 ha, se dejan 17 ha, lo que hacen un volumen útil necesario para medio riego de: 85,000 m3, dejándose entonces 5,800 m3 para abrevadero. Las cantidades necesarias para una cabeza de ganado mayor es de 15 m3/cabeza/año y para una de ganado menor es de: 6 m3/cabeza/año, por lo que los 5,800 m3, se reparten en 300 C.G.M. y 215 c.g.m. Considerándose que el tipo de obra de excedencias es Lavadero (C = 1.45 m1/2/seg), proponiéndose una carga de HV =0.3 m: Q = C L HV3/2, despejando la longitud se tiene: L = Q/CHV3/2 = 4.65/(1.45×0.31.5)=19.52 m, se redondea esta al metro siguiente: L = 20.0 m Por lo que el N.A.M.E.=Elev. N.A.N. + HV = Elev. 1,277.50 + 0.3 = 1,277.80 m, con un área de embalse máximo de 4.78 ha. 19 El libre bordo, como el fetch es de 0.450 Km(< 1.6 Km), se considera: L.B.=1.0 m, según el cuadro anexo a la Figura. 2. La carga mínima de funcionamiento, según la ecuación(9), es: Quedando la altura máxima de la cortina, en: HMAX= HNAN + Hv + L.B. = (Elev. 1,277.50 – Elev. 1,270.00)+ 0.3+1.0=8.80 m HMAX = 8.80 m; La Elev. Corona=Elev.Fondo Cauce+HMAX= Elev. 1,270.00+8.8 = 1,278.80 Según el cuadro de la Figura 3, para HMAX= 8.8 m, se tiene un ancho de corona de C=4.50 m, y taludes: t1 = 2.5 y t2 = 2.5, valores de la sección que deben ser verificados por el laboratorio de Mecánica de suelos. Se toma a la rugosidad absoluta para PVC nuevo como:ε=0.003 mm, y la rugosidad relativa, es: ε/D =0.003/203.2=0.00001476; el numero de Reynolds, considerando una temperatura de 20°C, ν=1.01×10-6m2/seg, es: Re=vD/ν =1.311×0.203/1.01×10-6 = 263,490; Re=263,490, por lo que sustituyendo en la ec. (10), se tiene: f DISEÑO DE LA OBRA DE TOMA. Se considera una obra de toma del tipo tubería a presión y válvulas a la salida, para lo cual tomando en cuenta que la superficie de riego (Sr), son 17 ha, el gasto normal por extraer por la obra de toma, según el Cuadro de coeficientes unitarios de riego, mostrada adjunta a la Figura 8, Cur = 2.5 lps/ha, por lo que se tiene: QN= Cur Sr = 2.5×17 = 42.5 lps; QN = 0.0425 m /seg 3 Y para efectuar el proceso de diseño se requiere el N.m.o.i, el que se determina con el almacenamiento mínimo, dado por: Am = CM + 0.1 Cu = 10,000+0.1×102,000= 20,200 m3 Entrando con este valor a la gráfica Elevaciones Capacidades se obtiene: N.m.o.i= 1,274.40 m, este nivel permitirá probar que el diseño de la obra de toma se encuentra correcto. Se calcula el diámetro necesario en pulgadas con el gasto en lps: QN 42.5 6.52" , el siguiente diámetro coD= mercial de tubería, es el de 8”(0.203 m), proponiéndose un material de PVC. Se determina la velocidad media en el conducto: v=QN/A= 0.0425/(0.7854×0.2032)=1.311 m/seg < 1.5 m/ seg, pero se acepta ya que si se baja al siguiente diámetro comercial, la carga mínima de operación se aleja considerablemente del N.m.o.i, aparte de que como es PVC las posibilidades de azolvamiento se reducen por el bajo coeficiente de rugosidad. 20 0.25 1.476 × 10 −5 5.74 log 10 3.7 263,490 0.9 2 La suma de los parámetros de pérdida de carga localizada, observando la fig. 6, se toma a la Obra de Toma conformada con: rejilla(Kr), entrada redondeada(Ke), válvulas-2- (KG) y codo al final del conducto (KC), es: Σkx = kr+ke+2KG+kC+ks = 0.05+0.23+2(0.06×0.203-0.37) +0.25 +(1.311-0.4)2/19.62 = 0.53+0.216+0.0426 = 0.7886; Σkx = 0.789 La longitud de la tubería se calcula con: L=(Elev.Corona-Elev.N.A.min.+D/2)(t1+t2)+C= (Elev.1,278.80-Elev.1,273.40 +0.2032/2)(2.5+2.5)+4.5= 5.5016×5+4.5=32.008m f 0.25 2 1.476 × 10 −5 5.74 = log10 3.7 263,490 0.9 = 0.0876×4.1345 = 0.362 m; hmin=0.362 m Para el N.m.o. se considera que la descarga de la tubería es a un canal, tal como se muestra en la Fig.10, así es: N.m.o. = Elev N.N.A.canal+hmin Elev N.N.A.canal=Elev. N.A.min.+D+Sum=Elev. 1,273.40 +0.2032+0.25=1,273.853 N.m.o. = Elev.1,273.853+0.362= Elev. 1,274.215 Como el N.m.o. es poco menor que el N.m.o.i, se considera bien diseñada la Obra de toma, con la única deficiencia en la velocidad mínima, ya que el siguiente diámetro comercial hacia abajo incrementa notablemente la hmin. A continuación se diseña el canal con el gasto normal, dejando satisfechas las exigencias de: a) Relación plantilla-tirante, b) d > dc y c) vmin<v<vmax, en la que: vmax<vadm<v0.8vcrit Basados en lo anterior se obtuvo la siguiente sección para el primer tramo de canal: Q = 0.0425 m3/seg; n= 0.020 s= 0.0015 m=1.0 b=0.20 m d= 0.2222 m dc= 0.132 m A = 0.0938 m2 p = 0.8285 m r = 0.1132 m v = 0.45 m/seg e = 0.10 m er = 0.05 m b/d = 0.9001 BIBLIOGRAFÍA. Arteaga, T. R. E.(1985)”Normas y Criterios Generales que rigen el proyecto de un Bordo de Almacenamiento”, Depto. de Irrigación, UACh., Chapingo, Méx. Bautista Vélez, Héctor (1975)”Construcción de Pequeños Almacenamientos”, Simposium sobre Pequeños Almacenamientos, SMMS, México D.F. Elaboró: Dr. R. Eduardo Arteaga Tovar, [email protected] y [email protected] Departamento de Irrigación de la Universidad Autónoma Chapingo, Chapingo, Méx Revisión Técnica: Dr. Demetrio S. Fernández-Reynoso. Departamento de Hidrociencias, Colegio de Postgraduados. Se obtiene la cota de inicio del canal, con: Cota Inicio Canal=Elev.N.N.A.-d=Elev. 1,273.853-0.2222 = Elev. 1,273.631 Se determina la sección para el gasto máximo, cuando la elevación del embalse es el N.A.M.E., por lo que siguiendo le procedimiento establecido, se llega a la siguiente sección: Q = 0.138 m3/seg; A = 0.2272 m2 n= 0.020 p = 1.2946 m s= 0.0015 r = 0.1755 m m=1.0 v = 0.61 m/seg e = 0.10 m b=0.20 m d= 0.387 m er = 0.05 m hMAX= 3.798 m N.Max.A. canal=1,274.018 Con lo anterior se diseña el limitador de gasto, ubicado en el canal principal a una cierta distancia de la obra de toma, para el cual el gasto del mismo es: Qlim=QMAX-QN=0.138-0.0425= 0.0955 m3/seg Hlim =dMAX – d = 0.387 -0.2222 = 0.1648 m Considerando que el limitador es un vertedor tipo lavadero, se tiene para la longitud: Llim = Q/ CHlim3/2=0.0955/(1.45×0.16481.5)= 0.9845 m Se toma como: Llim = 1.00 m 21
