manual del curso de irrigacion- nuevo

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTAFACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO ACADEMICO DE INGENIERIA CIVIL Y SISTEMAS

MANUAL DEL CURSO

DE IRRIGACIÓN Y DRENAJE

M.Sc. Ing. Hugo Rojas Rubio

Diagramadora: Maura López Loyola

1

Manual del curso de Irrigación y Drenaje Hugo Amado Rojas Rubio

NUEVO CHIMBOTE, SETIEMBRE DEL 2010

Primera Edición Setiembre 2010

Universidad Nacional del SantaFacultad de IngenieríaAv. Universitaria s/n-Urb. BellamarTelefax N° (151) 043-316225

Derechos Reservados®

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Prohibida la reproducción total oparcial de este libro por cualquiermedio sin permiso expreso del autor

A MI FAMILIA

Echa tu pan sobre las aguas corrientes, que al cabo de mucho tiempo lo hallarás.

3


Eclesiastés XI-I

PROLOGO

El presente manual, viene a ser el resultado de la recopilación de diversas fuentes

bibliográficas y de la experiencia del autor en el ejercicio profesional y académico.

El objetivo principal del libro es proporcionar un texto a los estudiantes de los

últimos años de la Escuela de Ingeniería Civil de la Universidad Nacional del

Santa. Asimismo una obra de consulta para ingenieros, proyectistas y diseñadores

de obras hidráulicas.

El conocimiento de la mecánica de los fluidos, hidrología y de la hidráulica,

constituye la base fundamental para el diseño de las estructuras hidráulicas que

conducen el flujo a superficie libre y a presión. En el capítulo II de la I unidad del

curso, se hace una introducción al estudio de la cuenca hidrográfica como

elemento fundamental en la forma de escurrimiento fluvial, la estimación de la

dotación de riego y al diseño de canales en régimen de flujo uniforme y

permanente.

La segunda unidad del manual, describen las metodologías y procedimientos a

tener en cuenta para el diseño de un sistema de drenaje agrícola, las estructuras

que la componen, y las implicancias en la ejecución de un proyecto de riego. El

texto se ha orientado a las características de las cuencas andinas, en el que se

halla el Perú, el cual presentan un comportamiento similar a las ubicadas dentro

de la influencia de la cordillera de los Andes, en la parte occidental de

Sudamérica.

En el capítulo IV de la tercera unidad del curso, se tratan los sistemas de drenaje

pluvial urbano y de carreteras, realizando el estudio y diseño de los componentes

de acuerdo a las normas de drenaje del Reglamento Nacional de Edificaciones y

reglamentos vigentes.

Escribir un libro es un arduo trabajo, que difícilmente puede ser hecho realidad por

una sola persona, debemos partir del hecho primigenio que no hemos nacido

sabiendo lo que hacemos, sino que hemos aprendido, directa o indirectamente de

otros a los que llaman pioneros. Evidentemente aparecerán algunas deficiencias

en el texto y queda a consideración del lector su opinión y ayuda para mejorarlo.

HUGO AMADO ROJAS RUBIO

Chimbote-Perú

4


Octubre del 2010

“LA MAYOR NECESIDAD DEL MUNDO ES LA DE HOMBRES QUE NO SE VENDAN NI SE

COMPREN, HOMBRES QUE SEAN SINCEROS Y HONRADOS EN LO MAS INTIMO DE SUS

ALMAS, HOMBRES QUE NO TEMAN DAR AL PECADO EL NOMBRE QUE LE CORRESPONDE,

HOMBRES CUYA CONCIENCIA SEA TAN LEAL AL DEBER COMO LA BRUJULA AL POLO,

HOMBRES QUE SE MANTENGAN DE PARTE DE LA JUSTICIA AUNQUE SE DESPLOMEN LOS

CIELOS”

ELENA G. de WHITE

5


CONTENIDO

Prologo

Capítulo I

Introducción 7

Capítulo II

Primera Unidad

DISEÑO DE SISTEMAS DE RIEGO A GRAVEDAD Y PRESIÓN

2.1 Los recursos hídricos y la cuenca 10

2.2 Obras de conducción 19

2.3 Estudios hidrológicos y necesidades de agua 46

2.4 Sistemas de riego a presión 77

Capítulo III

Segunda Unidad

DRENAJE AGRÍCOLA SUPERFICIAL Y SUBTERRÁNEO

3.1 Concepto de drenaje 100

3.2 Problemas del drenaje 106

3.3 Elementos de dimensionamiento de la red de drenaje 108

3.4 Ecuaciones para flujo permanente 110

3.5 Fórmulas para régimen variable 114

Capítulo IV

Tercera Unidad

DRENAJE URBANO Y EN CARRETERAS

4.1 Sistema de drenaje urbano 118

4.2 Criterios de diseño en drenaje urbano 119

4.3 Método racional 128

6


4.4 Criterios de diseño en drenaje para carreteras 133

4.5 Drenaje superficial, diseño de cunetas 136

4.6 Ejemplo de diseño de drenaje pluvial 141

4.7 Hidrología y cálculos hidráulicos 155

4.8 Drenaje subterráneo 174

REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA 199

INTRODUCCIÓN

El manual del curso permitirá al alumno disponer de los conocimientos necesarios para

el diseño de estructuras hidráulicas de un proyecto de irrigación, y de un sistema de

drenaje. El estudiante aplicará conocimientos básicos de la hidráulica e Hidrología.

Entre los temas que se desarrollaran son: diseño de sistemas de conducción y

distribución del agua, demanda de riegos, riego por gravedad, goteo y aspersión, obras

de embalse, drenaje en los proyectos de irrigación y caminos.

Una serie de problemas económicos y sociales están ligados al desarrollo de los

proyectos hidráulicos del país; dentro del campo académico de la universidad, el curso

de Irrigación y drenaje tiene por objeto a que el alumno adquiera capacidades para que

pueda desenvolverse satisfactoriamente en la técnica de las irrigaciones y drenaje de los

suelos, marcándole de esta manera una pauta para que, complementando los estudios

realizados en el aula, pueda abordar con criterio claro los importantes problemas que se

nos plantean en el campo del desarrollo de la ingeniería hidráulica y drenaje.

La práctica de riego en tipos de suelos donde la napa freática no desciende con la

rapidez necesaria, produce perjuicios en el cultivo ocasionando grandes pérdidas. Para

la solución de este problema es necesario un drenaje ordenado de las tierras a

cultivarse. Asimismo la ausencia o deficiente construcción de un drenaje en una

carretera o ciudad, contribuirá al deterioro de la estructura e infraestructura urbana.

En el diseño de un adecuado sistema de drenaje se debe tener en cuenta diversos

factores, ya que el papel de dicho sistema es acortar la distancia que el agua debe

7


recorrer en el medio poroso aumentado el grado del flujo superficial o producir un flujo

por tubería. Obviamente el agua no dejará el perfil del suelo para ingresar al dren o

zanja, si es que la energía potencial del agua en el dren no menor que la del suelo; lo

que significa que el dren debe colocarse por debajo del nivel del agua freática, que

viene a ser el lugar geométrico de los puntos en que el potencial matricial es nulo, por

tanto, el nivel freático no puede ser inferior al nivel del dren.

OBJETIVOS GENERALES DEL MANUAL

El alumno será capaz de conocer la importancia de los proyectos Hidráulicos y

su implicancia en el desarrollo del País.

Asimismo conocer y diseñar estructuras que conforman un sistema de irrigación,

que va desde las obras de cabecera o de captación, represamiento, sistemas de

conducción y distribución, hasta las obras finales de drenaje.

Aplicar principios y técnicas de ingeniería de riego y drenaje para resolver

problemas de manejo del agua en la parcela agrícola.

Aplicar métodos para determinar la demanda de riego, para, posteriormente,

calcular y diseñar los sistemas de conducción y distribución: canales,

transiciones y túneles.

Conocer los diferentes sistemas de riego y estructuras que lo conforman.

Plantear un sistema de drenaje y las principales estructuras hidráulicas que

requieren para su funcionamiento y operación.

Diseñar las obras de drenaje que comprenden un sistema de drenaje vial, urbano

8


y agrícola, tales como cunetas, alcantarillas, colectores, zanjas de drenaje,

tuberías perforadas, entre otras estructuras.

PROGRAMA INSTRUCCIONAL

El manual del curso se desarrollará en tres unidades de acuerdo al silabo:

PRIMERA UNIDAD: diseño de sistemas de riego a gravedad y presión

SEGUNDA UNIDAD: drenaje agrícola superficial y subterráneo

TERCERA UNIDAD: drenaje urbano y en carreteras

9


DISEÑO DE SISTEMAS DE RIEGO A GRAVEDAD Y PRESIÓN

II DEFINICIÓN DE IRRIGACION

La irrigación se define como la integración del agua, suelo y clima. Estos tres

importantes factores deben ser estudiados y calificados detalladamente puesto de que de

cada uno de ellos depende la factibilidad de un proyecto de irrigación.

2.1 LOS RECURSOS HÍDRICOS Y LA CUENCA

UTILIZACIÓN DE LOS RECURSOS HÍDRICOS.

En la utilización de los recursos hídricos, es necesario regular tanto la

cantidad como el nivel energético del agua. Esto, debido a que muy

raramente el agua se encuentra en el lugar y momento en el cual se le

requiere para su utilización. Generalmente hay que conducirla desde las

fuentes de abastecimiento o utilizar equipos de bombeo para suministrar el

agua en puntos mas elevados.

La intervención del hombre en los procesos naturales para el

aprovechamiento del recurso hídrico, requiere de la construcción de diversas

estructuras hidráulicas. La Hidrotecnia, es la ciencia aplicada que estudia los

métodos de diseño y las técnicas de construcción adecuadas para la

construcción de tales estructuras, lo cual está íntimamente ligada con otras

ciencias de la Ingeniería, como la Hidráulica, Hidrología, Topografía,

Geología, Mecánica de suelos, ciencia de los materiales, teoría de las

10

I UNIDAD


estructuras y otras, que permiten realizar el diseño de obras estables,

resistentes y de mínimo impacto ambiental.

Continuamente, las necesidades de agua para uso doméstico, industrial, riego

entre otros, va en aumento cada año, y su falta es cada vez más notoria. La

escasez de agua está determinada por dos factores:

1) El crecimiento demográfico de la población en el mundo.

2) El aumento de la demanda por habitante, condicionado por la

elevación del nivel de vida, industrialización, extensión de

cultivos, etc.

Por ejemplo, según G.A. Hathaway en el año 1900, en los Estados Unidos se

consumía en promedio (incluyendo agua potable, riego, industrias y otros

usos) 2,000 lts/hab/día. En el año 1950, esta dotación se incrementó a 4,000

lts/hab/día, y la población se había duplicado. Esto significa que en 50 años,

el total de agua consumida se había cuadruplicado. La cantidad total

utilizada en 1,950 era de 7,400 m 3/seg, de la cual más de la tercera parte era

para la industria y el 50% para riego. El caudal indicado representa la octava

parte del caudal total de los ríos y acuíferos del País. En 1,964 el consumo

de agua se incrementó a 13,800 m 3/seg, y a finales de 1980, el gasto fue de

27,500 m3/seg.

El principal y más importante uso del agua según la legislación de la mayoría

de países del mundo; es para el consumo humano, luego para los animales

domésticos, riego y otros usos. Sin embargo, es frecuente el conflicto entre

posibles usos, siendo necesario establecer planes y alternativas para la

selección en forma técnica y económica de los proyectos que consideren la

utilización óptima y sostenible de los recursos hídricos. Es preferible,

siempre que se pueda, priorizar la construcción de Proyectos de

aprovechamiento múltiple.

11


Por esto, se hace necesario establecer una política del uso racional del agua

basado en el principio de la conservación de los recursos naturales: agua,

suelo, aire y de conservación del medio ambiente. Debe iniciarse por un

catastro e inventario de los recursos en lo que se refiere a cantidad y calidad

del agua, ubicación de las probables fuentes de abastecimiento y evaluación

de la factibilidad para su aprovechamiento.

Para este propósito, cumplen un rol importante las instituciones como el

Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología, Instituto de Recursos

Naturales, Instituto Geográfico y Geológico, Empresas de saneamiento y de

generación eléctrica.

La primera decisión a tomar se refiere generalmente al tipo y ubicación de

las obras de toma, pues a esta se subordinan las obras complementarias del

proyecto. Entre los criterios que se consideran para la selección y ubicación

se encuentran:

1) La cantidad de agua disponible debe ser suficiente para cubrir la

demanda prevista.

2) La relación beneficio/costo de las obras deberá ser el mayor.

3) Las obras deben satisfacer las condiciones necesarias de seguridad

y propiciar el desarrollo sustentable del área de influencia del

proyecto.

2.1.1 Disponibilidad del agua superficial en el Perú

El Perú está ubicado en la zona central occidental de América del Sur, tiene

una superficie de 1,285,216 Km 2. Su territorio comprende tres regiones

naturales:

Costa. Comprendida entre el Océano Pacífico y las estribaciones de la

cordillera occidental de los Andes, con altitudes variables de 0 a 2,000

msnm. y un ancho máximo de 160 km. Ocupa 136,361 Km2 (10.61 % del

territorio nacional) y es atravesada por 53 ríos, que nacen en los andes. Su

clima es desértico con precipitaciones pluviales inferiores a 50 mm anuales.

En ella está concentrada la actividad productiva industrial y agropecuaria, y

las grandes ciudades del país.

12


Sierra. Entre los piedemontes occidental y oriental de los Andes. Ocupa

391,991 Km2 (30.50 % del territorio nacional, con 70 % de su área por

encima de 3,000 msnm. El clima es variable desde templado a gélido polar

con precipitaciones pluviales, que ocurren en el período diciembre-marzo,

variables entre 300 mm anuales en el sur y 900 mm anuales en el norte.

Predominan en ella pequeños valles interandinos, y ciudades rurales de

pequeño y mediano porte; la principal actividad económica de la región es la

minería.

Selva. Abarca desde el piedemonte oriental de los Andes desde los 2,000

msnm hasta la llanura amazónica 80 msnm. con elevaciones que definen la

Selva Alta y Baja. Cubre 756,864 Km 2 que corresponden al 58.89% de la

superficie del país. El clima es tropical y la precipitación anual varía entre

3,000 y 4,000 mm. La región está muy poco ocupada y en ella predominan

las actividades extractivistas.

Sus aguas superficiales están distribuidas en tres grandes vertientes,

delineadas por la Cordillera de los Andes:

a. Vertiente del Pacífico . Cubre 278,892 km2 (21.70%) y comprende 53

cuencas hidrográficas con disponibilidad de agua entre diciembre y marzo

(periodo húmedo).

b. Vertiente del Atlántico. Ocupa 957,486 km2 (74.50%) y esta conformada

por 44 cuencas que drenan al río Amazonas.

c. Vertiente del Titicaca . Alcanza a 48,838 km 2. (3.80%) y comprende 9

cuencas que descargan sus aguas al Lago Titicaca.

El recurso hídrico es abundante en la vertiente Atlántica y escasa en las

vertientes del Pacífico y del Titicaca. La disponibilidad de agua de fuentes

superficiales y subterráneas a nivel nacional, se estima en 2´046,288 MMC.

En la Vertiente del Pacífico la disponibilidad de agua se estima en 36,660

Hm3 que representa menos del 1.0 % del total. En la Vertiente del Atlántico

la disponibilidad es de 3’769,000 Hm 3 que corresponde la 99 % del total.,

13


Mientras que en la Vertiente del Titicaca la disponibilidad es de 6,970 Hm 3,

equivalente a 0,02 % del total.

En la costa y en la sierra los ríos son de régimen temporal e irregular, con

corto período de disponibilidad de agua (diciembre a abril) y prolongado

período de estiaje (mayo a noviembre), En la costa se estima que se dispone

de 2,885 m3 de agua superficial por habitante muy por debajo del promedio

mundial de 8,500 m3 por habitante.

En el caso de la vertiente del Atlántico, el recurso es abundante con una

disponibilidad de 450,840 m 3 de agua superficial por habitante. Para

regularizar las descargas de los ríos de la costa e incrementar la oferta para

atender la demanda creciente, desde 1950 se han construido embalses de

agua superficial, con una capacidad anual de almacenamiento igual a 2,845

MMC.

Cuadro 2.1: Disponibilidad del agua por vertientes en el Perú

Vertiente Superficie Población

Disponibilidad de agua en ríos

Índice

En 1.000 km2 Miles %Millones m3

anuales% m3/hab./año

Pacífico 280 18.430 70 37.363 1,8 2.000Amazónica 959 6.852 26 1’998.752 97,7 291.000Lago Titicaca 47 1.047 04 10.172 0,5 10.000Total 1.285 26.382 100 2’046.287 100 77.534

Fuente: Comisión Técnica Multisectorial 2004: INRENA

La mayoría de los ríos del país están contaminados por el vertimiento

incontrolado de elementos y sustancias nocivas, proveniente de las descargas

de usos minero-metalúrgicos, poblacionales, industriales, agrícolas y de la

explotación de hidrocarburos. El último estudio sobre la calidad del agua

superficial, elaborado en 1984, muestra que prácticamente en todos los ríos

se sobrepasa los niveles permisibles de cadmio, zinc y cobre.

Si se trata de agua para el consumo humano, el criterio principal es el de la

cantidad. La vida no es posible si no se dispone de una cantidad mínima de

14


agua para sobrevivir y el bienestar. La dotación de agua por habitante y por

día, es un índice cualitativo del nivel de vida de una población.

Se debe por lo tanto, buscar una fuente de agua capaz de proporcionar esa

cantidad de agua, sin considerar el costo. El costo no es un criterio

determinante, pues por elevado que sea, más costoso resultaría en el futuro la

carencia de agua.

Establecido este primer principio, entra en consideración el tratar de escoger

la alternativa menos costosa de todas las posibles, y en este punto hay que

tomar en cuenta la calidad del agua. El agua, debe ser pura y limpia para

proteger la salud de la población que la consume, y en la mayoría de los

casos deberá ser tratada.

Por lo general, las aguas subterráneas y los manantiales, pueden ser usados

para consumo doméstico con ninguno o un ligero tratamiento; mientras que

las aguas superficiales están contaminadas en mayor o menor grado. Si se

tiene el caso de disponer tanto de aguas superficiales como subterráneas en

cantidad suficiente para satisfacer la demanda de una población, es el estudio

económico el que determinara cuál de las dos fuentes debe ser aprovechada.

Las aguas subterráneas pueden ser limpias y no requerir mayor tratamiento,

pero para su explotación será necesario de un bombeo costoso. En cambio las

aguas de un río podrán captarse por gravedad, pero seguramente necesitara

de un tratamiento permanente. Solo un estudio completo de las dos

alternativas, podrá determinar cuál de estas es la más conveniente. La

disponibilidad de reservas explotables de agua subterránea ha sido estimada

en 2,739.3 MMC, mientras que el volumen explotado, mayoritariamente en la

Vertiente del Pacífico es de 1,508 MMC por año.

En el caso de sistemas para el abastecimiento de agua potable, el proyecto no

sería satisfactorio si el agua no se dispone de la cantidad suficiente. Muy al

contrario de lo que sucede para un sistema de riego o de una central

hidroeléctrica, en el que se puede reducir la superficie a cultivar o la energía

15


producida, y el proyecto puede ser viable de todos modos mientras sea

económicamente justificable.

Existen otras diferencias que son inherentes al uso del agua, así por ejemplo

podemos considerar:

Uso Consuntivo: Cuando una parte de su masa se pierde a consecuencia

del uso. Es el caso del agua para consumo poblacional

y para riego.

Uso no consuntivo: La pérdida no es significativa por el uso del agua.

Uso degradante: Es cuando el agua pierde su calidad con el uso.

Uso no degradante: Cuando no pierde su calidad.

Cuadro 2.2 Uso del agua a nivel nacional por población y principales sectores productivos

Vertientes Población Agrícola Industrial Minero Total

Pacífico 2,086 12% 14,051 80% 1,103 6% 302 2% 17,542 87.40%

Atlántico 345 14% 1,946 80% 49 2% 97 4% 2,437 12.14%

Titicaca 27 30% 61 66% 3 2% 2 2% 93 0.46%

Total 2,458 12% 16,058 80% 1,155 6% 401 2% 20,072 100 %

Fuente: Intendencia de Recursos Hídricos, INRENA 2006

Características de una cuenca de montaña

Una cuenca de montaña se caracteriza principalmente por las elevadas

pendientes de sus suelos y los reducidos caudales que generan. En los ríos de

montaña en equilibrio, los cambios se manifiestan luego de largos períodos

de tiempo, debido a la estabilidad de sus suelos y a la protección que

representa la vegetación.

En los ríos de montaña en desequilibrio, las condiciones de régimen no se

presentan, porque los cambios son más rápidos. El desequilibrio se originará

debido a la inestabilidad geológica, movimientos de masas por erosión o por

intervención antrópica (agricultura, minería, vías de comunicación, etc.).

16


Un río de montaña o torrente es un curso de aguas superficiales con

pendientes pronunciadas que presenta gran diferencia entre los caudales de

crecida y de estiaje. Durante la época húmeda, conducen caudales grandes y

en época seca los caudales de escurrimiento son muy pequeños, llegando en

muchos casos a no tener escurrimiento superficial.

Tienen en común su gran pendiente y los importantes volúmenes de suelo

que mueven, principalmente en época húmeda. Durante los meses de estiaje,

el proceso de transporte de sedimentos se atribuye principalmente a la

energía eólica.

La cuenca de un río de montaña, en general, consta de tres sectores:

· Cuenca Receptora

· Tramo medio

· Cono de deyección

Figura 2.1 Cuenca hidrográfica del río Rímac

Actualmente el concepto de cuenca, aparte del espacio físico recolector de

agua de lluvia, tiende a considerar el sistema que constituye la cuenca en el

marco del equilibrio energético, en el sentido más amplio del término,

entendiendo al medio físico natural, que constituye la cuenca, como el

espacio en el que interactúan diferentes tipos y niveles de energía.

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La estabilidad del sistema se alcanzará en la medida en que las diferentes

energías encuentren niveles de armonía, es decir, que el exceso de uso de

energía repercutirá en el deterioro de alguna otra (u otras) energía(s). Por lo

tanto, será misión del manejo de una cuenca llegar a niveles de equilibrio

energético, cuya manifestación será la sostenibilidad de la cuenca.

AREAS REGADAS EN EL PERÚ

En el cuadro se muestra los principales valles de la costa peruana, la distribución de

cultivos y los aportes promedios anuales en millones de metros cúbicos de los diferentes

ríos de la costa.

SUPERFICIE DE LA LABRANZA RIEGO Y EN SECANO

PERU TOTAL ( ha) COSTA SIERRA SELVA

Tumbes 9768 400 10168 9768 400

Piura 151249 23992 175241 14445 6804 23992

Cajamarca 49366 176146 225512 35614 154521 13752 21625

Loreto 104492 104492 104492

Amazonas 20273 29794 50067 5083 26427 15190 3367

Lambayeque 126330 50001 131331 123308 3022 5001

La Libertad 121166 105332 226498 106887 14279 105332

san Martín 7209 7209 7209

Ancash 87042 125440 213082 37522 50120 125440

Huánuco 22354 88816 111170 21847 55239 507 32877

Ucayali 7000 7000 7000

Pasco 75065 75065 52145 22920

Lima 175775 41515 135153 135153 40622 41515

Junín 8423 160341 168764 8423 100203 60138

Ayacucho 52425 143535 195960 52020 135680 504 7855

Ica 107778 370 108148 107110 668 370

Cusco 30414 170962 201376 25040 147660 5374 13302

Apurímac 8021 83486 91507 8021 83486

Madre de

Dios5945 5945 5945

Arequipa 74725 3650 78375 38653 36072 3650

Puno 60 166240 166300 60 151805 14435

Moquegua 11833 480 12313 3696 8137 480

Tacna 19084 19084 9318 9766

Total Nacional 1091166 1740086 2831252 729935 400 366003 136681 33228 376005

18


SUPERFICIE AGRÍCOLA ACTIVA ENCARGADO RIEGO Y SECANO has.

Zona Norte 449102 300165 749267 374083 47077 277173 27942 22992

Zona Centro 362552 452832 815384 248285 114060 339897 207 112935

Zona Sur 180912 313698 449610 44917 130216 264361 5779 46337

Zona Oriente 166541

Total

Nacional 992566 1233236 2225802 667285 291353 881431 33928 351805

Con la finalidad de coordinar en la mejor forma las clases teóricas y las

prácticas, empezaremos el estudio de las necesidades de agua para una futura irrigación,

pasando luego al estudio de bocatomas y canales.

2.2 OBRAS DE CONDUCCION

CANALES:

Se llaman canales a los cauces artificiales de forman regular que sirven para conducir

agua. El flujo del agua se produce sin presión; o sea, siempre existe una superficie libre

en el cual se tiene la presión atmosférica. Puede por lo tanto considerarse canal

cualquier conducto cerrado, como un tubo o túnel que se encuentra funcionando

parcialmente lleno.

Se llaman canales abiertos a los conductos que van a cielo abierto, es decir aquellas que

se excavan a media ladera por lo general, y el material excavado de ser posible se utiliza

en el relleno del labio inferior. Se llaman túneles a los conductos que se excavan bajo

tierra con el objeto de atravesar una loma.

CRITERIOS PARA EL TRAZADO:

El criterio que dirige el trazado de los canales o túneles y la selección de una u otra

posibilidad es el de conseguir la mayor eficiencia hidráulica y seguridad de las obras

con el menor costo.

El trazado de trabajo es similar a la que se realiza para carreteras, con la principal

diferencia de que la pendiente longitudinal de un canal debe ser siempre positiva

(bajando en la dirección del movimiento del agua) y puede variar solo dentro de ciertos

límites.

19


Por lo general, el sitio de la iniciación de la utilización del agua, como tanque de

presión (Riego por Aspersión y/o goteo), comienzo de la zona de riego, etc. Esta

establecida y desde allí se traza la línea de gradiente hacia el río para determinar la

ubicación de las obras de toma.

La gradiente del canal es forzosamente menor que la del rió y mientras menor es la

primera, más larga resulta la longitud del canal y mayor el costo. A la inversa, un canal

disminuye de sección y consiguientemente de costo con el aumento de la gradiente.

Si se traza la línea del canal desde la toma hasta el sitio donde se utilizara el agua,

siguiendo las líneas de nivel del terreno y descendiendo el numero de metros por

kilómetros que da la gradiente escogida, se puede obtener un resultado sumamente

tortuoso, que puede tener una longitud dos o tres veces mayor que la línea recta que une

los dos puntos.

Figura 2.2. Procedimiento de trazado del eje de un canal

Por eso debe estudiarse la posibilidad de rectificar la alineación acortando su longitud

por medio de túneles, acueductos, rellenos u otros tipos de obras. En cada caso es

necesario comparar el costo de las distintas alternativas. Los túneles se construyen

cuando representan una solución más económica o más estable que un canal abierto.

Si la pendiente transversal del terreno es muy fuerte (45° o mas), entonces el volumen

de excavación de la plataforma se hace tan grande que resulta mas económica hacer un

túnel.

También cuando el canal debe contornear una loma muy pronunciada, muchas veces se

puede reducir considerablemente la longitud por medio de un túnel que atraviesa la

loma de un lado a otro.

20


El túnel se construye cuando la longitud de recorrido de un canal es mayor a 2.5

longitud del túnel

Al comparar los costos de un canal con un canal, es necesario tomar en cuenta no solo

las inversiones, sino también los tiempos de construcción Un túnel puede costar mucho

menos que un canal, pero su construcción tendrá un avance de 1 metro hasta 5 metros

por un día, lo cual si tiene gran longitud demoraría mucho tiempo en completarse.

SECCION TRANSVERSAL:

Al realizar el diseño de un canal, generalmente son dados el caudal Q que se desea

conducir y la gradiente de la que se dispone y que puede variar dentro de ciertos límites.

También se conoce el coeficiente de rugosidad que dependerá del tipo de revestimiento

que se escoja.

El área mojada se calcula en función de la velocidad aceptable en el canal. Esta

generalmente varía de 0.60 m/s y 3 m/s para evitar la sedimentación y la erosión.

La forma de la sección óptima, hidráulicamente hablando, es aquella que con su

superficie mojada mínima, conduzca el caudal máximo. La sección que tiene las

21


mejores características hidráulicas es semicircular pero es relativamente difícil de

construir y generalmente carece de estabilidad. Por este motivo la forma de sección mas

usada en canales es la trapezoidal, tal como se muestra en la figura anterior.

CLASIFICACION DE LOS CANALES

De acuerdo a su Origen:

Naturales

Artificiales

Según la Sección:

Rectangulares

Trapezoidales

Triangulares

Circulares

Herradura (Horse-Shoe)

Según la Función que Cumplen.-

Canal de Derivación

Canal Madre o Principal

Canales Distributarios

Drenes

ELEMENTOS DE UN CANAL:

GEOMETRICOS CINETICOS DINAMICOS

Tirante=d v n

Area =d (b+zd) Q s= hf/L

Perímetro= b+2d√1+Z2

Ancho Fondo =b

Ancho Superficial = B=b+2zd

CRITERIOS DE DISEÑO PARA CANALES DE FLUJO UNIFORME

Para el diseño de un canal se presume que el escurrimiento se desarrollará en

condiciones de flujo uniforme.

22


El flujo no uniforme se presentará en situaciones de cambios en la pendiente, rugosidad,

dimensiones de la sección, embalsamientos, caídas o por cambios inducidos por la

operación de órganos de operación o seguridad.

SECCIÓN HIDRÁULICA ÓPTIMA: Se dice que un canal es de máxima eficiencia

hidráulica cuando para la misma área y pendiente conduce el mayor caudal, ésta

condición está referida a un perímetro húmedo mínimo, la ecuación que determina la

sección de máxima eficiencia hidráulica es:

Siendo el ángulo que forma el talud con la horizontal, arctan (1/z)

SECCION DE MÍNIMA INFILTRACIÓN: Se aplica cuando se quiere obtener la menor

pérdida posible de agua por infiltración en canales de tierra, esta condición depende del

tipo de suelo y del tirante del canal, la ecuación que determina la mínima infiltración

es:

En el diseño hidráulico de los canales, se debe tener en cuenta las leyes de la hidráulica

y los criterios siguientes a continuación:

a) VELOCIDAD MAXIMA DE EROSION.- Durante el diseño hay que tener en cuenta

el hecho de que las velocidades de la corriente del agua en el canal excesivamente

grande, pueden actuar de una manera destructiva sobre el fondo y las paredes de este.

La velocidad media del agua en el canal debe ser menor que la velocidad de socavación.

En el cuadro siguiente se dan las velocidades admisibles límites en función de los suelos

y el tipo de revestimiento en los cuales discurre el agua:

La velocidad máxima en un canal trapecial, se obtiene cuando este se diseña con la

sección óptima o de área mínima, por el hecho que si el gasto Q es constante y el área es

mínima = Amin, entonces: Q/Amin = Vmax.

23

by=2*tg( θ

2 )

by=4*tg( θ

2 )


El área mínima se obtiene de un ejercicio de máximos y mínimos que se basa en la

hipótesis que el perímetro mojado P también debe ser mínimo, el resultado del ejercicio

establece la relación entre el ancho del fondo canal b y su profundidad y según la

siguiente formula.

Dónde: k = √(1+z12) + √(1+z2

2) - ẑ

VELOCIDAD MAXIMA DE EROSION

Características del Suelo o del Revestimiento del Canal Velocidad en m/s

- Suelo Limoso, Turba descompuesta

- Arena Arcillosa suelta, arcillas blandas

- Turba Fibrosa poca descompuesta

- Arcilla arenosa madias y compactas

- Arcillas duras

- Encespedado

- Conglomerado

- Madera cepillada

- Concreto f’c 140 Kg/cm2

- Concreto f’c 210 Kg/cm2

- Plancha de acero

0.25-0.50

0.70-0.80

0.70-1.00

1.00-1.20

1.20-1.80

0.80-1.00

1.80-2.40

6.00-6.50

3.80-4.40

6.60-7.40

12.00-30.00

b) VELOCIDAD MINIMA DE SEDIMENTACION.-

Otro de los problemas que tiene que afrontar el ingeniero hidráulico al proyectar canales

consiste en el transporte de los sedimentos. La velocidad demasiada baja produce el

depósito de los sedimentos, disminuyendo la sección del canal y a veces azolvándolo

por completo.

24


La corrección de estos defectos es costosa y por eso desde hace mucho tiempo se ha

estudiado la forma de crear un canal estable. Por definición un canal estable, es aquel en

el que no se presenta ni erosión ni sedimentación (azolvamiento).

El primer estudio sobre canales estables fue publicado por Robert G. Kennedy, en base

a proyectos de irrigación de ISRAEL, LA INDIA, LA UNIÓN SOVIÉTICA y los

EE.UU., llegando a establecer la siguiente expresión como velocidad limite que no

produce sedimentación:

Vo = βh 0.64

Vo = Velocidad media limite que no produce asolvamiento (m/s).

β = Coeficiente que depende del material en suspensión

h = Profundidad del agua (mts)

COEFICIENTES DE SEDIMENTACION

Material en Suspensión Valores β

Arcilla muy fina 0.59

Arena muy fina 0.58

Barro arenoso 0.64

Arcilla Gruesa 0.70

c) RELACION DE MAXIMA EFICIENCIA HIDRAULICA:

Entre las diferentes secciones que pueden adaptarse en el diseño de los canales, algunas

secciones tienen condiciones llamadas de Máximas Eficiencia Hidráulica, son aquellas

que para un mismo gasto, pendiente y revestimiento, requieren un área mojada mínima.

Se deduce que a igualdad de sección mojada, el caudal es tanto mayor cuanto mayor es

el radio hidráulico o lo que es lo mismo, cuanto menor es el perímetro. Se puede por lo

tanto determinar las dimensiones hidráulicas más ventajosas para distintas formas de

canales.

Así tenemos para una sección trapezoidal:

A=d(b+zd) b = A/d – zd reemplazando en P:

P=b+2d√1+Z2 P=A/d - Zd+2d√1+Z2=0

25


El máximo gasto a igualdad de sección se produce cuando el perímetro es mínimo.

Derivando la ecuación e igualando a cero.

dP/dd = -A/d2 – Z + 2√1+Z2 = 0

De donde Obtenemos:

A/d2 = 2√1+Z2 – Z

Definiendo X, a la relación b/d, se obtiene: X = 2(√1+Z2 – Z)

Estableciéndose el siguiente cuadro para diversas secciones de canal.

TALUD

Z0 1:1 ¼:1 ½:1 1½:1 2:1 3:1 Circulares

Horse-

Shoe

X = b/d 2.00 0.83 1.56 1.24 0.61 0.47 0.32 0.80 0.82

EJEMPLO DE SECCIÓN DE MÁXIMA EFICIENCIA HIDRÁULICA.-

Supongamos que necesitamos conducir un canal: Q = 3 m3/seg con una gradiente S =

0.0009 y un coeficiente de rugosidad n = 0.020. ¿Se puede encontrar la sección y la

forma más económica, si el terreno es plano?

Usando la fórmula de Manning, tendríamos:

Q=1n

R2

3 S1

2 A

3=50 R2

3 0 .03 A

A=2 R−2

3

Los valores para los diferentes tipos de sección de máxima eficiencia hidráulica se

presentan a continuación en forma tabulada:

26


Se observa que tanto la sección como el perímetro tienen valores mínimos para el

semicírculo. Sin embargo debido a la dificultad de su construcción, en la mayoría los

casos se prefiere las secciones trapezoidales.

d) COEFICIENTE DE RUGOSIDAD:

Es la resistencia al escurrimiento del agua que presentan los revestimientos de los

canales artificiales y naturaleza de los cauces en los conductos naturales.

En los cauces naturales el coeficiente de rugosidad es muy variable dependiendo de la

topografía, geología y vegetación, variando con las estaciones del año, se pueden

presentar casos en que las riberas del cauce sean de un material diferente al fondo, el

valor de “n” será el promedio. En la práctica de la Ingeniería, la sección transversal

natural se sustituye, para facilitar la ejecución de los cálculos, por una sección

transversal de forma regular, cuya área es igual a la sección rectangular. En cauce

relativamente anchos → Rh ≈ h

En las especificaciones técnicas se indicara la rugosidad del canal, especificando el

envejecimiento a que estará sometido, por ejemplo: Concreto n= 0.012, indicando que

27

SECCIÓN ÁREA APERÍMETRO

P

TIRANTE

d

Rectángulo

Triángulo

Semicírculo

Trapezoidal, z = 0.577

Trapezoidal, z = 0.050

2.828

2.828

2.660

2.729

2.730

4.760

4.760

4.084

4.347

4.353

1.19

1.68

1.30

1.26

1.25


tendrá que repararse cada 5 años para mantener la rugosidad, si no ocurre, el tirante

aumenta conforme aumenta la rugosidad de diseño.

VALORES DE “n” DADOS POR HORTON PARA SER EMPLEADOS EN LAS FORMULAS DE

KUTTER Y MANING

SUPERFICIE BUENA MALA

Ladrillo Vitrificado 0.012 0.014

Acabado de cemento liso 0.011 0.013

Mortero de cemento 0.012 0.015

Madera cepillada 0.012 0.014

Concreto 0.014 0.018

Piedras grandes, guijarro 0.030 0.035

Metal liso 0.012 0.015

Cemento y mampostería 0.020 0.030

De tierra rectos 0.020 0.025

De piedra uniforme 0.030 0.035

De tierra con vegetación 0.030 0.040

Tierra con vegetación y piedras 0.033

0.040

Con depresiones y vegetación 0.060 0.080

e) TALUDES RECOMENDADOS:

La inclinación de las paredes de los canales dependen de la geología de los terrenos que

atraviesan, por lo cual el ingeniero al efectuar el trazo de los canales recomienda los

taludes más favorables, de acuerdo a su observación visual o con las calicatas que

pudiera recomendar abrir para conocer mejor los materiales.

Los taludes empleados se muestran en el siguiente cuadro:

TALUDES RECOMENDADOS

PARA CORTES EN TALUD

- Conglomerado

- Suelos arcillosos

- Suelos areno limoso

- Suelos arenosos

- Suelos arenosos sueltos

- Roca alterada suelta

1:1

1:1

1.5:1

2:1

3:1

0.5:1

28


- Roca sana

- Tierra vegetal, arcilla

- Suelo arenoso

0.25:1

1.5:1

3:1

f) RADIOS DE CURVATURA MINIMOS:

Para el replanteo de las curvas horizontales es necesario determinar el radio de

curvatura mínimo, de acuerdo al diseño elegido. Se recomienda que varias entre los

siguientes valores:

Rc ≥ 10d ~ 15d

y/o Rc ≥ 3B ~ 5B

Fotografía de un tramo del canal Chimbote del PE Chinecas-2007

En el caso de canales con flujos de velocidades altas será necesario calcular la mayor

elevación que se produce por el cambio de dirección en el lado exterior de la curva, lo

cual obliga a aumentar el borde libre en la pared exterior del canal.

El peraltamiento se calcula con la siguiente expresión:

P = v2 B / g Rc

Donde:

P = Peraltamiento en mts.

V = Velocidad en m/s

B = Ancho del espejo de agua en mts.

G = gravedad en m/s2

Rc = Radio de curvatura en mts.

29


g) BORDES LIBRES (FREE BOARD).-

Para dar la seguridad al canal es necesario una altura adicional denominada Borde

Libre, con objeto de evitar desbordamientos por mala operación de compuertas,

derrumbes o por olas debido al viento que pueden poner en peligro la estabilidad del

canal.

No existe una norma única para establecer el valor del borde libre, pero por lo

general varía entre el 5% y el 30% del calado, y es tanto mayor cuanto mayor es el

caudal y la velocidad en el canal.

En canales pequeños Q 2 m3/s; se recomienda usar fb = 0.30 mt

Para canales mayores Q > 2 m3/s:

fb= 0.60 + 0.0037 V3 √d (mt)

Donde: fb = borde libre en mt

v = velocidad del flujo m/seg

d = tirante mt

La U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda estimar el borde libre con la

siguiente formula:

Dónde: fb = Borde libre en pies

C = 1.5 para caudales menores a 20 pies3 /s, y hasta 2.5 para

caudales del orden de los 3000 pies3/s.

Y = Tirante del canal en pies

h) TIRANTES CRÍTICOS.-

30

f b=√CY


El tirante crítico dc, es aquel para el cual la energía específica es mínima,

coincidentemente con este tirante el régimen lento o subcrítico pasa a régimen

rápido o supercrítico.

EL N° de Froude determina la condición de flujo:

N < 1 ; existe flujo subcrítico

N = 1 ; existe flujo crítico

N > 1 ; existe flujo supercrítico

Cuando el flujo está próximo a ser crítico, la superficie del agua se hace inestable,

produciendo olas.

Tirantes críticos para tipo de sección de canal:

Triangular : dc=

45

( V 2

2 g+d )

Rectangular :dc=

45

( V 2

2 g+d )

o √ q2

g

Trapezoidal : dc=

4 B5 B+ f

+ ( V 2

2 g+d )

i) LONGITUD DE TRANSICIÓN.

Debido a los cambios de sección en el trazo de los canales, es necesario efectuar

transiciones entre ellos para asegurar un flujo lo más uniforme posible.

La longitud de transición recomendable está dada por:

L=2 . 5 ( B2−B1 ) , donde B2 y B1, son los anchos de los espejos de agua (mt) aguas

abajo y aguas arriba respectivamente.

El Bureau of Reclamation of USA, recomienda que el ángulo máximo entre el eje

del canal y una línea que une los lados de la transición a la entrada y a la salida no

exceda de 12.5°, esto permite determinar la longitud de transición.

L=B 2−B1

2 Tg 12 . 5°

Ej: Canal de sección circular a trapezoidal

31


Longitud según Fórmula, aproximadamente 3.00 m

j) Ancho de La Base de un Canal y Tirante

Uno de los problemas en el proyecto de canales el de determinar las dimensiones

del ancho de la base y el tirante que debe tener la sección para dejar pasar un gasto

determinado Q en las condiciones más económicas de costo. En canales pequeños el

tirante del agua se elige arbitrariamente, el rendimiento hidráulico queda afectado

ligeramente por consideraciones económicas o prácticas. Cuando los canales tienen una

sección grande es necesario limitar la profundidad con el objeto de evitar derrumbes en

sus taludes; se evitan tirantes mayores de 3 m.

El criterio de la sección más eficiente desde el punto de vista hidráulico, es

aplicable para determinar las dimensiones del canal, solamente en el caso que este se

construya en un terreno plano, la relación entre la base y el tirante de la sección más

eficiente de acuerdo a diferentes taludes aparece en el cuadro siguiente:

32


Si el terreno no es horizontal transversalmente, la excavación se compone de dos

partes; la que corresponde a la sección mojada y otra debido a la inclinación del terreno,

cuya magnitud puede ser en algunos casos mayor que la sección mojada; en estas

circunstancias el criterio para determinar el ancho y el tirante del canal se aleja del

criterio de la sección más eficiente, prima el de la economía en la excavación del canal.

Otro criterio, el de Echeverri ha llegado a establecer que el tirante de agua debe ser

expresado por la relación empírica:

d = √ A1 .73 , A = área

Para los taludes usuales esta fórmula da relaciones de b/d que tienen el siguiente valor:

Taludes 1/2:1 1:1 1.5:1 2:1

b/d 3.5 3.0 2.5 2.0

Es decir canales menos anchos que los que da el criterio de Echeverri; estos dos últimos

criterios son usados en topografía plana.

k) FILTRACIÓN DE CANALES.-

La filtración de agua en los canales siempre ocurre, por lo que el problema no puede

ser considerado con indiferencia, pues al no llegar toda el agua a las zonas de riesgo,

se reduce la eficiencia del sistema con las consiguientes pérdidas económicas.

Además la filtración en los canales no solamente representa pérdidas de agua valiosa

33

Talud Relación b/d

Vertical

1/4:1

1/2:1

3/4:1

1:1

1-1/2:1

2:1

2.00

1.56

1.24

1.00

0.83

0.61

0.47


para los cultivos, sino que invariablemente resulta en la elevación del nivel de las

aguas freáticas, pudiendo causar efectos perjudiciales para las plantas, salinización

del suelo, exigiendo a menudo la construcción de costosos sistemas de drenaje.

Pérdidas por Conducción.

El agua para las irrigaciones es conducida generalmente por medio de canales

excavados en tierra. Solo en los casos en que por razones de orden económico es

conveniente revestirlos, se justifica el empleo de la albañilería de piedra muy usado en

nuestro medio, el concreto, el suelo de cemento, la madera y el metal para

impermeabilizar el fondo y las paredes del canal. Estos casos de orden económico se

presentan cuando el agua que hay que conducir proviene proyectos donde se han

realizado grandes inversiones, como los proyectos hidráulicos de la costa del Perú; se

comprende que el volumen de las obras de Ingeniería es grande, en consecuencia el

costo por m3 de agua es alto, justificando los medios utilizados para evitar pérdidas por

conducción.

Muchas veces sucede en obras grandes, que por la diversidad de los materiales

sobre los cuales se deben excavar los canales, es necesario revestir solamente los tramos

donde se prevea fuertes pérdidas de agua.

Las pérdidas por conducción en los canales en tierra son considerables; es

necesario tenerlas muy en cuenta en la ejecución de proyectos.

Naturaleza de las Pérdidas en la Conducción.

Las pérdidas en la conducción son debidas a la filtración a través del perímetro

mojado de la sección del canal, y a la evaporación en la superficie de agua. Las pérdidas

debidas a la filtración se dividen en dos grupos: las que dependen de la absorción y las

que dependen de la percolación. Estas dos pérdidas están íntimamente ligadas y no ha

sido posible separarlas y expresar cada una numéricamente.

Las pérdidas por absorción son debidas a la acción capilar y cesan cuando el

terreno adquiere su límite de capilaridad que depende de su textura; las pérdidas por este

concepto no son de mucha consideración. Las pérdidas por percolación se deben a la

acción de la gravedad, el agua corre hacia el sub-suelo, más allá del límite capilar,

alcanzando a menudo el nivel de la napa freática o siguiendo su curso en forma de agua

subterránea.

34


Las pérdidas por absorción son muy grandes cuando el canal se usa por primera

vez, pero van disminuyendo a medida que el terreno se satura, pero las pérdidas por

percolación continúan siempre, sobre todo si el nivel de la tabla de agua es muy

profundo.

k-1) Factores Que Afectan La Filtración:

Es fácil ver que la filtración en los canales depende de muchos factores, entre

los que podemos citar:

- La permeabilidad del suelo.

- El tirante del agua en el canal

- Temperatura

- Edad del canal

- Caudal P = K/Q (Kostiakov)

Caudal m3/seg Perdida en % del caudal x km

0.1 – 0.2

0.2 – 0.5

0.5 – 1.0

1.0 – 2.0

2.0 – 10.0

10.0 – 50.0

50.0 – 200.0

12 - 9

9 - 6

6 - 4

4.5 - 2.5

2.5 - 0.6

0.6 - 0.2

0.2 - 0.05

Las pérdidas por absorción son mayores en los suelos de textura fina, que tienen

una gran capacidad para retener agua capilar, pero las pérdidas totales por filtración

dependen sobre todo de la percolación, y por consiguiente son mayores en los suelos

arenosos que tienen fácil drenaje.

J.O. Boresford, concluye de los estudios que ha llevado a cabo en la India, que

las pérdidas totales por filtración son mayores en los canales en corte que en los canales

construidos en relleno. Esta afirmación es sin duda verdadera, sólo en el caso en que

todas las demás condiciones sean semejantes, incluyendo la distancia a la tabla de agua,

35


y puede ser explicada por el hecho de que el medio absorbente en los dos lados de un

canal construido en relleno, está confinado a los dos terraplenes, mientras que en un

canal construido en corte el medio absorbente es ilimitado.

Un suelo arenoso no saturado de agua del subsuelo produce grandes pérdidas por

filtración. La elevación de la mesa de agua usualmente disminuye las pérdidas totales

por filtración y la extensión de las pérdidas depende de la velocidad con que el agua

puede elevarse en algunas ocasiones sobre el fondo del canal, y producir ganancias en

lugar de pérdidas de agua. Un canal construido en una ladera o en la parte más alta de

un terreno irrigado, y que no tiene otras tierras irrigadas sobre él, está sujeto a grandes

pérdidas; en cambio un canal construido en una tierra baja, recibe frecuentemente agua

de drenaje de los terrenos o de los canales más altos, llegándose a balancear las pérdidas

por filtraciones y teniéndose en algunos casos considerable ganancia.

Por esta razón, y también para evitar el mayor costo de construcción, se han

usado en proyectos de irrigación depresiones naturales para conducir agua, en lugar de

conducirla por medio de canales artificiales. Esta práctica, sin embargo, se limita a

depresiones naturales que no son muy profundas y que tienen una sección transversal

más o menos regular, y en las cuales, el fondo está formado por un material no

erosionable por las altas velocidades que frecuentemente se tienen en estos casos.

La temperatura del agua y del suelo tiene algún efecto en las pérdidas por

filtración. Un aumento en la temperatura disminuye la viscosidad del agua y aumenta la

tasa de percolación.

Este es un hecho comprobado por Hasen en su teoría sobre el movimiento de las

aguas subterráneas, y también por Kennedy, en los canales de la India, donde se ha

comprobado que las pérdidas por percolación son muchos mayores en los meses

calurosos que en los meses fríos.

La edad del canal también disminuye la pérdida por percolación, pues los

depósitos de sedimento obturan los poros del terreno permeable.

El efecto de la profundidad del agua en las pérdidas por percolación en los

canales ha sido probablemente muy exagerado. Aunque corrientemente se asegura que

36


las pérdidas por filtración son proporcionales a la raíz cuadrada de la profundidad del

agua, existen muy pocos datos para comprobar que esa relación es exacta.

Mr. Weymouth, del Servicio de Reclamación de los Estados Unidos, asegura

que la profundidad del agua tiene muy poca influencia en las pérdidas por filtración.

k-2) Fórmulas utilizadas para canales no revestidos:

Existen varias fórmulas para el cálculo de la cantidad de agua perdida por

filtración en canales. De estas, las más conocidas en el sistema métrico son:

1. FORMULA DE T. INGHAM.- Desarrollado por el autor en 1896 en base a

observaciones en canales de la India.

P= 0 . 0025 √d (b+2 z d ) P = pérdidas en m3/seg . km

d = Tirante mt

b = ancho del fondo

z = tangente del ángulo del talud

con la vertical

2. FORMULA DE PAVLOVSKI (1924).-

P= 1 ,000 K [b+2d (1+ z ) ] ; K es el coeficiente de

permeabilidad m/seg.

3. FORMULA DE PUNJAB.- Actualmente usada (1967)

P=C PQ0 .53 ; siendo Q el caudal en m 3/seg y CP un

valor que varía según el suelo.

- Suelos muy permeables 0.03

- Suelos comunes 0.02

- Suelos impermeables 0.01

37


4. FORMULA DE E.A. MORITZ.- Usada en los EE.UU. (1951)

P = 0 ,0375 Cm A1

2

donde A , es la superficie mojada

Cm, coeficiente que depende del material en el que está excavado

el canal, tiene los siguientes valores:

- Franco Arcilloso 0.08 ~ 0.30

- Franco Arenoso 0.30 ~ 0.45

- Arenas sucias 0.45 ~ 0.55

- Arenas y Gravas 0.55 ~ 0.80

- Concreto 0.10

k-3) Pérdidas en Canales Revestidos:

De acuerdo a Davis, todo canal debe ser revestido cuando las pérdidas por

filtración exceden de 0.46 m/día (5.32 x 10-4 cm/seg)

El revestimiento de un canal no elimina completamente las pérdidas por

filtración. Según Uginchus, las pérdidas en un canal revestido pueden

obtenerse multiplicando por un factor las pérdidas que se producen en el

mismo canal no revestido. Para el caso de un revestimiento de concreto de 7.5

cm, se ha encontrado que el coeficiente es igual a 0.13, o sea que las pérdidas

se reducen a la octava parte.

También puede utilizar la fórmula:

P = Kdt

(b+d √1+z2 ), donde:

K = Permeabilidad de revestimiento del concreto, que varía de 10-5 cm/seg a

10-7 cm/seg

t = espesor del revestimiento

Ejemplo 1 sobre filtración en canales:

38


Se tiene un canal no revestido, n = 0.028 de sección trapezoidal, que conduce un

caudal Q = 15 m3/seg, con una gradiente de S = 0.0003 (0.3 0/00). El ancho del fondo

es b = 3 mt, el tirante d = 3 mt y los taludes tienen una inclinación de z = 1. La

longitud del canal es 60 km y ha sido excavado en un suelo franco-arenoso cuyo

coeficiente de permeabilidad K = 5 x 10-6 cm/seg. Se solicita encontrar las pérdidas

por filtración por km, y el caudal final.

SOLUCIÓN:

La sección mojada : A = d ( b+zd )= 18 m2

El perímetro mojado : P=b+2 d √1+z2=11.5 mt

La velocidad : V = Q/A = 0 .835 m/seg

1. Según Ingham:

P = 0.0025 x 1.73 ( 3 + 2 x 1 x 3 )

P = 0.039 m3/seg x km

2. Pavloski:

P = 1000 x 5 x 10-6 ( 3 + 6 x 2 )

P = 0.075 m3/seg x km

3. Punjab:

P = 0.02 x 150.563

P = 0.092 m3/seg x km

4. Moritz:

P = 0.0375 x 0.4 x 181/2

P = 0.064 m3/seg x km

En promedio se tendría para el tramo inicial una pérdida de P = 0.070 m3/seg x km

que representa el 0.47 % del caudal total.

Considerando las pérdidas por filtración constante, el caudal al final del canal sería:

Q = 15 – 0.070 x 60 = 10.8 m3/seg

39


ó Q = 15 (1 - 0.0047 x 60 ) = 10.8 m3/seg

O sea que en 60 km, se perderá 4.2 m3/seg, que representa el 28% del caudal de

entrada.

Ejemplo 2:

Suponiendo que al canal del ejemplo anterior se realiza un revestimiento de concreto

de 10 cm de espesor y considerando K = 2 x 10-5 cm/seg de permeabilidad. Se

solicita encontrar la pérdida por kilómetro.

P = 2 x 10 -5 x3

0. 1x (3+3 x 1 . 414 ) = 0. 00434 m3/ seg x km

Es decir que las pérdidas han disminuido 16 veces (0.070/0.00434), con

relación a lo que se tenía para el canal no revestido.

Considerando también constante la pérdida por km, obtenemos que la pérdida total

en 60 km, sería:

0.00434 x 60 = 0.26 m3/seg

lo que significa el 1.73 % del caudal total.

* Si realizamos una evaluación económica, considerando S/. /0.020 el costo del m3

de agua se obtendría el valor económico que se pierde al considerar revestir o no

un canal.

l) REVESTIMIENTO EN CANALES.-

l-1) Finalidad y Justificación:

Los revestimientos deben satisfacer los siguientes requerimientos:

1) Crear una barrera impermeable al paso del agua, disminuyendo las pérdidas

de esta y permitiendo extender el beneficio del riego a una mayor superficie

cultivable.

2) Proteger las tierras colindantes de los daños que en ellas causa la filtración

eliminando con esto la necesidad de costosas obras de drenaje.

40


3) Proteger el canal contra la erosión permitiendo una mayor velocidad. Esto a

su vez permite reducir la sección con la consiguiente economía en la

excavación.

4) Reducir el coeficiente de rugosidad permitiendo el aumento de la velocidad.

5) Evitar el crecimiento de plantas acuáticas en las paredes del canal.

Las características de un buen revestimiento deben ser los siguientes:

1) Ser impermeable

2) Resistencia a la erosión

3) De bajo costo en cuanto a construcción como a mantenimiento

4) Durable ante la acción de agente atmosféricos, plantas y animales.

l-2) Tipos de Revestimientos:

Se han utilizado los materiales más diversos entre los cuales para casos

excepcionales se pueden citar la madera, el acero, los plásticos, pero los

materiales más comunes son los siguientes:

Mezclas con cemento y agregados (Fabricadas in situ o Prefabricadas)

Mezclas asfálticas

Materiales térreos

Tratamientos químicos del terreno

Revestimiento de Concreto

Revestimiento de Mortero

Revestimiento de Mampostería

Revestimiento de Fibrocemento

Revestimiento con Ladrillo

Revestimiento Asfáltico (imprimante)

Revestimiento de Concreto Asfáltico

Revestimiento de Suelo-cemento

Forma de la Sección Transversal y Espesor del Revestimiento

Los canales en tierra no revestidos se hacen generalmente anchos y poco

profundos y con taludes variables según la naturaleza del suelo.

41


Un canal revestido de concreto, es mucho más económico, cuando tiene una sección

transversal, angosta y profunda y con taludes inclinados.

Los taludes, en un canal revestido, no deben ser mucho más empinados que los taludes

en los canales de tierra: naturalmente se sostendría con el fin de que la presión no sea

excesiva, pues los revestimientos no deben trabajar como muros de sostenimiento, El

revestimiento que se lleva generalmente en los canales es de 15 a 30 cms. sobre la

superficie del agua.

Espesor Mínimo Del Revestimiento.

Cuando el revestimiento se coloca en el talud natural del terreno, y por consiguiente no

resiste presión ninguna, puede ser muy delgado; dependiendo entonces el espesor de

consideraciones prácticas, como el costo y la duración. En el Perú, se han hecho

revestimientos de mortero de cemento de 3/4 a 1 pulgada de espesor, y que han sido por

muchos años usados satisfactoriamente, existiendo algunos canales cuyo revestimiento

es de 1/2 pulgada de espesor.

Estos revestimientos sin embargo, no tienen mucha fuerza, pero en un suelo bien

drenado y compacto se forman en ellos muy pocas rajaduras, que también se

producirían en los revestimientos más gruesos.

En algunos casos en estos revestimientos delgados, las pequeñas filtraciones producidas

a través de las juntas de expansión, cuando el terreno es suelto, han producido vacíos

detrás del revestimiento y la rotura consiguiente; cosa que no ocurrirla en

revestimientos más gruesos.

Las rajaduras de los revestimientos delgados pueden ser prevenidas, poniendo las juntas

de expansión y dilatación muy cercanas las unas de las otras, de tal manera que los

vacíos entre panel y panel sean muy pequeños. A veces ocurren también rajaduras

producidas por las filtraciones del agua de lluvia por detrás de los revestimientos. La

experiencia de parte de los ingenieros experimentados, es que un revestimiento de

espesor menor de una pulgada, no es económico ni eficiente.

42


Hay que tener en cuenta que la economía que se hace, con un revestimiento muy

delgado no es sino economía de material, pues generalmente el precio de la mano de

obra es el mismo que para un revestimiento de mayor espesor, y muy a menudo el

cuidado que hay que poner en un revestimiento delgado, encarece esta mano de obra.

Como conclusión, los revestimientos con mortero de cemento en suelo bien drenado,

deben variar como mínimo entre una y tres pulgadas, debiendo usarse los límites

superiores en los lugares en que la temperatura baja mucho, pudiendo dar lugar a

congelamiento del agua.

Espesor del Revestimiento Cuando este Debe Resistir Presiones de Tierra

Los espesores anteriores dados para los revestimientos, se refieren en los casos cuales se

usa el mortero de cemento, con taludes en el canal suficientemente tendidos para no

producir presiones en el revestimiento.

Para revestimientos en taludes más fuertes que el que corresponde al ángulo de reposo

de la tierra, el revestimiento de los costados debe ser calculado como muro de

sostenimiento. Para estos casos en forma práctica, se muestra en la tabla, los espesores

ya calculados.

Espesor de revestimientos de concreto y profundidades correspondientes de canales para diferentes

taludes en el revestimiento y en el ángulo de reposo del suelo.

PROFUNDIDAD MÁXIMA DEL CANAL EN PIES

Talud del

Canal

Talud de

reposo del

terreno

Sin sobrecarga y espesor del revestimiento de :Para máxima sobrecarga y espesor del

revestimiento de :

1 Pulg. 2 Pulg. 3 Pulg. 1 Pulg. 2 Pulg. 3 Pulg.

1/2 a 1

1/2 a 1

1/2 a 1

1/2 a 1

1 a 1

1 a 1

1 a 1

1 a 1

1-1/2 a 1

2 a 1

3 a 1

1 1/2 a 1

3 a 1

3 a 1

5.3

1.6

1.0

0.5

15.8

3.8

1.9

10.6

3.2

2.0

1.1

31.6

7.7

3.8

16.6

4.8

3.0

1.6

47.4

11.5

5.7

1.6

0.6

0.4

0.3

4.8

1.9

0.8

3.3

1.2

0.8

0.6

9.7

3.8

1.7

5.0

1.8

1.2

0.9

14.5

5.7

2.5

43


1 ½ a 1 3 a 1 6.2 12.4 18.6 2.5 5.1 7.6

Contracción Y Expansión

Es inevitable en todo revestimiento de canal con concreto, la formación de rajaduras

provenientes unas veces de la variación de la temperatura, y otras por la contracción

misma del concreto en su proceso de endurecimiento.

Las contracciones debidas al endurecimiento del concreto son las más importantes y

dependen de las proporciones de la mezcla que se use. Así el cemento puro, se contrae

tres veces más que el mortero formado por uno de cemento y tres de arena, o que un

concreto de la proporción 1:2:4.

Por otro lado la experiencia enseña, que cuando el revestimiento de concreto está

mojado, se produce una expansión igual a la contracción producida por el proceso de

endurecimiento. Si el revestimiento vuelve a estar seco, la contracción vuelve a

producirse, y así se tienen alternativas de contracción y expansión que dependen de la

temperatura y del estado de humedad del revestimiento.

Con el objeto de que estas rajaduras no se produzcan de una manera irregular, se

construyen generalmente en los revestimientos las llamadas juntas de construcción, que

consisten en construir los revestimientos de tal manera, por tramos y transversalmente al

canal, existan pequeñas soluciones de continuidad, lo que se logra construyendo losas

alternadas y llenando después con un material plástico, el espacio comprendido entre

dos de ellas.

44


La distancia comprendida entre junta y junta varia generalmente entre 2.40 y 3.60 mts.

para revestimientos de 2 a 3 pulgadas de espesor. Cuando discurre el agua generalmente

por la expansión del concreto las juntas quedan cerradas.

Además de las juntas de construcción, que no son otra cosa que las líneas transversales

del canal, donde el revestimiento es más débil se construyen a veces las llamadas

“juntas de expansión” que tienen por objeto prevenir la filtración a través de las

rajaduras previstas con las juntas de construcción. Y pueden ser de tres tipos distintos:

1. Están formadas por un relleno de asfalto o material elastómero, en la ranura dejada

por un pequeño listón de madera, que se quita después de la construcción entre

panel y panel.

2. Formadas por un relleno de cemento sobre asfalto en la misma ranura.

3. Una juntura especial “water stop”, que permita la separación entre panel y panel.

Los dos primeros tipos son los más recomendados.

Construcción de Los Revestimientos

Aunque estos se hacen de muy diversas maneras, según el diseño y el criterio del

ingeniero que está a cargo de la obra, se puede decir que existen dos métodos generales

para su construcción.

El primer método consiste en colocar dentro del canal, formas especiales, que

generalmente son de madera, y verter el concreto en el espacio que queda libre entre la

pared exterior de las formas y los costados del canal.

El segundo método no usa formas, colocándose el concreto sobre el fondo y paredes del

45


canal, como si se construyera un pavimento o una acera.

El primer método se usa generalmente en revestimientos que tienen más de dos

pulgadas de espesor, y donde los taludes de los costados tienen más de 45°.

El segundo método se usa cuando los taludes son más tendidos y cuando el

revestimiento es más delgado.

Economía de Los Revestimientos

Aunque a primera vista parece un gasto excesivo la construcción de revestimientos en

los canales, sin embargo hay que tener en cuenta que en muchos casos estos canales

revestidos, resultan más económicos, aún en su primer costo, especialmente en aquellos

lugares donde el agua es escasa y se tiene mucho terreno por irrigar.

Así, un canal revestido de concreto, da un coeficiente de fricción más bajo y por

consiguiente: para la misma sección y la misma pendiente tiene mayor capacidad de

conducción. En un canal revestido pueden usarse taludes más empinados, disminuyendo

así el costo de excavación y mejorando las condiciones hidráulicas de la sección.

Un canal revestido reduce prácticamente a cero las pérdidas por percolación, que como

anteriormente hemos visto llegan a porcentajes muy altos en canales sin revestir en

terrenos excavados en terrenos permeables; con el mismo volumen de agua

entrado en la cabecera del canal se pueden regar mayores extensiones de terreno. Un

canal revestido es más económico en su conservación.

Y por último, un canal revestido evita filtraciones que van a producir humedales,

inconvenientes y depósitos de sales en terrenos bajos.

Revestimientos Especiales

Existen casos especiales en los cuales los canales son excavados en laderas con rocas

fisuradas, donde pueden ocurrir pérdidas de agua; en estos casos generalmente basta con

ejecutar un buen mortero diluido en las fisuras.

También ocurre en los canales cortados en las laderas que la roca exterior está

descompuesta y que en el cuerpo del cerro la roca sea compacta; en estos casos basta

con hacer el revestimiento en el lado exterior del canal procurando que éste

revestimiento penetre en cuña en la arista formada por el talud exterior y el fondo del

46


canal.

En muchos casos, cuando el terreno en que ha sido excavado el canal, tiene poca

consistencia, los revestimientos se hacen de concreto armado, sea con barras delgadas

de acero o con tela metálica. En ambos casos, las juntas de expansión se diseñan

estructuralmente, pues el refuerzo del acero impide las rajaduras.

2.3 ESTUDIOS HIDROLÓGICOS Y NECESIDADES DE AGUA.

Cuando se trata de un proyecto de irrigación estos estudios se hacen con la

finalidad de determinar las necesidades de agua para luego ser comparadas con

las disponibilidades de las mismas; para llegar a esta comparación es necesario

conocer el procedimiento que debe seguirse para resolver estos dos problemas

importantes. Empezaremos a evaluar el volumen total de agua necesario para

una futura irrigación, expresando primero algunos conceptos y definiciones que

es necesario conocer.

Los estudios de suelos determinan la aptitud que tienen éstos para ser sembrados

de tal o cual cultivo; fijan además una posible distribución de los mismos,

períodos vegetativos, y la forma como pueden rotarse estos cultivos dentro de la

irrigación; estos datos se consignan en los llamados calendarios agrícolas que

sirven de base para hacer una evaluación del volumen de agua necesario.

Por medio de estos calendarios conocemos cuantos meses del año van a

necesitar agua los diferentes cultivos que se ha planeado extender. La cantidad

de agua mensual necesaria se determina encontrando primeramente el uso

consuntivo o evapotranspiración de la planta, para luego de dividirse por un

coeficiente llamado eficiencia de riesgo nos de la altura de agua necesaria para

cada cultivo y cada uno de los meses del año; la suma de estas necesidades

mensuales nos dará la necesidad anual.

Antes de entrar con mayor detalle sobre este último punto, veremos a

continuación como se define el uso consuntivo o evapotranspiración de la planta

y cuales son los métodos que sirvan para determinarlo cuantitativamente.

47


USO CONSUNTIVO O EVAPOTRANSPIRACIÓN.

Se define como la cantidad de agua transpirada a través de la planta y que sirve

para satisfacer sus necesidades fisiológicas, más una cierta cantidad de agua

evaporada directamente del suelo al medio ambiente.

Se han hecho experiencias para determinar separadamente el valor de estas

evaporaciones no habiéndose llegado aún a ninguna conclusión definitiva; más

bien los experimentos llevados a cabo para determinar la cuantía de estas

evaporaciones consideradas en conjunto han dado resultados positivos que son

empleados para de determinar las necesidades de las plantas.

Muchas formas y métodos se han empleado en diferentes épocas para determinar

el consumo de agua de las plantas; entre éstas podemos citar las siguientes;

Cultivo de plantas en tanques, cultivos en parcelas, muestras de suelos; cada uno

de estos métodos han empleado procedimientos distintos con el mismo fin.

Determinación del Consumo de Agua de las Plantas.

Se ha tratado siempre de conocer la cantidad de agua que requieren las plantas,

algunos métodos basados en la experimentación (directos) han dado buenos

resultados, sin embargo el costo representa un limitante en proyectos de pequeña

escala. Los métodos indirectos ayudan a estimar la dotación de agua en parcelas

pequeñas y en estudios a nivel de perfil y pre factibilidad.

Métodos Indirectos Para la Determinación de la Evapotranspiración

Entre estos métodos tenemos:

a) Metodo de Blanney y Criddle

Se basa en datos climatológicos y se debe a los Ings. Blanney y Criddle que

han propuesto una fórmula empírica de mucho valor práctico.

La formula mencionada asume que el consumo mensual de agua (Um) es una

función de la temperatura (T) media mensual, del promedio mensual de horas de

sol (p) expresado en porcentaje y de las características (K) fisiológicas del vegetal

considerado, obteniéndose la relación siguiente;

Um = F (T, p, K)

48


Esta fórmula desarrollada toma la siguiente forma:

Um = F x K

Siendo: F = T x p

Estando: la temperatura (T) en grados Farenheit.

K, es un coeficiente de consumo dado en centímetros y que depende de la clase

de cultivo.

Si quisiéramos usar grados centígrados el valor de F seria:

F =(1 . 8 T°+ 32 ) P100

Entonces el consumo mensual en centímetros por hectárea de cultivo es:

Um = K (1 .8 T°+ 32 ) P100

El valor del coeficiente de consumo K varía como dijimos con el tipo de cultivo

y se le determina experimentalmente. A continuación damos una tabla de éstos

valores:

49

Valores de K Periodo vegetativo (días) Planta

2.03 – 2.15

1.05 – 1.65

2.54 – 3.05

2.29

1.27 – 1.65

1.52 – 1.78

1.91 – 2.15

1.65 – 1.91

1.91

1.78

Permanente

120 – 180

90 – 150

Permanente

Permanente

80 – 120

80 – 200

120 – 180

Permanente

120

Alfalfa

Algodón

Arroz

Caña de azúcar

Cítricos

Frijol

Maíz

Papas

Pastos

Tomates


Para la aplicación de la fórmula se necesita también conocer el promedio mensual de

horas de sol; se muestra a continuación un cuadro de estos valores para latitudes

comprendidas entre 0° y 20° del Ecuador geográfico.

PORCENTAJES DE HORAS DE LUZ POR MES PARA LATITUDES SUR

Latitud

Meses 0° 1° 2° 3° 4° 5° 6° 7° 8° 9°

Enero 8.50 8.53 8.57 8.60 8.64 8.68 8.71 8.75 8.78 8.82

Febrero 7.66 7.69 7.71 7.73 7.75 7.77 7.79 7.81 7.83 7.85

Marzo 8.48 8.49 8.49 8.50 8.50 8.50 8.50 8.51 8.51 8.51

Abril 8.21 8.20 8.19 8.17 8.16 8.14 8.13 8.11 8.10 8.08

Mayo 8.50 8.46 8.43 8.40 8.37 8.34 8.31 8.27 8.24 8.21

Junio 8.22 8.19 8.14 8.11 8.07 8.03 7.99 7.95 7.92 7.89

Julio 8.50 8.46 8.42 8.39 8.35 8.32 8.28 8.25 8.21 8.18

Agosto 8.50 8.47 8.45 8.43 8.40 8.38 8.36 8.34 8.32 8.30

Septiembre 8.21 8.21 8.21 8.21 8.20 8.20 8.20 8.20 8.19 8.19

Octubre 8.50 8.51 8.53 8.54 8.56 8.57 8.59 8.60 8.62 8.63

Noviembre 8.22 8.25 8.28 8.31 8.34 8.37 8.40 8.43 8.46 8.49

Diciembre 8.50 8.54 8.58 8.62 8.66 8.70 8.74 8.78 8.82 8.86

50

Latitud

Meses 10° 11° 12° 13° 14° 15° 16° 17° 18° 19°

Enero 8.86 8.89 8.93 8.97 9.01 9.04 9.08 9.12 9.16 9.20

Febrero 7.87 7.89 7.91 7.93 7.95 7.97 7.99 8.01 8.03 8.06

Marzo 8.51 8.52 8.53 8.53 8.53 8.54 8.54 8.54 8.55 8.55

Abril 8.07 8.05 8.03 8.02 8.00 7.98 7.97 7.95 7.93 7.92

Mayo 8.17 8.15 8.11 8.08 8.05 8.01 7.98 7.95 7.91 7.88

Junio 7.84 7.97 7.75 7.71 7.67 7.63 7.59 7.54 7.50 7.46

Julio 8.14 8.11 8.08 8.03 7.99 7.95 7.91 7.88 7.84 7.80

Agosto 8.27 8.25 8.22 8.20 8.18 8.15 8.13 8.10 8.08 8.05

Septiembre 8.19 8.18 8.18 8.17 8.17 8.17 8.16 8.16 8.15 8.15

Octubre 8.65 8.66 8.68 8.70 8.71 8.73 8.75 8.76 8.78 8.80

Noviembre 8.53 8.56 8.59 8.63 8.66 8.70 8.73 8.77 8.81 8.83

Diciembre 8.90 8.95 8.99 9.03 9.08 9.13 9.17 9.22 9.26 9.30


Se recomienda el uso del método Blanney & Criddle, cuando se trata de monocultivos o

cuando se tiene perfectamente definidos los agrotipos que constituyen las cosechas.

La determinación de las necesidades de agua empleando éste método supone que los

estudios agro-económicos son lo suficientemente completos, no sólo para la

determinación de los cultivos tipos, sino también para precisar la extensión que cebe

dedicarse a cada uno de ellos, en función de la capacidad productiva y de otros aspectos

relacionados con el mercado, capacidad económica, colonización etc.

Al iniciarse el estudio de un proyecto de irrigación, no se cuenta con los elementos

suficientes para discriminar sobre los agrotipos, quedando muchas veces a simple

apreciación del proyectista su determinación, lo que hace que las demandas de agua

puedan tener variaciones sustanciales de acuerdo al criterio de los proyectistas.

b) Método de ThornthwaiteEntre los métodos indirectos para calcular la evapotranspiración se encuentra el de

Thornthwaite, que usa como variable la temperatura del lugar de desarrollo del

proyecto. Debido a que el método del Dr. Thornthwaite, elimina el factor de apreciación

personal,

se recomienda para los estudios generales y de cultivo diversificado, , mientras no se

disponga de exhaustivos estudios agro-económicos.

En la aplicación de cualquiera de los métodos mencionados debe tenerse en cuenta que

los resultados que ellos ofrecen son solamente valores de orientación, ya que las

fórmulas empleadas no incluyen todos los factores de incidencia y porque para su

correcta aplicación debe tenerse en cuenta la eficiencia de riego, lo que a falta de

experiencia se toma de acuerdo a valores obtenidos en otros lugares, no siempre

semejantes a la zona que se estudia.

Sin embargo, cuando no se ha efectuado experiencias de demandas de agua, los

métodos de uso consuntivo ofrecen los elementos necesarios para la formulación del

proyecto dando, como se como se ha indicado, valores de orientación, indispensables

para la determinación de capacidades y extensiones irrigables de acuerdo a las

disponibilidades de agua.

51


Utilizando el método de Thornthwaite, en algunos países se han formado las isopletas

de demandas de agua, de gran aplicación en estudios generales, principalmente en los de

reconocimiento o preliminares.

Para la aplicación del método Thornthwaite, es necesario conocer:

a) Latitud del lugar

b) Temperatura media mensual

c) Período vegetativo (para estudios generales se toma todo el año).

Según Thornthwaite (1948):

ETP=1 .6 x (10TI )

a

donde:

ETP - evapotranspiración potencial para meses de 30 días y 12 horas de luz

solar (no ajustada) en cm;

T - temperatura media mensual en o C;

I - índice anual de calor (se calcula como la suma de los índices de las

eficiencias mensuales de la temperatura i).

En cuanto a los dos últimos términos se calculan por:

I=∑i=1

i=12

i ;

i=(T5 )

1 .514

Y, por su parte:

a = 6.75*10-7(I 3) – 7.71*10-5 (I 2) + 0.017925 (I ) + 0.49239

Tabla 5.1: Índices de eficiencia termina de la temperatura mensual (método de

Thornthwaite)

TC 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

0 0.01 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07

1 0.9 0.10 0.12 0.13 0.15 0.16 0.18 0.20 0.21 0.23

52


2 0.25 0.27 0.29 0.31 0.33 0.35 0.37 0.39 0.42 0.44

3 0.46 0.48 0.51 0.53 0.56 0.58 0.61 0.63 0.66 0.69

4 0.71 0.74 0.77 0.80 0.82 0.85 0.88 0.91 0.94 0.97

5 1.00 1.03 1.06 1.09 1.12 1.16 1.19 1.22 1.25 1.29

6 1.32 1.35 1.39 1.42 1.45 1.49 1.52 1.56 1.59 1.63

7 1.66 1.70 1.74 1.77 1.81 1.85 1.89 1.92 1.96 2.00

8 2.04 2.08 2.12 2.15 2.19 2.23 2.27 2.31 2.35 2.39

9 2.44 2.48 2.52 2.56 2.60 2.64 2.69 2.73 2.77 2.81

10 2.86 2.90 2.94 2.99 3.03 3.08 3.12 3.16 3.21 3.25

11 3.30 3.34 3.39 3.44 3.48 3.53 3.58 3.62 3.67 3.72

12 3.76 3.81 3.86 3.91 3.96 4.00 4.05 4.10 4.15 4.20

13 4.25 4.30 4.35 4.40 4.45 4.50 4.55 4.60 4.65 4.70

14 4.75 4.81 4.86 4.91 4.96 5.01 5.07 5.12 5.17 5.22

15 5.28 5.33 5.38 5.44 5.49 5.55 5.60 5.65 5.71 5.76

16 5.82 5.87 5.93 5.89 6.04 6.10 6.15 6.21 6.26 6.32

17 6.38 6.44 6.48 6.55 6.61 6.66 6.72 6.78 6.84 6.90

18 6.95 7.01 7.07 7.13 7.19 7.25 7.31 7.37 7.43 7.49

19 7.55 7.61 7.67 7.73 7.79 7.85 7.91 9.97 8.03 8.10

20 8.16 8.22 8.28 8.34 8.41 8.47 8.53 8.59 8.66 8.72

21 8.78 8.85 8.91 8.97 9.04 9.10 9.17 9.23 9.29 9.36

22 9.42 9.49 9.55 9.62 9.68 9.75 9.82 9.88 9.95 10.01

23 10.08 10.15 10.21 10.28 10.35 10.41 10.43 10.55 10.62 10.68

24 10.75 10.82 10.89 10.95 11.02 11.09 11.16 11.23 11.30 11.37

25 11.44 11.50 11.57 11.64 11.71 11.78 11.85 11.92 11.99 12.06

26 12.13 12.21 12.28 12.35 12.42 12.49 12.56 12.63 12.70 12.78

27 12.85 12.92 12.99 13.07 13.14 13.21 13.28 13.36 13.43 13.50

28 13.58 13.65 13.72 13.80 13.87 13.94 14.02 14.09 14.17 14.24

29 14.32 14.39 14.47 14.54 14.62 14.69 14.77 14.84 14.92 14.99

30 15.07 15.15 15.21 15.30 15.38 15.45 15.53 15.61 15.68 15.76

31 15.04 15.92 15.90 16.07 16.18 16.23 16.30 16.38 16.46 16.54

32 16.62 16.70 16.78 16.85 16.93 17.01 17.09 17.17 17.25 17.33

33 17.41 17.48 17.57 17.65 17.73 17.81 17.89 17.97 18.05 18.13

34 18.22 18.30 18.38 18.46 18.54 18.62 18.70 18.79 18.87 18.95

53


35 19.03 19.11 19.20 19.28 19.36 19.45 19.53 19.61 19.69 19.78

36 19.86 19.95 20.03 20.11 20.20 20.28 20.36 20.45 20.53 20.62

37 20.70 20.79 20.87 20.96 21.04 21.13 21.21 21.30 21.38 21.47

38 21.56 21.64 21.73 21.81 21.90 21.99 22.07 22.16 22.25 22.33

39 22.43 22.51 22.59 22.68 22.77 22.86 22.95 23.08 23.12 23.21

40 23.30 . . .

La evapotranspiración potencial no ajustada que se obtiene por las fórmulas anteriores

debe ajustarse a la duración máxima posible de la insolación para el mes y latitud dada.

Este ajuste se realiza mediante un factor que resulta de la expresión:

(Nd/30)(N/12)

Dónde:

Nd: número de días del mes considerado

N: máximo horas de sol según latitud del lugar (tabla 4.2.2)

La ETP ajustada se obtiene al multiplicar f por la evapotranspiración potencial no

ajustada.

Ejemplo:

Cálculo de ETP para el mes de mayo y las condiciones de Cuba.

T = 26,0 °C;

Latitud == 22,5°N. \

Las temperaturas medías de todos los meses del año son necesarias para calcular

I , se asumirán los valores aproximados siguientes:

MES ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC

Tº C 21 22 23 25 26 27 27.5 28 27 26 24 22

El valor de I puede ser calculado rápidamente por un ábaco que resuelve la expresión:

54


i=(T5 )

1 .514

Los valores de i (por meses) serán:

ME

S

ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DI

C

Tº C 8.7

8

9.4

2

10.0

8

11.4

4

12.1

3

12.8

5

13.2

1

13.5

8

12.8

5

12.1

3

10.7

5

9.4

2

I=∑i=1

i=12

i=136.64

a = 6,75•10-7•(136.64)3 - 7,71 • 10-5 •(136.64)2 + 0,017925(136.64) + 0,49239

a = 2,94.

La evapotranspiración potencial no ajustada para mayo será:

ETP = 1,6(10 x26136 .64 )

2 . 94

ETP = 10,60 cm.

El valor para el ajuste se obtiene para la latitud de 22,5°N en mayo de la tabla

4.2.2 donde N = 13,2:

f =13 . 212

=1 .1

ETPajustada = 10,60 • 1,1 = 11,66 cm/30 días por ha.

ETPmayo = 0.388x31 = 12.03 cm/mes/ha =1,203m3/mes/ha.

55


En general. todos los métodos que se basan en la temperatura media del aire como

elemento climático fundamental tienen inexactitudes para determinadas épocas del año

fundamentalmente durante los meses que se recibe alta radiación solar y no se producen

altas temperaturas, como son abril y mayo. Las desventajas fundamentales de estos

métodos resumidos por De La Peña, (1977) son:

1. La temperatura no es buena indicadora de la energía disponible para la

evapotranspiración.

2. La temperatura del aire respecto a la temperatura de radiación puede ser

diferente.

3. No se tiene en cuenta el viento, ni el efecto de calentamiento del aire por

advección.

4. La evapotranspiración sería cero con temperaturas del aire por debajo de O°C

lo cual no es cierto.

c) Método de la radiación (Doorenbos, 1976)

Este método suele ser de utilidad en aquellas zonas donde existen datos

climáticos referidos a la insolación, nubosidad o radiación y temperatura del

aire, pero no se dispone de mediciones sistemáticas del viento y de la

humedad del aire. El método predice los efectos del clima sobre las

necesidades de agua de los cultivos y permite calcular gráficamente la

evapotranspiración potencial según los trabajos realizados por Doorenbos y

Pruitt (1976). Según estos autores éste método dará buenos resultados en

zonas ecuatoriales, en islas pequeñas de gran altitud.

La relación que se sugiere para calcular ETP es la siguiente:

ETP= (a + b).W.RS

Dónde:

a y b - coeficientes cuyo valor empírico está resuelto gráficamente;

56


W - índice de ponderación que depende de la temperatura media del

aire y la altitud

RS - radiación solar recibida en la superficie de la tierra y expresada

en el equivalente de evaporación, mm/dfa.

Los valores del índice de ponderación W para los efectos de la radiación sobre

la ETP a diferentes temperaturas y altitudes aparecen en la tabla 4.2.1

La radiación solar RS está en función de la latitud y de la época del año

únicamente. La medición directa de la radiación solar se limita a los centros

principales de investigación y estaciones meteorológicas de alto nivel que

disponen de equipos actinométricos, por lo que con frecuencia no se dispone de

estos datos. Sin embargo, se puede predecir la radiación solar a partir de

observaciones sobre las horas de insolación fuerte registradas en las cartas que

comúnmente usan los hiliógrafos in situ y comparándolas con el máximo

número de horas de insolación fuerte que teóricamente debe haber en el lugar

según la latitud geográfica y época del año mediante la fórmula siguiente:

RS = (0.25+0.50

nN )Ra

Dónde:

n - número de horas reales de insolación diaria, promedio del período (decena o

mes);

V - número máximo de horas de insolación diaria promedio del periodo (decena

o mes);

Ra -radiación extraterrestre que recibe la parte superior de la atmósfera expresada

en equivalente de evaporación, mm/día.

La duración máxima diaria media de las horas de fuerte insolación (N) aparecen

en la tabla 4.2.2. La ubicación de Cuba con 22° de latitud norte, es necesario

interpolarla para obtener W en algunas columnas de la tabla antes mencionada.

La radiación extraterrestre, Ra puede tomarse de la tabla 4.2.3 según latitud y

época del año.

57


Una vez determinados los valores de W y R¡ corresponde seleccionar las

características medias de los vientos diurnos en metros por segundo desde las

7:00 am a 7:00 pm, así como la humedad relativa media que corresponde

también al período para el cual se quiere determinar ETP. Se entiende como HR

media el promedio entre la HRmax y la HRmin en las 24 horas del día. Con

estos datos se trabaja con la figura 3.4 seleccionando el cuadro de trabajo según

sea el valor de HR media; se entra por el eje de las x. se intercepta la línea que se

corresponde con la condición de viento diurno dado y se obtiene ETP en el eje

de ordenadas. Un ejemplo para las condiciones de Cuba se desarrolla a

continuación.

58


Tabla 4.2.1: Valores del índice de ponderación (w) según la temperatura y altitud

Temp. Cº 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

Altitud, m

0 0.71 0.73 0.75 0.77 0.78 0.8 0.82 0.83 0.84 0.85

500 0.72 0.74 0.76 0.78 0.79 0.81 0.82 0.84 0.85 0.86

1000 0.73 0.75 0.77 0.79 0.8 0.82 0.83 0.85 0.86 0.87

2000 0.75 0.77 0.79 0.81 0.82 0.84 0.85 0.86 0.87 0.88

3000 0.77 0.79 0.81 0.82 0.84 0.85 0.86 0.88 0.88 0.89

4000 0.79 0.81 0.83 0.84 0.85 0.86 0.88 0.89 0.9 0.9

59

Temp. Cº 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Altitud, m

0 0.43 0.46 0.49 0.52 3.55 0.58 0.61 0.64 0.66 0.68

500 0.45 0.48 0.51 0.54 0.57 0.61 0.62 0.65 0.67 0.7

1000 0.46 0.49 0.52 0.55 0.58 0.64 0.64 0.66 0.69 0.71

2000 0.49 0.52 0.55 0.58 0.61 0.66 0.66 0.69 0.71 0.73

3000 0.52 0.55 0.58 0.61 0.64 0.69 0.69 0.71 0.73 0.75

4000 0.55 0.58 0.61 0.64 0.66 0.71 0.71 0.73 0.76 0.78

Tabla 4.2.2: Duración máxima diaria de las horas de fuerte insolación (N)

59

Lat. N ENE FEB MAR ABR MAYJUN

Lat. S JUL AGOS SEPT OCT NOV DIC50º 8.5 10.1 11.8 13.8 15.4 16.3

48º 8.8 10.2 11.8 13.6 15.2 16

46º 9.1 10.4 11.9 13.5 14.9 15.7

44º 9.3 10.5 11.9 13.4 14.7 15.4

42º 9.4 10.6 11.9 13.4 14.6 15.2

40º 9.6 10.7 11.9 13.3 14.4 15

35º 10.1 11 11.9 13.1 14 14.5

30º 10.4 11.1 12 12.9 13.6 14

25º 10.7 11.3 12 12.7 13.3 13.7

20º 11 11.5 12 12.6 13.1 13.3

15º 11.3 11.6 12 12.5 12.8 13

10º 11.6 11.8 12 12.3 12.6 12.7

5º 11.8 11.9 12 12.2 12.3 12.4

0º 12.1 12.1 12.1 12.1 12.1 12.1

Lat. N JUL AGOS SEPT OCT NOV DICLat. S ENE FEB MAR ABR MAY JUN

50º 15.9 14.5 12.7 10.8 9.1 8.1

48º 15.6 14.3 12.6 10.9 9.3 8.3

46º 15.4 14.2 12.6 10.9 9.5 8.7

44º 15.2 14 12.6 11 9.7 8.9

42º 14.9 13.9 12.9 11.1 9.8 9.1

40º 14.7 13.7 12.5 11.2 10 9.3

35º 14.3 13.5 12.4 11.3 10.3 9.8

30º 13.9 13.2 12.4 11.5 10.6 10.2

25º 13.5 13 12.3 11.6 10.9 10.6

20º 13.2 12.8 12.3 11.7 11.2 109

15º 12.9 12.6 12.2 11.8 11.4 11.2

10º 12.6 12.4 12.1 11.8 11.6 11.5

5º 12.3 12.3 12.1 12 11.9 11.8

0º 12.1 12.1 12.1 12.1 12.1 12.1


Tabla 4.2.3:Radiación extraterrestre (Ra) expresada en equivalente de evaporación, mm/día

Hemisferio Norte

E F M A M J J A S O N D LAT.

3.8 6.1 9.4 12.7 15.8 17.1 16.4 14.1 10.9 7.4 4.5 3.2 50º

4.3 6.6 9.8 13 15.6 17.2 16.5 14.3 11.2 7.8 5 3.7 48º

4.9 7.1 10.2 13.3 16 17.2 16.6 14.5 11.5 8.3 5.5 4.3 46º

5.3 7.6 10.6 13.7 16.1 17.2 16.6 14.7 11.9 8.7 6 4.7 44º

5.9 8.1 11 14 16.2 17.3 16.7 15 12.2 9.1 6.5 5.2 42º

6.4 8.6 11.4 14.3 16.4 17.3 16.7 15.2 12.5 9.6 7 5.7 40º

6.9 9 11.8 14.5 16.4 17.2 16.7 15.3 12.8 10 7.5 6.1 38º

7.4 9.4 12.1 14.7 16.4 17.2 16.7 15.4 13.1 10.6 8 6.6 36º

7.9 9.8 12.4 14.8 16.5 17.1 16.8 15.5 13.4 10.8 8.5 7.2 34º

8.3 10.2 12.8 15 16.5 17 16.8 15.6 13.6 11.2 9 7.8 32º

8.8 10.7 13.1 15.2 16.5 17 16.8 15.7 13.9 11.6 9.5 8.3 30º

9.3 11.1 13.4 15.3 16.5 16.8 16.7 15.7 14.1 12 9.9 8.8 28º

9.8 11.5 13.7 15.3 16.4 16.7 16.6 15.7 14.3 12.3 10.3 9.3 26º

10 11.9 13.9 15.4 16.4 16.6 16.5 15.8 14.5 12.6 10.7 9.7 24º

11 12.3 14.2 15.5 16.3 163 16.4 15.8 14.6 13 11.1 10.2 22º

11 12.7 14.4 15.6 16.3 16.4 16.3 15.9 14.8 13.3 11.6 10.7 20º

12 13 14.6 15.6 16.1 16.1 16.1 15.8 14.9 13.6 12 11.1 18º

12 13.3 14.7 15.6 16 15.9 15.9 15.7 15 13.9 12.4 11.6 16º

12 13.6 14.9 15.7 15.8 15.7 15.7 15.7 15.1 14.1 12.8 12 14º

13 13.9 15.1 15.7 15.7 15.5 15.5 15.6 15.2 14.4 13.3 12.5 12º

13 14.2 15.3 15.7 15.5 15.3 15.3 15.5 15.3 14.7 13.6 12.9 10º

14 14.5 15.3 15.6 15.3 15 15.1 15.4 15.3 14.8 13.9 13.3 8º

14 14.8 15.4 15.4 15.1 14.7 14.9 15.2 15.3 15 14.2 13.7 6º

14 15 15.5 15.5 14.9 14.4 14.6 15.1 15.3 15.1 14.5 14.1 4º

15 15.3 15.6 15.3 14.6 14.2 14.3 14.9 15.3 15.3 14.8 14.4 2º

15 15.5 15.7 15.3 14.4 13.9 14.1 14.8 15.3 15.4 15.1 14.8 0º

60


Hemisferio Sur

E F M A M J J A S O N D LAT

17.5 14.7 10.9 7 4.2 3.1 3.5 5.5 8.9 12.9 16.5 18.2 50º

17.6 14.9 11.2 7.5 4.7 3.5 4 6 9.3 13.2 16.6 18.2 48º

17.7 15.1 11.5 7.9 5.2 4 4.4 6.5 9.7 13.4 16.7 18.3 46º

17.8 15.3 11.9 8.4 5.7 4.4 4.9 6.9 10.2 13.7 16.7 18.3 44º

17.8 15.5 12.2 8.8 6.1 4.9 5.4 7.4 10.6 14 16.8 18.3 42º

17.9 15.7 12.5 9.2 6.6 5.3 5.9 7.9 11 14.2 16.9 18.3 40º

17.9 15.8 12.8 9.6 7.1 5.8 0.3 8.3 11.4 14.4 17 18.3 38º

17.9 16 13.2 10.1 7.5 6.3 6.8 8.8 11.7 14.6 17 18.2 36º

17.8 16.1 13.5 10.5 8 6.8 7.2 9.2 12 14.9 17.1 18.2 34º

17.8 16.2 13.8 10.9 8.5 7.3 7.7 9.6 12.4 15.1 17.2 18.1 32º

17.8 16.4 14 11.3 8.9 7.8 8.1 10.1 12.7 515 17.3 18.1 30º

17.7 16.4 14.3 11.6 9.3 8.2 8.6 10.4 13 15.4 17.2 17.9 28º

17.6 16.4 14.4 12 9.7 8.7 9.1 10.9 13.2 15.5 17.2 17.8 26º

17.5 16.5 14.6 12.3 10.2 9.1 9.5 11.2 13.4 15.6 17.1 17.7 24º

17.4 16.5 14.8 12.6 10.6 9.6 10 11.6 13.7 15.7 17 17.5 22º

17.3 16.5 15 13 11 10 10.4 12 13.9 15.8 17 17.4 20º

17.1 16.5 15.1 13.2 11.4 10.4 10.8 12.3 14.1 15.8 16.8 17.1 18º

16.9 16.4 15.2 13.5 11.7 10.8 11.2 12.6 14.3 15.8 16.7 16.8 16º

16.7 16.4 15.3 13.7 12.1 11.2 11.6 12.9 14.5 15.8 16.5 16.6 14º

16.6 16.3 15.4 14 12.5 11.6 12 13.2 14.7 15.8 16.4 16.5 12º

16.4 16.3 15.5 14.2 12.8 12 12.4 13.5 14.8 15.9 16.2 16.2 10º

16.1 16.1 15.5 14.4 13.1 12.4 12.7 13.7 14.9 15.8 16 16 8º

15.8 16 15.6 14.7 13.4 12.8 13.1 14 15 15.7 15.8 15.7 6º

15.5 15.8 15.6 14.9 13.8 13.2 12.4 14.3 15.1 15.6 15.5 15.4 4º

15.3 15.7 15.7 15.1 14.1 13.5 13.7 14.5 1.2 15.5 15.3 15.1 2º

15 15.5 15.7 15.3 14.4 13.9 14.1 14.8 15.3 15.4 15.1 14.8 0º

61


Relación entre W-Rs y el comportamiento medio de la humedad relativa del aire y los vientos diurnos para obtener la

evapotranspiracion potencial

62


Ejemplo:

1. Cálculo de ETP diaria media en milímetros por día para el mes de abril en la región del

Sagua la Grande en Cuba.

Datos:

Temperatura media: 24,5 °C.

Insolación n media: 9,0 h.

Vientos diurnos: 4,25 m/s (moderados).

Humedad relativa media: 70 %.

Latitud norte: 22,6°.

Altitud: 9,0 m.

Solución:

Radiación extraterrestre Ra para abril (tabla 3.12): 15,5 mm/día.

Duración máxima diaria de la insolación N (tabla 3.11): 12,6 h.

RS = (0,25 + 0,50*9/12,6) 15,5

RS = 9,4 mm/día.

Factor de ponderación W: = 0,73 (tabla 3.10).

Término de radiación W- R, = 0,73 • 9,4

W*RS=6,8.

Evapotranspiración potencial por la figura 3.4 teniendo en cuenta vientos moderados y

humedad relativa media de 70 %.

ETP (abril) = 6,0 mm/día.

2. Calcular la Evapotranspiración por el Método de Radiación para el Mes de Abril en

una Región del Perú.

63


Datos:

n = 9 horas

Tº = 21 ºC

HR = 95%

Latitud = Sur 9.5º

Altitud = 40 msnsm

Velocidad del Viento = 5 m/seg

Solución:

Efectuando los Cálculos:

5º L.S N = 12

N (abril) = 10º L.S N = 11.8

N (Abril) = 11.9

A su vez:

RA (abril) : 6º LT RA = 14.7

mm 8º LT RA = 14.4

RA = 14.55 mm / día

Entonces;

R s = (0.25+ (0.5x9) / 11.9) x 14.55

R s = 9.09 mm / día

Por otro lado:

w = f ( Tº, altitud)

Luego:

Tº = 20 ºC : Z = 0 w = 0.68

Z = 500 w = 0.70

Tº = 22 ºC : Z = 0 w = 0.71

64


Z = 500 w = 0.72

w = 0.70

Finalmente:

E0 = ( a + b) 0.70 x 9.09

E0 = (a + b) 6.36

Del Gráfico; IV, para

WRS = 6.36 mm / día

Tenemos:

E0 = 5.8 mm / día

En Conclusión:

El valor hallado se encuentra dentro del rango apropiado; ya que el promedio de la

Evapotranspiración en el Perú es de 5 mm / día.

d) Método del evaporímetro clase A

El evaporímetro, clase A es un tanque circular de 125 cm de diámetro y 25,5 dé

profundidad. construido de hierro galvanizado y montado sobre una plataforma hecha con

listones de madera; de modo que permita la circulación libre del aire en contacto con el

fondo del tanque, se llena de agua hasta 5 cm del borde y una vez que la lámina ha

descendido hasta 7 cm del borde se rellena de nuevo. La evaporación se calcula como la

diferencia entre dos lecturas diarias consecutivas, haciéndose ajuste por cualquier

precipitación medida en un pluviómetro adyacente.

El método del evaporímetro clase A para estimar la evapotranspiración de los cultivos se

basa en el criterio de qué sobre la lámina de agua de un evaporímetro influye todo el

complejo de elementos climáticos que condicionan la evapotranspiración del agua por las

plantas como fenómeno físico, por lo que el método del evaporímetro integra todos los

métodos anteriores.

Sin embargo, diversos factores pueden tener influencia en inexactitudes del evaporímetro

para estimar la evapotranspiración, tales como: la reflexión que se origina en una

superficie de agua es de 5 a 8 % en relación con la radiación solar recibida, mientras que

65


para la mayoria de las cubiertas vegetales es de 20 a 25 %; el calor almacenado en el

tanque durante el día puede dar lugar a valores de evaporación nocturna relativamente

altos que no se corresponden con la evapotranspiración de tos cultivos por las noches. Es

importante el color blanco exterior del tanque para disminuir la transferencia de calor por

los costados, y la protección de este para que los animales no consuman su agua,

originando así datos alterados.

El tanque debe estar ubicado en un lugar rodeado de vegetación herbácea,

preferentemente un pasto que cubra todo el terreno y enclavado en la región donde se

encuentran cultivos a los cuales se les calculará la evapotranspiración a partir de las

mediciones de evaporación. Se acepta que la evaporación de un tanque evaporímetro

clase A pueda usarse para usarse para calcular la evapotranspiración en un radio de hasta

50 km, lo que simplifica la cantidad de mediciones en las empresas agrícolas. Este

método es el que se ha adoptado en Cuba y también en Estados Unidos, Israel, Puerto

Rico, Taiwan, Hawai, México, y otros países y entre las ventajas que tiene pueden

resumirse las siguientes:

Es un método de aplicación sencilla.

Puede usarse para calcular la evapotranspiración en el proyecto y en la explotación de los

sistemas de riego.

No depende de un limitado número de factores climáticos, sino que los integra todos.

Puede usarse para calcular la evapotranspiración para períodos tan cortos como un día.

Para calcular la evapotranspiración a partir de datos de evaporación, debe conocerse con

anterioridad la relación entre ambos términos, para las diferentes fases de desarrollo del cultivo y

para determinada época de siembra o plantación, es decir, debe conocerse el coeficiente Kb .

Generalmente, Kb puede variar para cada decena del ciclo vegetativo y su expresión será:

Kb=Et

Eo

Donde:

Eo - evaporación del tanque evaporímetro.

66


La determinación de Kb corresponde a las estaciones experimentales y es un dato

importante para la proyección y explotación del régimen de riego. Para la mayoría de los

cultivos y fases de desarrollo la evaporación del tanque clase A resulta mayor que la

evapotranspiración real. Luego los valores deKb serán generalmente menores que la

unidad.

EFICIENCIA DE RIEGO

Siempre sucede en la práctica que la cantidad de agua que necesita la planta (An) es

menor que la cantidad de agua puesta en la cabecera (Aa) del lote, esto se debe entre

otros factores a las pérdidas por percolación y de escorrentía; a la relación entre estas

cantidades de agua se le denomina eficiencia de riego.

Er =AnAa

El valor de Er depende también de la habilidad con que se maneje el agua; en nuestro medio se

considera que tiene valores comprendidos entre 0.20 y 0.45. La eficiencia total de riego Er,

corresponde al producto de la eficiencia en la conducción (Ec), distribución (Ed) y de aplicación

(Ea).

Debe tenerse presente que éstas pérdidas son diferentes de las que se producen por conducción

en los canales principales y secundarios.

Tabla 5.2: Cuadro De Eficiencias, Métodos De Riego Y Cultivos Predominantes por Valles

VALLE

EFICIENCIAS (%)METODO DE RIEGO

CULTIVOS PREDOMINANTESETAPA (1) COND0UC.

ETAPA (1) APLICAC.

ETAPA RIEGO (1)X(2)

TUMBES 80 50 40 Surcos y Pozas

Arroz, Plátanos frutales

CHICAMA 85 40 34 SurcosCaña de Azúcar, Maíz,

Menestras

MOCHE 88 38 33Surcos y Melgas

Caña de Azúcar, Maíz, Alfalfa

VIRU 77 56 43 SurcosMaíz, Sorgo, Camote,

Espárrago

CHAO 77 56 43 Surcos Maíz, Sorgo, Frutales

67


SANTA 75 35 26Surcos, Melgas y pozas

Caña de Azúcar, Arroz, Maíz, Alfalfa

LACRAMARCA 75 35 26Surcos, Melgas y pozas

Caña de Azúcar, Arroz, Alfalfa, Maíz

NEPEÑA 74 45 33Surcos y Melgas

Caña de Azúcar, Maíz, Alfalfa

CASMA 75 53 40 Surcos Maíz, Algodón, Menestras

HUARMEY 75 53 40 SurcosMaíz , Menestras, Yuca,

Algodón

FORTELEZA 85 50 42 SurcosCaña de Azúcar, Maíz,

Papa

PATIVILCA 85 50 42 SurcosCaña de Azúcar, Maíz,

Papa

SUPE 85 50 42 Surcos Maíz, Caña de Azúcar

HUAURA 85 52 44 Surcos y Melgas

Maíz, Menestras, Algodón

CHANCAY-HUARAL 75 60 45 Surcos

Maíz, Algodón, Papa, Cítricos

CHILLON 75 60 45Surcos y Melgas Maíz, Camote, Alfalfa

RIMAC 75 60 45Surcos y Melgas Pan llevar y Jardines

LURIN 75 55 41Surcos y Melgas

Frutales, Maíz, Camote, Tomate

MALA-OMAS 75 51 38Surcos y Melgas

Algodón, Plátano, Maíz, Papa

CAÑETE 75 60 45 SurcosAlgodón, Papa, Camote,

Frutales

SAN JUAN 70 60 42 Surcos Algodón, Maíz, Vid

PISCO 70 60 42Surcos y Melgas

Algodón, Maíz, Pallares, Pastos

ICA 60 55 33Surcos y Melgas

Algodón, Vid, Pastos, Menestras, Pallares

GRANDE 60 55 33Surcos y Melgas

Algodón, Cítricos, Maíz, Menestras, Alfalfa

ACARI 75 42 31Surcos y Melgas Maíz, Alfalfa

YAUCA 75 42 31Surcos y Melgas Olivo, Maíz, Alfalfa

CHALA 75 42 31 Surcos y Melgas

Olivo, Alfalfa, Maíz

CHAPARRA 75 42 31Surcos y Melgas Olivo, Maíz, Alfalfa

ATICO 75 42 31 Surcos y Melgas Olivo, Higuera, Alfalfa

68

10%

50% ARROZ

CITRICO

ARROZ

40%


CARAVELI 75 42 31Surcos y Melgas Vid, Trigo, Alfalfa

OCOÑA 78 30 23Surcos Y Pozas Arroz , Fréjol, Maíz

CAMANA 78 30 23Surcos Y Pozas Arroz , Fréjol, Maíz

MAJES 69 45 31Surcos Y Pozas Arroz , Fréjol, Maíz

ILO MOQUEGUA 70 72 50Inundación surcos y pozas

Alfalfa, Trigo, Cebada, Maíz, Menestras, Olivo

LOCUMBA 67 49 33Inundación y

surcosAlfalfa, Trigo, Cebada,

Maíz, Frutales

SAMA 72 42 30Surcos y Melgas Maíz, Pastos, Papa

CAPLINA 72 42 30Surcos y Melgas Maíz, Olivo, Papa

DETERMINACIÓN DEL MÓDULO DE RIEGO.

Para tu determinación, conocidos ya el calendario agrícola, la distribución de cultivos en

porcentaje del área total, y el consumo de cada uno de ellos para cada mes en cm. de agua y por

Ha.; se halla el volumen necesario para hectárea multiplicando los cm. de agua por 10,000 m2; a

éste producto se le divide entre el número de segundos que tiene el mes considerado como el de

máxima demanda, y el resultado nos dará el módulo de riego en m3/seg. x Ha.

Vamos a aclarar este concepto con un ejemplo. Supongamos que deseamos hallar el módulo para

la distribución de los cultivos:

Alfalfa . . . . 40%

Papas-Cebada. . . 50%

Cítricos. . . . . 10%

69

Q


Y que estos cultivos se riegan todo el año. Para abreviar el procedimiento supongamos que por

cualquier método hemos hallado las necesidades de agua para todos los meses del año y el mes

de máximas demandas es Enero; en estas condiciones los resultados podemos tabularlos de la

siguiente manera:

Necesidades Mensuales En Cm. Por Ha.

MESES

CULTIVOS

Alfalfa PapasCítrico

sObservaciones

Enero

Febrero

Marzo

ETC

13.0

....

....

....

11.0

....

....

....

10.0

....

....

....

Max. Demanda

....

....

....

Quiere decir que para una hectárea de alfalfa necesitamos 13 cm. de agua, para otra Ha.

de papa necesitamos 11 cm., etc. si nosotros queremos hacer intervenir los porcentajes de

distribución y a base de éstos calcular el módulo de riego; haciendo el estudio rara una Ha.

tendremos lo siguiente:

13.0 x .40 = 7.8 .......... 60 % de alfalfa

11.0 x .50 = 3.3 .......... 50 % de papas

10.0 x .10 = 1.0 .......... 10 % de cítricos

12.1

Entonces para una Ha. sembrada de alfalfa, papas y cítricos en los porcentajes

considerados necesitamos 12.1 cm. de agua, es decir: 1210 m3 por Ha. para el mes de máxima

demanda, dividiendo éste volumen por Ha. entre el número de segundos que tiene el mes de

Enero tendremos el módulo de riego:

1210 m3 x Ha2'500,000

= 0 . 484 lts/seg . x Ha .

Se ha considerado aproximadamente 2’500,000 de segundos para Enero. El ejemplo

tiene por finalidad mostrar el proceso que debe seguirse; no interesando la exactitud numérica.

Algunos ingenieros opinan que determinado el módulo de riego de acuerdo al procedimiento

descrito anteriormente, se llega a canales de gran capacidad y se inclinan por tomar un módulo

70


que sea el promedio de todos los módulos mensuales; de esta manera su valor baja, y en

consecuencia la capacidad de todas las estructuras se calculan a base de él. Si la distribución de

cultivos ha sido suficientemente estudiada y durante la explotación de la irrigación se va a

respetar esta distribución, no hay porque inclinarse al segundo criterio.

Una vez determinado el módulo de riego y conociéndose el número de hectáreas que deben

irrigarse, podemos determinar la capacidad debe dársele a la bocatoma y canales, que es

definitiva es la suma de las necesidades de agua, más el gasto que representa las pérdidas por

conducción, más el gasto determinado para el desarenador.

ESTUDIO AGROLOGICO DE LOS SUELOS

Es necesario en todo proyecto para irrigación

Se realiza el estudio agrologico hasta una profundidad de Z= 2 mt

Suelo

71

SUELO

Clasificación Estudio Agrologico CaracterísticasFísicos- Químicos

Clases de suelo Para riego

Textura (% de material sólido según clases estructurales)

Color

Profundidad


INFILTRACION:

Características Hídricas del Suelo:

- % de Saturación

- Capacidad de campo: % humedad en el suelo luego del riego de 2 días.

- % de Marchitamiento: % Humedad mínimo que requiere la planta.

Porcentaje de Humedad:

Ej: Peso suelo húmedo 120 gr

Peso de suelo seco 100 gr (T= 105° c)

Peso de agua 200gr

Altura de agua Neta:

Valido cuando la altura de lámina Dan, cubre toda la superficie del Terreno.

Dan = ( CC – CH) x ga x Ds

72

Base seca 20/100 x 100

Base húmeda 20/120 x 100

Suelo Textura

Arcilla

Franca

Arena

Fina

Media

Gruesa


100

Dónde:

CC = Capacidad de campo (contenido de humedad del suelo luego de 2 días de riego)

CH = Contenido de humedad que corresponde al % de marchitamiento de la planta

ga = Gravedad aparente o P.E aparente (peso del volumen del suelo con espacios o poros)D5 = Profundidad radicular con zona de humedecimiento (en promedio 2.00 m)

Resumen General

Suelo Capacidad de campo % de Marchitamiento ga, O P.E. aparente

Fina

Franca

Gruesa

30

20

10

15

10

5

1.2-1.3

1.0

1.4

Ej. Para un suelo arcilloso

Dan = 30- 15 x 1.2 x 1 = 0.18 Ds.

100

Si altura neta = Dan = 5 cm

La Profundidad de hundimiento será: Ds = 0.05 x 100 = 27 cm.

0.18

Nota:

Para un suelo de textura gruesa, se requerirá una menor Dan para humedecer una

profundidad D5 que para un suelo fino.

La textura de un suelo, es importante conocer por la influencia que tiene en el esparcimiento

o frecuencias del riego.

Un suelo de textura fina, el esparcimiento del riego por aspersión es mayor que para un

suelo de textura gruesa.

En suelos de estructura media gruesa, es factible utilizar el riego presurizado. Para suelo de

textura fina. Este sistema de riego resulta muy caro. Realizar evaluación técnica – económica

y rentabilidad financiera.

73


Textura gruesa tiene aproximadamente 5 cm/hr de velocidad de infiltración, se requiere

menor cantidad de aspersores.

Para suelo de textura fina, la velocidad de infiltración es aproximado 0.5 cm/hr se requiere

mayor número de aspersores para logra humedecer el suelo.

Propiedades Físicas de Suelos, Textura

Cap. De Campo % de Humedad densidad Velocidad

Textura % Marchitez disponible Aparente

infiltración

% cm/m ga cm/h

(Dan)

Arenoso 6-12 2-6 8 1.65 2.5- 25

(9) (4) (5)

Arenoso franco 10-18 4-8 12 1.60 1.3- 7.6

(14) (6) (2.5)

Franco 18-26 8-12 17 1.40 0.8- 2.0

(22) (10) (1.3)

Franco arcilloso 23- 31 11- 15 19 1.35 0.25- 1.5

(27) (13) (0.8)

Arcilloso arenoso 27- 35 13- 17 21 1.30 0.03 - 0.5

(31) (15) (0.25)

Arcilloso 31- 39 15- 19 23 1.25 0.1- 0.9

(35) (17)

Los valores entre paréntesis pueden tomarse como promedios

Ejm: Para humedecer 100 cm de suelo, se necesita 8 cm de altura de agua para un suelo

arenoso y 23 cm para un suelo de estructura fina.

Grueso

Fino

74

Se riega a la mitad de

consumo de la lámina

de agua al 50%.

8 cm lamina 100 cm

4 cm lamina 50 cm

2 cm lamina 50 cm

23 cm lamina 100 cm

12 cm lamina 50 cm

6 cm lamina 50 cm


Ejm: para la textura de suelo gruesa: 9% + 4% = 6.5 % 2

Dan = (9- 6.5)/100 x 1.65 x 50 cm = 2.06 = 2.0 cm

El riego por aspersión no puede regar a una velocidad mayor que la velocidad de inflitración

del agua en el suelo. (se inicia proceso de inundación).

El intervalo de riego se calcula con: IR=( Dan

ETo)

Ej: Textura Gruesa Textura Fina

8 cm 23 cm

2 cm 6 cm humedad Disponible al 50%

Intervalo de riego 4 dias 12 días

En un mes 7.5 2.5 (3 riegos/ mes)

Eficencia 20 % 40 %

Lamina a

aplicar x c/ riego 2/0.2 = 10 cm 6/0.4= 15 cm

Al mes 80 cm (10 cm x 8) 45 cm (15 cm x 3)

En1 Hectárea 8,000 m3/ has 4,500 m3/ has

Disgregación del 100%

Descarga x percolación: 5,600 m3/ha/mes (0.70x 8,000); 1,350 m3/ha/mes

75

En el suelo grueso del ej. El intervalo de riego seria de 4 días

En el suelo fino del ej. El intervalo de riego seria de 12 días

--- 20% Agua aprovechada --- 70% Percolación --- 10% Escorrentía

--- 40%

--- 30%

--- 30%


Conclusión: Se observa una gran pérdida del agua de riego por percoloración con el

consiguiente transporte de sal hacia la napa freática.

“Aplicación del Cálculo de la Evapotranspiración. Potencial”

Demanda de Agua para el Proyecto Sector- Chimbote-santa

Meses

N° Cultivo Factores E F M A M J J A S O N D

días/mes 31 28 31 30 31 30 31 31 30 31 30 31

Eto (mn/día) 6,3 6,5 6,3 5,5 4,5 3,5 3,4 3,3 4,5 5,2 5,6 6,1

1) Algodón Kct 0.51 0.20 0.31 0.51 0.90 1.05 1.05 1.05

2,301 2,301 2,301 2,301 2,301 2,301

0.308 0.523 1.080 1.156 1.568 1.708

2) Maíz Kc 0.34 0.36 1.05 1.05 0.55 0.34 0.36 1.05 1.05 0.55

Area (has)

Dn (m3 /s)

3) Papa Kc 1.00

Area (has) 446

Dn (m3 /s) 0.232

4) Arroz Kc 1.40

Area (has) 1,112

Dn (m3 /s) 1.135

5) Frijoles Kc

Area

Dn

6) Hortaliza Kc

Area

Dn

6) Hortaliza Kc

(tomate) Area

Dn

76

Area(ha) 2,301 2,301

Dn(m3/s) 1.042 0.252


Aplicación :

1. Para la papa:

Set. (30 días), Eo = 4.46 mm/día (135 mm/1 mes) por ha de cultivo

Kc = 1.0

A = 446 has

Eo = 135 mm/mes : (0.135 mt/mes)

Dn = ETp= 1,350 m3/mes x 446x 1.0= 0.232 m3

30x24x3600 sg

2. Para el arroz:

Eo= 6.3 mm/ día , Kc=1.40, A= 112 has. (Mes de Marzo)

o también:

Etp= 6.3 x 1,112 x 1.4 = 1.135 m3/sg

Eo Area Kc

Demanda Neta Total (m3/s) 3.083 1.949 2.430 …………………. 2.925

Ef. De riego 0.27 0.27 0.27 …………………. 0.27

Demanda agrícola (m3/s) 11.419 10,922 8.999 …………………. 10.833

Área Total (has) 4,783 4,783 3,479 .…………………. 3,416

Módulo de riego (L/s/ha) 2.388 2.238 2.587 …………………. 3.171

Demanda Agrícola (MMC) 30.59 26.42 24.10 …………………. 29.02

La demanda neta total es la suma de las demandas netas mensual para cada tipo de

cultivo.

Coeficiente de uso consuntivo de la planta (variable en cada mas, según el cultivo esté es

la fase de crecimiento, floración fruto, maduración). Inicialmente toma el valor más bajo,

aumentado hasta la fase de floración y disminuyendo de valor hasta la fase de floración y

disminuyendo de valor hasta alcanzar el 2do más bajo al final de la fase de crecimiento.

2.4 SISTEMAS DE RIEGO A PRESIÓN

Procedimiento Para El Planeamiento Y Programación De Un Sistema De Riego Por Aspersión:

Paso Nº01:

77


Realizar un inventario de los recursos disponibles y condiciones de operación. Incluir

información sobre suelos, topografía, suministro de agua, fuente de poder cosechas y

programación de cultivos.

Paso Nº02:

Determinar la guía de información local, la profundidad o cantidad de agua a ser aplicada en

riego. Si no existiera dicha guía de información, estimar esta profundidad.

Paso Nª03:

Determinar la frecuencia de riego o el período más corto de riego.

Paso Nº04:

Determinar la capacidad del Sistema (Ha a irrigar)

Paso Nª05:

Determinar la cantidad óptima de aplicación de agua. El máximo no es necesariamente la

cantidad / proporción óptima.

Paso Nº06:

Determinar el tipo de aspersor requerido.

Paso Nº07:

Determinar el espaciamiento entre aspersores, caudal, tamaño de las mangueras y presión de

operación para la intensidad de aplicación óptima.

Paso Nº08:

Determinar el número de aspersores requeridos que operen simultáneamente para cumplir

con los requerimientos de capacidad del sistema.

Paso Nª09:

Determinar el mejor equipo de la línea principal y lateral para operación simultánea en torno

al número de aspersores requeridos.

Paso Nº10:

Realizar los ajustes finales necesarios para las condiciones del equipo.

Paso Nº11:

Determinar la dimensión requerida de la tubería / línea lateral.

Paso Nª12:

Determinar la presión máxima total requerida por las líneas laterales individualmente.

Paso Nº13:

Determinar la dimensión requerida de la tubería o línea principal.

Paso Nº14:

78


Chequear la dimensión de la tubería / línea principal para el “Power Economy” (ahorro de

potencia)

Paso Nº15:

Determinar las condiciones máximas y mínimas de operación.

Paso Nº16:

Seleccionar la bomba y unidad de poder para la máxima eficiencia de operación dentro del

rango de condiciones de operación.

Paso Nº17:

Preparar los planes, programas e instrucciones para el equipo y operación adecuado del

sistema.

CONSIDERACIONES EN EL PLANEAMIENTO DE RIEGO POR ASPERSIÓN:

1.0 TAMAÑO DE BOQUILLA Y PRESIÓN:

En general las relaciones entre la descarga y presión de un aspersor se pueden

expresar mediante la ecuación del orificio.

q = Kd (p)0.5 …………………….(1)

Dónde:

q = gasto del aspersor (lm/min)

p = Presión de operación (m)

Kd = coeficiente

Debido a las pérdidas por fricción interna del aspersor, Kd, disminuya ligeramente a

medida que q y p se incrementan; no obstante se puede asumir constante para todo el

rango normal de presiones de operación de la mayoría de los aspersores.

La ecuación (1) puede ser escrita también como:

PP 1

=( qq1 )

0. 5

Siendo P1 y q1 valores proporcionados por el fabricante.

79


Problema: En un lateral se tiene 20 aspersores, la presión de operación media es de Ha =

28.00 m; qa = 0.38 l/s, la presión en el último aspersor es de H20 = 27.30m. Encontrar la

descarga q20 y diferencia de descarga entre el primero y el último aspersor.

2.0 CAPACIDAD DEL SISTEMA:

La capacidad requerida de un sistema de riego por aspersión depende del tamaño del área

regada, lámina bruta de agua aplicar en cada riego y el tiempo de operación neto

necesario para aplicar esta lámina.

La capacidad del sistema se calcula mediante:

Q = K

A . df .T

Donde:

Q = caudal de descarga del sistema en l/s o gpm.

A = área de diseño en Ha o acres

d = lámina bruta de aplicación en mm. ó pulgada

f = tiempo permitido para el riego en días (frecuencia de riego)

T = tiempo real de operación

K = 2.778 (sist..métrico), 453 (sist..inglés)

Ejemplo: Con la información calcular la capacidad del sistema (caso de un solo cultivo)

A = 16.20 Ha maíz . Uso Consuntivo 5.08 mm/día. Lamina neta = 61 mm. Eficiencia de

riego = 70 %. Intervalo de Riego = 10 días en un lapso de 12 días, operación 20

horas/día.

Rpta: Q = 19.6 l/s.

3.0 INTENSIDAD DE APLICACION:

La intensidad a la cual se va ha aplicar el agua depende de:

a) Tiempo requerido para que el suelo absorba la lámina de riego sin causar

escurrimiento.

b) La intensidad de aplicación mínima que va ha resultar en una distribución uniforme.

c) El tiempo deseable para aplicar la lámina requerida de agua.

d) La intensidad de aplicación ajustada al número de aspersores que operan usando el

diseño del sistema que resulta sus prácticas.

80


La intensidad de aplicación se estima mediante:

I = K

qS1 xSm

Donde:

I = Intensidad de aplicación promedio mm/h o pulg/hora

q = descarga del aspersor en l/s o gpm

S1 = Espaciamiento de aspersores a lo largo del lateral (m o pies)

K= 3600 sist..métrico y 96.3 (sist. Inglés)

Para evitar escorrentía es necesario que la intensidad de aplicación sea menor o igual que

el valor de la infiltración básica.

4.0 DISEÑO DE LATERALES:

El diseño de laterales depende del número de aspersores que se requieren, el número de

posiciones del lateral, topografía y viento.

El diámetro de los laterales son determinados mediante varias técnicas como son:

a) Método económico, selección de la mínima suma de costos fijos mas costos de

energía.

b) Método de pérdida de carga unitaria, se selecciona un límite de pérdida de carga por

unidad de longitud. Ejm: 2 mm/ 100m.

c) Método de velocidad, se selecciona un límite sobre la velocidad, generalmente entre

1.5 m/s o 3.0 m/s.

d) Método de por ciento de pérdida de carga, se selecciona un límite sobre las pérdidas

en la red principal. Esto se puede hacer permitiendo que la presión en le línea

principal varíe entre 10% a 20% de la presión promedio de operación del aspersor.

q pa=k (h1)0. 5

qua=k (h1)0 . 5

Dónde:

q pa = caudal en el primer aspersor

q ua = caudal en el último aspersor

h1 = carga operación primer aspersor

h2 = carga operación último aspersor

81


k = coeficiente descarga

Las ecuaciones anteriores se transforman en

q pa

q ua

=( hpa

hua)2

Si se considera una diferencia de gasto de 10% entre el primer y ultimo aspersor del

lateral se tiene

Qua=0 . 9Qpa

hpa

hpa

=Q pa

0. 9Qpa

H pa=1 . 23 hpa

hua=0 .81 hpa

Lo que demuestra que la perdida de carga permisible puede ser de 20%

La perdida de carga se calcula para diversas alternativas de diámetro del lateral y se toma

aquella que se adapte a las consideraciones técnicas y económicas.

Hay diversas formulas para calcular las pérdidas de carga.

La ecuación de Hazen y Williams se usa normalmente para estimar las perdidas por

fricción en laterales de aspersión y líneas principales.

Jh f∗100

L=K (Q

C )1.852

D−4 .83

J= Gradiente pérdida de carga m/100m

K= Constante de conversión 1.21x1012

h f= Pérdida de carga por fricción, m

L= Longitud de tuberías , m

Q= Caudal l/s

82


C= Coeficiente fricción que es función del material de la tubería

C= 130 para tubería aluminio con acoples cada 9m

D= Diámetro interno tubería, mm

Las pérdidas por fricción en tuberías con salidas múltiples se estima mediante:

h f=JFL

100

F= Coeficiente de reducción que varia entre 1 cara en el caso de una salida a

0.36 para el caso de 31 salidas.

La presión requerida en la entrada de un lateral depende si este es colocada sobre un

terreno, pendiente arriba o a favor de la pendiente.

Hm=H a+34

h f±12

Δ el+hr

Dónde:

Hm= Presión a la entrada del lateral

Ha= Presión promedio de operación (viene en catálogo)

h f= Pérdida de carga por fricción en m

el= Elevación de la tubería en m

hr= Presión requerida para elevar el agua a los elevadores en m.

Δ= Es al negativo para el caso del lateral ubicado a favor de la pendiente

En la determinación del diámetro de la tubería principal, no hay norma específica relativa

a ala cantidad permisible para la pérdida por fricción en la tubería principal. Usualmente

se toma una perdida por fricción de 3m para sistemas pequeños y hasta 12m para

sistemas grandes.

Como se sabe el diámetro de la tubería esta en relación inversa a si la presión es debida

a la gravedad y la diferencia de altura, entre la fuente de agua y la zona de riego y es

mucho mayor que la presión requerida para proporcionar una presión normal de

83


operación se debe usar diámetros de tubería pequeños a fin de aumentar las perdidas por

fricción y con ello reducir la ganancia de presión.

5.0 CALCULO CARGA DINAMICA TOTAL

Para seleccionar una bomba y unidad de potencia que vaya a operara un sistema eficiente

mente resulta necesario determinar la suma de todas las perdidas de presión en el sistema

que van a dar la carga dinámica total contra la cual se tiene que bombear el agua.

La carga dinámica total es la carga requerida para que un sistema de riego entregue el

caudal especificado. Un sistema con una inadecuada estimación de la carga dinámica

total va ha resultar en un sistema que entregue menos agua que la especificada y

posiblemente con una baja eficiencia de riego; o un sistema con una estimación alta va a

consumir mas energía y altos costos de bombeo.

La carga dinámica total tiene como componentes:

a. Carga de presión para operar el lateral.

b. Perdida de cargas por fricción.

c. Perdidas de carga por fricción en tuberías y válvulas.

d. Diferencia de elevación con la superficie de agua.

e. Perdida de fricción en la línea de succión.

f. Perdidas misceláneas.

EJEMPLO DE DISEÑO DE RIEGO POR ASPERSIÓN

SUELO : Limo-arcillo .

TOPOGRAFÍA : Pendiente Uniforme de 0.5% de norte de sur.

FUENTE DE AGUA : Caudal disponible 60 l/s, con un contenido total de sales solubles

de 500 mg/lt, ubicado en el punto medio de la parcela.

ETA : 5.6 mm/da

SUPERFICIE : 33 Ha

POZO : Ubicado en el punto medio de la parcela

CULTIVO : Papa

VIENTO : Con velocidad de 12 km/hr en la dirección Este – Oeste.

LABORES AGRÍCOLAS : Labores se desarrollaran durante las horas de luz del día.

84


1. Determinación de la Lamina Neta

cc = 22 Vol %, pm =10 Vol %. Textura Media io = 10 mm/hr.

Ln =

24−10¿100 ¿

¿¿ 80cm 0.60 = 6.72cm

2. Determinación de Lamina Bruta

Ln =

L n

E f =

6 . 720 .75 = 8.96 cm =89.6 cm

3. Determinación de la Frecuencia de Riesgo

FR =

Ln

ETA =

67 . 2 mm5. 6 mm /dia = 12 días máximo

Asumir ciclo de 10 días (2 días por seguridad)

4. Determinar la capacidad del sistema

Asumir 14 horas de operación, por considerarse los trabajos de campo solamente

en el día.

QR = A . d Q = Caudal ( l / S )

A = Área ( ha )

d = Lamina Bruta ( mm )

Q = K

A . dfr . t op fr = Das ( frecuencia de riego )

Top = Tiempo de operación (hr/dia)

K = 2.778 ( sistema métrico)

85


Q = 2.778

33 ha∗89 .6 mm10 dias∗14 hr /dia = 58.7 l/s

5. Determinación de la taza de aplicación optima de agua (intensidad optima de aplicación)

I=8 .96 cm

14hr = 0.64 mm / hr = 6.4 mm / hr

Como: la tasa de infiltración básica es de 10 mm/hr

Entonces: Debe cumplirse que l ib

6.4 mm / hr 10 mm / hr

6. Selección del aspersor requerido:

a) Selección de una línea principal subterránea, con laterales portátiles .

b) Otra posibilidad es elegir una aspersor con manguera flexible de 432 m .

7. Determinación del espaciamiento, descarga del aspersor, dimensión de las tuberías y

presión de operación para la óptima intensidad de aplicación de agua.

a) Elegir espaciamiento 12 * 18 (Sm Se)

b) Calcular la descarga de la boquilla

q =

S Lx S nx I3600

q = Descarga del aspersor ( l / s )

I = Intensidad de aplicación promedio (mm / hr)

SL = Espaciamientos de los aspersores a lo de los laterales (m )

Sm = Espaciamiento de los aspersores a lo largo de la línea principal (m )

q =

12 m∗18 m∗6 . 4 mm/hr3600 = 0.384 l/s

86


c) Consultar él catálogo de los aspersores

Selecciono

30 EW-TNT

Caudal qa = 0.39 l/s

Presión de Operación = 2 Bar

Radio de Humedecimiento 14.8 m

Diámetro = 29.6 m

Para definir el máximo espaciamiento

Tenemos tres diferentes arreglos

1. Arreglo cuadrado

Para minimizar los efectos de viento , cuando sé esta utilizando un arreglo cuadrado se

recomienda para proyectos 55% debiendo variar este valor de acuerdo a la velocidad del

viento .

Velocidad (Km./hr) Usar máximo

Espaciamiento

0 a 5 55 % del diámetro



2. Arreglo triangular

Se utilizan en áreas con límites irregulares

Para diseños se consideran espaciamientos del 60% del diámetro, pudiendo variar de

acuerdo a la velocidad del viento.

Velocidad (Km. / hr ) Usar máximo

Espaciamiento


87




3. Arreglo rectangular

En este caso, el valor de L permanece constante a 60% del diámetro mientras que

la distancia transversal es diferente para velocidades de viento.

Velocidad ( Km. / hr ) Usar máximo

Espaciamiento

0 a 5 L = 60 % del diámetro

S = 50 % del diámetro





Para nuestro caso:

Velocidad de viento = 12 Km. / hr

Arreglo rectangular

Diámetro = 29.6

SI * 60 % 29.6 m * 0.6 = 17.76 m

Sm * 40 % 29.6 m * 0.4 = 11.84

8. Determinación de número de aspersores requeridos, operando simultáneamente, para

cumplir con los requerimientos de la capacidad del sistema.

a) Número total de espesores

N asp. =

Q s

q a =

58 .71 /s0 .3841/ s = 153 aspersores

9. Determinación del número de laterales.

88


a) Longitud de laterales = 192 m

b) Número de aspersores por lateral

N. Lat. / lateral =

192 m12 m =16 asp / lateral

c) Número de laterales

N . lat. =

NO t op deasp .N O asp / lateral =

153asp16asp / lat = 9.56 = 10 lat .

d) Total posiciones de laterales :

Total posiciones = = 48 posiciones por lado

= 48 x 2 = 96 pos. Total

2 posiciones por cada frecuencia de riego = 10 días, tendremos 20 posiciones por

ha

N de laterales =

9620 = 4.8 = 5 laterales

Otra forma de calcular el número de laterales es mediante la siguiente expresión:

N lat . =

N Ototal de posicionesN Ode posiciones

N de posición =

Fr ( frecuencia deriego )diastiempo de operacion

Del ejemplo:

a) N° total de posiciones = 96

b) NO de posiciones =

24×1012 horas 20 posiciones

89

86418


c) NO de laterales = 96 / 20 = 4.8 = 5 laterales

10. Ajustes finales para cumplir con las condiciones del diagrama.

a) Capacidad del sistema

Qs = N. lat *N. asp/lat * qa (caudal de aspersor )

Qs = 10 lat * 16 asp/lat * 0.384 l/s = 61.44 l/s

11. Cálculo de pérdidas de carga admisibles y actuales (para seleccionar tubería lateral )

a) Pérdida de carga admisible

Ja =

0 . 2 Pa+Pe( L/100)×F + contrapendiente

- Favor de la pendiente

Dónde:

Ja = Pérdida de carga admisible ( m / 100m )

Pa = Presión de operación del aspersor p73

F = Factor de número de salidas

L = Longitud del lateral

Ja =

0 .20×2 bar (10 m /1 bar )÷0 .96 m(192/100 )×0 .382 = 6.76 m / 100 m

presión admisible por cada 100m a este valor no debe ser

b) Pérdidas de cargas actuales

Caudal lateral

Ql = 16 asp / lat * 0.3841 /s / asp = 6.144 l/ s / lat

Seleccionamos dos diámetros

= 2, aluminio, C = 130

90


= 3, aluminio, C = 130

Para el primer caso:

J = 1.21 * 1012 (6.144/130)1.852 (50) – 4.87

J = 22.6 m / 100m

Para el segundo caso:

J = 1.21 * 1012 ( 6.144 / 130 ) 1. 852 ( 75 ) – 4.87

J = 3.136 m / 100 m

Finalmente; deber cumplir la siguiente condición

J Ja

Y seleccionamos la tubería de 3 de diámetro para la línea lateral .

3.136 m / 100 m 6.75 m / 100 m

c) Pérdida de carga en la línea lateral

hf = J. F. ( L / 100 ) = 3.136 * 0.382 * (192 / 100 ) 2. 30 m

12. Determinación de la presión total máxima requerida por las líneas laterales individuales

a) Presión de entrada en el lateral para un solo diámetro .

ha = ha + 3/4 hf + 1/2 EL + hf

b) Presión de entrada en el lateral con dos diámetros .

ha = ha +5/8 hf + 1/2 EL + hf

Para nuestro caso :

91


ha = ha + 5/8 h f + ½ EL + Hf

= 20 m + 3/4 ( 2. 3 m )+ 1/2 ( 0. 96 ) m + lm

= 20 m + 1. 725 m + 0.48 m + l m = 23. 205m .

ANÁLISIS DE PRESIONES

a) Presión en el último aspersor.

Ha = ha – hf – AEl – h r

Ha = 20 m – 2.3 – 0. 96 – l m = 15. 74 m .

b) % de la presión de entrada es la presión promedio de la boquilla.

H a

H n =

20 m23 . 205 m

×100=86 %

c) Presión mínima de la boquilla y donde ocurre?

La presión mínima ocurre donde

J = S , S = 0. 5 m / 100

J = 0. 5 m / 100 m

J = 1. 21 * 1012 ( Q

130)1852⋅(75 )48=0. 5 m /100

Q =

( 0. 5×1301852

1 . 21×1012 (75 )−48

)1 852

Q =

4111 . 4318 1852

893 . 79=2.28

l/s

N Del aspersor =

2 .28 l / s0 .384 l /s /asp

=5.93=Asp . 6

Desde el final: Distancia 6 * 12 = 72 m

92


Luego la presión mínima será:

Pn = Pc +hf ( 2. 28 l /s

0. 3841 l /s /asp)=5 .93=Asp .6

Pn = 15. 76 + ( 6

16) 2852+

(−0 . 96 ) ( 6

16 ) = 15. 76 + 0. 140 + ( 0. 36 ) = 15. 54 m

13. Dimensionamiento de la línea principal .

Se tendrá en consideración lo siguiente:

a) Que los laterales están a gran distancia de la bomba

b) Evaluar los estímulos iniciales de perdida de carga

c) El criterio de selección en las tuberías es económico

d) Los cálculos de pérdida de carga se efectuaran utilizando la fórmula de Hazen

Williams , para un valor de C = 150.

Alternativa 1: Se asume que todas las tuberías son de 6

Diámetro

(mm)Tramo

Caudal

( l/s )

Long.

(m)

J

(m/100m)

Ht

(m)

150 ( 6) AB 12. 288 81 0. 279 0.24

150 ( 6) BCD 6. 144 342 0. 823 0. 28

150 ( 6 ) AE 18. 432 81 0. 629 0. 51

150 ( 6 ) EF 6. 144 342 0. 0823 0. 28

hf total = 1. 31m

Alternativa 2: Se asume que todas las tuberías son de 6 y 4

Diámetro

(mm)Tramo

Caudal

( l/s )

Long.

(m)

J

(m/100m)

Ht

(m)

150 ( 6) AB 12. 288 212 0. 297 0.63

150 ( 4) BCD 6. 144 211 0. 593 1. 25

150 ( 6 ) AE 18. 432 212 0. 629 1. 33

150 ( 4) EF 6. 144 211 0. 593 1. 25

93


hf total = 4. 46 m

Alternativa 3: Se asume que todas las tuberías son de 4

Diámetro

(mm)

Tramo Caudal

(l/s)

Long.

(m)

J

(m/100m)

H.

(m)

100 (4) AB 12. 288 81 2. 140 1. 73

100 (4) BCD 6. 144 242 0. 593 1. 435

100 (4) AE 18. 432 81 4. 53 3. 67

100 (4) EF 6. 144 342 0. 593 2. 03

Hf total = 8. 87 m.

14. Chequear las tuberías de la línea principal para el ahorro de energía .

Establecer una comparación entre los costos de los diferentes diámetros de tuberías y

el costo de operación de la bomba para cada uno de estas y su determinación del

diámetro óptimo.

a) Asumiendo los siguientes costos de tuberías PVC .

Diámetro Costos

(pulg) ($/m)

4 6. 60

6 9. 20

8 15. 60

10 24. 30

11 33. 96

b) Asumiendo una amortización del 10 % para un periodo de 20 año (CRF = 0.1175

) , que puede obtenerse de tablas o calcular mediante la siguiente expresión .

94


CRF = l( l+l )N

( l+l )−1

Dónde:

l = Tasa de interés (en decimales)

N = Vida útil (años)

CRF = Factor de recuperación de capital (Capital Recovery Factor)

c) Costos anuales de tubería.

Alternativa

NDiámetro

Long.

(m)

Costo

($) CRF

Costos anual de

Tubería (s)

1 6 846 7783. 2 0. 1175 941. 526

2 6 424 3900. 8

4 422 2785. 2

6686. 0 0. 1175 785. 605

3 4 846 5583. 6 0. 1175 656. 073

d) Asumiendo que la lámina neta anual de aplicación es de 750 mm , las horas de

bombeo serán:

Lamina bruta de aplicación: LnEf

=750 mm0 .75

=1000mm=1. 0 m

Volumen anual de bombeo

( l m ) * ( 33 ha ) = 330 . 000 m3

Vol. = Lb * área de terreno = volumen anual de bombeo

Horas anuales de bombeo

Hrs. Anuales de bombeo = vol .anual de bombeo

Q( sistema )

=

330, 000 m3

221 ,18 m3¿ hr=149 hr /año

e) Consumo y costos de energía

95


Costo de energía = S 0. 023 / KW hr

Potencia neta = K Q H

Donde K = 9. 81

Q = caudal m3/ seg. Qs = 0. 06144 m3/s

H = Perdida de carga total (m)

Potencia Bruta = Pot . NetaEm×Ep

Em = Eficiencia de motor (90%)

Ep = Eficiencia de bomba (75%)

Alternativa H. totalP. neta (Kw)

KQh total

P. Bruta (Kw)

Pnet/ef.ep

KWHr

P.Brut*hrs

Costos anual de

Bombeo KWHr

(0. 023/ KWhr)

1 1. 31 0. 79 1. 70 1745. 64 40. 15

2 4. 46 2. 69 3. 99 5953. 08 136. 92

3 8. 87 5. 34 67. 92 11816. 64 271. 78

f) Comparación de costos

Alternativa

Costo anual

De tubería (s)

Costo anual

de línea

principal (s)

Costo total

($)

1 914. 526 40. 15 945. 68

2 785. 605 136. 92 922. 53 ( )

3 656. 073 271. 78 927. 85

(*) Conclusión: La alternativa N° 2 se selecciona por ser de menor costo.

15. Determinar las condiciones máximas y mínimas de operación:

HDT = Carga dinámica total perdida de carga en los laterales + perdidas de

carga por fricción en la línea principal + perdida de carga en accesorios y

válvulas + carga de succión.

96


Máxima carga total para 5 laterales (paso N° 13 alterativa # 2 )

Mínima carga total para 2 laterales ( en la etapa de germinación con un solo lateral

funcionado ).

Asumir la carga de succión = 20 m

Para un máximo caudal, perdida de carga en accesorios = 3 m

Para un mínimo caudal, perdida de carga en accesorios = 2 m

Calculo de la carga total del sistema

Condición

Laterales Línea

principal

Válvulas y

accesorios ( m)

Carga de succión

(m)

HDT

(m)

Max . 23. 205 4. 46 3 20 50. 67

Min . 23. 205 2. 85 2 20 48. 06

16. Selección de la Bomba y Motor

Kw =

9. 7 QHDTEp

KW = Potencia en (kw)

Q = Caudal del sistema

HDT = Carga dinámica total (m3/s)

Ep = Eficiencia de bomba

Hp = 1. 341 Kw

Condición HDT Q (m3/s) Ef. KW HP

Max . 50. 67 0. 06144 0. 75 40. 64 54. 5

Min . 48. 06 0. 02458 0. 75 15. 42 20. 8

Se selecciona para la condición máxima 55 a 60 HP.

17. Preparación de planos y programas de riego.

a) Elaborar planos

b) Lista de equipos

Equipo laterales

Equipo de línea

97


Equipo de planta de bombeo

Se incluirá en la lista 5% más de la necesidad real.

PROBLEMAS PROPUESTOS

1. Los aspersores a lo largo de la línea lateral tiene un caudal de 25 l/min, el diámetro de

humedecimiento es de 30 m. El espaciamiento a lo largo de la línea lateral es de 15 m ,

y entre laterales es de 18 m .

Determinar:

a). La intensidad de aplicación del aspersor.

b). La intensidad de aplicación promedio a lo largo del lateral.

2. Un sistema lateral con aspersor de 30 m, de longitud conduce un caudal de 500

l/min. El espaciamiento entre laterales es de 15 m. Determinar la intensidad de

aplicación promedio del sistema aspersor – lateral.

3. Diez laterales de 300 m, de longitud, con arreglo cuadrado entre aspersores de 15 m,

son operadores simultáneamente para irrigar un campo de 25 ha. El sistema está

diseñado para proveer un requerimiento diario de 7 mm y una lámina deseada de

riego de 15 mm. Determinar la frecuencia de riego.

4. Usar la información del problema 3 para determinar la capacidad necesaria del

aspersor para un tiempo de operación de 8 horas. Asumir que se requiere 30 min.

Para cambiar de posición cada lateral. Cuál es la lámina aplicada durante 8 horas de

aplicación.

5. Usar la información 3 y 4 para determinar el número de laterales que deberán operar

simultáneamente para tener un tiempo de operación de 12 horas.

¿Cuál será la capacidad del aspersor y la lámina aplicada durante 12 horas de

posición?

98


6. determinar el diámetro de humedecimiento requerido para el aspersor dl problema

N° 4. la velocidad promedio de viento es 10 Km/h.

7. Determinar la intensidad de aplicación promedio para el aspersor en el problema 3 y

4. ¿Qué suelo podrá ser irrigado adecuadamente (sin que ocurra escorrentía) con

este aspersor?

8. Determinar la intensidad de aplicación promedio para el aspersor en el problema 5 y

4 para un arreglo triangular en el cual los aspersores son espaciados a 15 mm a lo

largo de la línea lateral. Determinar el diámetro mínimo humedecido para el

aspersor, cuando la velocidad promedio es de 12 Km/h.

9. Un sistema de riego por aspersión de movimiento manual esta siendo diseñado para

irrigar un campo de alfalfa de 500 m x 500 m (25 ha). El suelo es limoso hasta una

profundidad de 150 cm. La evaporización de tanques de 8 mm/da (el coeficiente de

tanque es 0.8) y a la velocidad del viento es 8 Km/h.

Determinar:

a) El número de laterales necesarios para 12 horas por posición.

b) El caudal del aspersor para 12 horas por posición.

c) El aspersor adecuado (del catálogo).

d) La máxima intensidad de aplicación permisible.

¿Puede este aspersor ser usado para irrigar el campo de alfalfa?

10. Se tiene información para una línea lateral ubicado en contra pendiente. La

pendiente del terreno es 2%.

Longitud = 171 m.

N° de aspersores = 19

S.I. = 9 m. (espaciamiento a lo largo de al línea lateral)

qa = 0.3 l/s (caudal del aspersor)

ha = 50 m (presión de operación del aspersor)

Calcular:

a) Gradiente de pérdida de carga permisible, Ja.

b) Diámetro adecuado.

99


c) Seleccionar la combinación de diámetros y longitudes que arrojen una

pérdida de carga menor o iguala 10 m, indicar cuantos aspersores se

encontraran en el 1er y 2do tramo de la tubería.

d) Calcular la presión en la última boquilla del lateral.

e) Que % de la presión de entrada es la presión de operación de las boquillas.

DRENAJE AGRÍCOLA SUPERFICIAL Y SUBTERRÁNEO

3.1 CONCEPTO DE DRENAJE:

Es la eliminación o disminución del sobre humedecimiento de los suelos, tanto en la

superficie como en la capa activa, con el objetivo de lograr un adecuado balance agua-aire

que no altere las propiedades hidrofísicas del terreno natural. Por ser la elevación de las

aguas subterráneas una de las causas que puede provocar el sobre humedecimiento, en

muchos casos se relaciona el concepto de drenaje en la literatura mundial con la regulación

del nivel de esta agua. En las condiciones tropicales no es esa la causa fundamental del

sobre humedecimiento.

Un sistema de drenaje puede ser clasificado de acuerdo a las siguientes categorías.

1.- Sistemas de Drenaje Urbano

2.- Sistemas de Drenaje de Terrenos Agrícolas

3.- Sistemas de Drenaje de Carreteras y

4.- Sistemas de Drenaje de Aeropuertos.

TAREA DE DRENAJE:

De acuerdo con el concepto planteado, las dos tareas fundamentales del drenaje son: a)

Estudiar las causas de la acumulación de las aguas en exceso y la dinámica de estas,

considerando tanto las aguas superficiales como subterráneas y teniendo en cuenta el

régimen de aireación, nutrición y temperaturas.

b) Establecer, sobre la base de los estudios previos del problema concreto, los métodos

adecuados de protección de las áreas y regulación del régimen hídrico en función de obtener

100

II UNIDAD


rendimientos altos y estables.

ELEMENTOS DE LA HIDROLOGÍA SUBTERRANEA:

Cuando el agua que penetra en el suelo, procedente de la lluvia o el riego, supera el

consumo de la evapotranspiración, el agua en exceso se infiltra cada vez a más profundidad,

dejando las capas que atraviesa a capacidad de campo. Si el agua en este movimiento

descendente encuentra un estrato impermeable o poco permeable, detiene su movimiento y

el suelo situado encima del estrato impermeable pasa del estado de capacidad de campo a

saturación, de modo que todos los macroporos comienzan a llenarse de agua. En la medida

en que se aporta más agua, la zona saturada se eleva y va aproximándose a la superficie del

terreno.

III.1. Zona saturada

Es la más profunda, en la que todos los poros del suelo están ocupados por el agua.

Parte del agua está retenida en la microporosidad del suelo. El volumen del resto del

agua, es igual a la macroporosidad del suelo y la gravedad es la fuerza dominante, de

forma que si se proporciona una salida por bombeo de pozos o drenes, esa agua puede

ser extraída.

El agua de la zona saturada se denomina agua freática y su límite superior es una

superficie que se llama freática.

III.2. Zona capilar,

Es la zona situada inmediatamente encima de la capa freática. Debido a la capilaridad,

el agua freática de la zona saturada se eleva por encima de la capa freática. El contenido

de humedad disminuye cuando aumenta la distancia a la capa freática, hasta alcanzar la

distancia crítica, punto en que se detienen el movimiento capilar.

III.3. Zona no saturada,

Se extiende desde el límite superior de la zona capilar hasta la superficie del suelo.

Puede tener un espesor desde varios centenares de metros hasta algunos centímetros o

no existir en terrenos pantanosos.

CAUSAS DEL SOBRE HUMEDECIMIENTO DE LOS SUELOS:

Existen diversas causas del posible sobre humedecimiento de los suelos, entre las que se

101


destacan las siguientes:

Exceso de precipitaciones.

Baja velocidad de infiltración de los suelos

Topografía llana y cotas bajas

Elevación de las aguas subterráneas

Desbordamiento de ríos

Escurrimiento proveniente de otras áreas

Manejo incorrecto del riego

En general en cada caso que se presente la causa no es aislada, sino un problema complejo

con la influenza conjunta y la interacción de varios de estos factores señalados.

1. Precipitaciones

Esta es la causa principal del exceso de humedad de los suelos en las diferentes

ciudades del Perú y generalmente en los casos más críticos se presenta en zonas con

suelos de baja velocidad de infiltración y poco pendiente. La influencia puede ser tanto

por la magnitud de la lluvia como por la intensidad y distribución.

Por el efecto que tienen en el suministro de agua en las áreas, la lluvia y sus

particularidades son elementos de alto peso en los cálculos para establecer sistemas de

drenaje.

2. Baja de velocidad de infiltración de los suelos

Como se ha señalado, en gran medida el agua que provoca sobre humedecimiento

proviene de las lluvias y, por tanto su posible evacuación rápida de las áreas cultivadas

está en relación directa con la velocidad de infiltración del suelo que determina la

evacuación vertical, de gran importancia sobre todo en áreas de poca pendiente y,

además, por el efecto positivo que tienen en el lavado de las sales.

Son diversos los factores que determinan que un suelo tenga baja velocidad de

infiltración, entre estos el contenido relativo de arcilla, ya que las partículas muy finas

provocan la disminución de los poros de drenaje, dificultando el movimiento vertical

del agua.

La estructura del suelo es otro factor importante que incluye en la permeabilidad, ya

que las estructuras prismáticas y en bloques provocan la disminución de los poros de

drenaje. Las capas impermeables en diferentes suelos, ya sea por el proceso de

102


formación de estos, por la creación de piso de arado o por su laboreo húmedo, en

muchos casos hacen función de recipiente para el agua que se acumula en el suelo

dificultando tanto la evacuación vertical como la superficial.

3. Topografía llana y cotas bajas

Los problemas fundamentales de sobre humedecimiento que se provocan por la

incapacidad del exceso de aguas superficiales para moverse libre y rápidamente hasta

un punto de evacuación, están vinculados con la poca pendiente que determina

velocidades bajas del movimiento superficial y aumento del tiempo de evaluación.

Cuando, además de esto, el micro relieve no es bueno y existen zonas de cotas bajas, la

acumulación es mayor y el efecto perjudicial se agudiza.

4. Elevación de aguas subterráneas

Tiene gran importancia por cuanto define el método que se utilizará para mejorar las

áreas y por esta razón en las zonas afectadas por niveles altos de las aguas

subterráneas los estudios de las fluctuaciones estaciónales de estos niveles, su relación

con las lluvias y otros elementos son de estimable valor para los proyectos de

mejoramiento.

La posible influencia del nivel del manto freático está en relación con el cultivo y los

suelos, ya que los suelos de buena capilaridad son más influenciados. La mayoría de

las investigaciones en este tema plantean que la influencia negativa puede ser a partir

de 1,5 a 2 m. en dependencia de la tolerancia de los cultivos. Una elevación

controlada puede ser beneficiosa para el suministro de agua a los cultivos, pero por

otra parte constituye un peligro potencial de salinización.

5. Desbordamiento de ríos

Este es un elemento que ha ido perdiendo importancia en el país como causa de sobre

humedecimiento, ya que con el desarrollo hidráulico de los últimos treinta años, sobre

todo en la rectificación de cauces y construcción de obras reguladoras es un fenómeno

esporádico para grandes áreas, no obstante, desde el punto de vista local puede tener

importancia en la protección.

6. Escurrimiento proveniente de otras áreas

Este escurrimiento puede ser debido al propio desbordamiento de los ríos o por

103


filtraciones de embalses y sistemas de riegos, lo que en general es evitable con

medidas de protección.

7. Manejo incorrecto del riego

La aplicación de normas excesivas, riego superficial con mala nivelación,

inexperiencia de los regadores, uso de aspersores de alta intensidad de lluvia y otros

errores en la técnica de riego provocan, en no pocas ocasiones un exceso de humedad

y afectaciones para los cultivos; en este caso son factores en manos del hombre, los

que pueden tener un efecto perjudicial.

La mayoría de las veces el sobre humedecimiento ocurre por el efecto combinado de

varios de los factores señalados, y para tomar las medidas adecuadas es de

importancia primordial definir que factor o grupo de factores determinan el problema

en un área concreta.

Caso de ciudades costeras:

EFECTOS DEL SOBRE HUMEDECIMIENTO:

El efecto perjudicial a la producción agrícola que se origina por exceso de humedad es un

efecto combinado de la afectación directa a los cultivos y la afectación indirecta por el

deterioro de los suelos.

El principal efecto que provoca el sobre humedecimiento es el desplazamiento del aire de

los poros del suelo, por lo que si este estado se mantiene, en poco tiempo se consume el

oxigeno libre y se aumenta el anhídrido carbónico, afectando el proceso de respiración por

las raíces de las principales especies vegetales; por otra parte, la actividad microbiana se

104


altera y el proceso de absorción de agua y nutrientes se dificulta. La sensibilidad de los

cultivos al déficit de oxigeno es característica de cada especie e incluso diferente para

distintas variedades; así por ejemplo, toleran más este déficit el arroz, la caña de azúcar y

algunas poáceas; presentan una tolerancia media los cítricos, la cebolla y el ajo, y poca

tolerancia el tabaco, el maíz y el tomate, entre otros.

Cuando el exceso de humedad es por agua inmóvil el efecto es más marcado, ya que si

ocurre renovación, las plantas pueden tomar parte del oxígeno disuelto. Un mecanismo

fisiológico muy específico presenta el cultivo del arroz que le permite tomar oxigeno a

través de las partes aéreas, lo que se aprovecha para utilizar en este cultivo el aniego como

técnica para el control de las plantas indeseables y de algunas plagas.

La disminución de la respiración por falta de oxigeno afecta toa la actividad fisiológica y

simultáneamente se reduce la actividad microbiana, por lo que absorción de nutrientes se

altera considerablemente, en primera instancia K, N, P205, Ca y Mg.

En cuanto a los microorganismos se provoca una sensible alteración al desaparecer los

microorganismos aeróbicos y desarrollarse los anaeróbicos; se originan reducciones de

hierro, manganeso y sulfatos, disminuyendo la descomposición de la materia orgánica, la

producción de nitrógeno y la fijación de nitrógeno atmosférico por microorganismos

aeróbicos.

La afectación a los cultivos por inundación depende de la especie vegetal, duración del

efecto, estado de desarrollo del cultivo y otras particularidades, pero como índice general

indicativo para los proyectos de drenaje, fundamentalmente se tiene en cuenta la especie

vegetal, y se utiliza el concepto de tiempo permisible de inundación como el periodo que

puede soportar un cultivo el sobre humedecimiento sin una afectación importante en su

desarrollo. Este tiempo es variable desde unas pocas horas para los cultivos menos

resistentes, hasta 4 o 5 días para los más tolerantes, y define el tiempo disponible para

evacuar el agua en exceso desde un área afectada; por tanto, este elemento es de sumo interés

para el dimensionamiento de la red de evacuación.

La estructura del suelo es otra de las propiedades del mismo que puede ser afectada por el

exceso de humedad, y a su vez las alteraciones de la estructura pueden provocar que

disminuya la permeabilidad agudizando los problemas de drenaje. Los cambios en la

estructura ocurren por acumulación de sales propias de terrenos mal drenados, el laboreo en

105


condiciones de alta humedad y el pobre efecto de las raíces de las plantas al detener su

desarrollo en estas condiciones.

Como se podrá notar en este complejo proceso de influencias recíprocas del sobre

humedecimiento en las propiedades de los suelos se crean condiciones para que en las áreas

con mal drenaje el problema se agudice cada vez más, si no se toman medidas por el hombre,

ya que el agua actúa como dispersante de los coloides del suelo.

3.2 PROBLEMAS DEL DRENAJE :

Los problemas de drenaje se formulan en términos de la ecuación de flujo del agua en un

suelo saturado, conocida como ecuación de Laplace, son problemas de valores límites. Con

objeto de especificar un problema de modo singular, es necesario trazar límites

matemáticos a las superficies del sistema físico real y especificar la intensidad de flujo a

través de estas superficies o la carga hidráulica en los límites o una combinación de ambas.

A veces convienen tomar la superficie del suelo como límite superior.

En muchos casos convendría tomar como límite el nivel freático, pero ocurre con

frecuencia que no se conoce su posición hasta que el problema ha sido resuelto. Si existe

una capa impermeable a pocos metros de la superficie del suelo, en general esto es

significativo y se toma como límite inferior. Si la capa impermeable es muy profunda, el

límite se toma como infinito.

El número de arreglos geométricos concebibles de las condiciones de límite que podrían

existir en el campo es casi ilimitado. Gran número de soluciones de la ecuación de Laplace

han sido publicadas hasta la fecha. Las computadoras digitales de alta velocidad hacen hoy

posible resolver cualquier problema que se presente.

CLASIFICACIÓN DE LAS AGUAS A DRENAR SEGÚN SU PROCEDENCIA:

Es de importancia vital para determinar las medidas que se tomarán en un área afectada o

con peligro de sobre humedecimiento, conocer la procedencia del agua que provocará la

afectación de dependencia de esto las medidas a tomar pueden ser de protección o de

evacuación. Así se tiene que, según la procedencia, las aguas a drenar pueden ser exteriores

o interiores.

106


1. Aguas exteriores,

La causa que las origina determina que la concentración de grandes volúmenes

que pueden alterar el régimen hídrico en la zona de cultivo ocurra fuera del área

considerada, invadiendo la misma de acuerdo con la topografía del lugar. Las

aguas exteriores pueden ser superficiales o subterráneas, y puede ocurrir el efecto

simultáneo de ambas. Es estos casos las medidas a tomar son d protección,

tratando de evitar el sobre humedecimiento.

2. Aguas interiores,

La concentración de volúmenes excesivos que alteran el régimen hídrico de los

suelos se origina en la propia área de interés, provocando la afectación ya descrita

tanto en los cultivos como en el suelo. La acumulación puede ser superficial por

difícil evacuación saturando la capa activa, o puede ser subsuperficial por

elevación del manto freático. En los casos en que la afectación se origina por

aguas interiores las medidas a tomar son de evacuación, por cuanto ya la

afectación está presente o es inevitable.

Es común que un área de cultivo se origine el efecto simultáneo de aguas

exteriores e interiores y las medidas serán combinadas. Esta clasificación es

convencional, ya que las aguas que para una zona son interiores para otra pueden

ser exteriores y viceversa.

MAR

colector

colectortroncal

principal main

drenaje parcelario (dren de campo)

0+00

1+00 2+0.00

sub colector

EVACUACION DE LAS AGUAS INTERIORES:

La evacuación de aguas interiores que provocan sobre humedecimiento es el interés

fundamental directo del ingeniero, ya que las obras de protección son propias del macro

107


drenaje en proyectos complejos que incluyen la protección de zonas pobladas, industrias,

etc. Por esta razón, el estudio de aguas interiores se tratará con más detalles.

1. Drenaje Superficial:

El drenaje superficial consiste en la eliminación del exceso del agua en una zona

debido al escurrimiento superficial, que es aquella parte de las precipitaciones que no

es absorbida por el suelo o captada por los vegetales, y debe ser evacuada para evitar

sus efectos perjudiciales.

2. Drenaje Sub superficial:

El drenaje superficial posibilita la evacuación del exceso de agua en las áreas con

inversiones relativamente bajas y sistema de poca complejidad, pero a su vez presenta

limitaciones cuando la pendiente es corta, los canales abiertos en la superficie

entorpecen las labores mecanizadas, se enyerban y tienen pocas posibilidades de

evacuar las aguas subterráneas cercanas a la superficie. Drenaje subsuperficial o

drenaje por conductos soterrados o zanjas profundas resuelven la mayoría de estas

limitaciones, o aunque los costos de inversión son mayores.

COMPARACION DE LOS DOS TIPOS DE DRENES

DRENES ABIERTOS DRENES ENTERRADOS

Disminuye el área de cultivos

Es más económico

Mayor área de recolección

Se emplea en suelos de poco valor

económico

No origina pérdida de cultivo

Mayor inversión

Menor área de recolección

Se emplea en suelos de valor económico

considerable.

3.3 ELEMENTOS DEL DIMENSIONAMIENTO DE LA RED DE DRENAJE :

En las formulas que se emplean para dimensionar los sistemas de drenaje, en lo que se refiere

fundamentalmente al espaciamiento y profundidad de los drenes, resultan necesarios varios

datos referidos al suelo, cultivo, exceso de agua, etc. Estos datos son: La conductividad

hidráulica de los diferentes estratos de suelo, si existe más de uno, espesor de los estratos,

macro porosidad de cada estrato, profundidad requerida de la capa freática según el tipo de

108


cultivo, velocidad de descenso de esta y caudal procedente de la lluvia, riego u otros orígenes

que debe ser drenado. Las formulas que se utilizaran para calcular el espaciamiento de tubos

o zanjas, ya que la profundidad generalmente es un dato que obedece a exigencias practicas.

Las formulas de drenaje se agrupan en dos clases: formulas para régimen permanente y

régimen variable.

En las fórmulas para régimen permanente se supone que la capa freática se encuentra

estabilizada y, por tanto, la cantidad de agua que penetra en el suelo es igual a la eliminada

por los drenes. Esta situación es representativa de una lluvia constante durante un largo

período de tiempo, y en la práctica estas fórmulas obedecen a resultados aceptables en

regiones de régimen pluviométrico caracterizado por la regularidad de las precipitaciones y

por su baja intensidad. Estas condiciones son características de clima templado.

En las regiones tropicales con lluvias torrenciales esporádicas o regadío a intervalos

resultaría antieconómica un sistema de drenaje que pretendiera mantener sin oscilaciones la

capa freática; sería preferible un sistema de drenaje menos costoso que permitiera la

elevación de la capa freática a continuación de una lluvia o riego, pero con la condición de

aunque no supere una cierta altura crítica y que no pertenezca en esa zona más de un cierto

tiempo. Luego, en estos casos es preciso el uso de las formulas del régimen variable, que

tienen en cuenta una recarga irregular de la napa freática en el tiempo y, por tanto, una

variación irregular también en el nivel de este.

TIPOS DE FLUJO ALREDEDOR DE LA TUBERÍA:

Existen 3 tipos de flujos: horizontal, vertical y radial, básicamente el flujo vertical es

despreciable respecto de los 2 restantes.

El flujo horizontal predomina cuando el estrato impermeable se encuentra muy cercanamente

a los drenes.

Cuando el impermeable se encuentra a gran profundidad (D>L/4) respecto a los drenes

predomina el flujo radial. Mientras que (D<L/4) se puede asumir que hay flujo radial y

horizontal.

109


3.4 ECUACION DE DONNAN PARA FLUJOS PERMANENTES

Condiciones:

- El flujo permanente es el horizontal.

- El suelo es considerado homogéneo

- El flujo hacia los drenes es permanente.

- La recarga es uniformemente distribuida.

Dónde:

L; espaciamiento entre drenes (mts)

K; conductividad hidráulica (m/dia)

B; D en metros

P

Cd recarga normativa (m/dia)

EJEMPLO:

Un área húmeda va ha ser drenada de modo tal que con una recarga de 5 mm/dia. LA napa

freática no se eleve de un nivel igual a 70 cms. bajo la superficie. El impermeable se encuentra a

6.2 de profundidad. K=1.2m/dia. ¿Cual será el espaciamiento si se usa para el drenaje zanjas de

50 cms de base y talud 1:1 o tubería de 10 cms. de diámetro φ interior el nivel de aguas de nivel

troncales no permite la excavación de zanjas de 1.40 mts. con tirantes de 20 cms. cuando se trata

de drenes entubados considere solo 1.20 mts. de profundidad.

110

Impermeable

L2=4 K ( B2−D2 )

Cd


Aplicando la fórmula:

Empleando drenes entubados: L=71 mts.

La formula de Donan se emplea para un buen tanteo da valores conservadores. La distancia entre

drenes no debe ser mayor que la que resulte aplicando Donan.

ECUACION DE HOOGHOUD: (Predomina Flujo Horizontal)

L>>D,

H>>D

Cuando D=0 => predomina 2° sumando

Cuando H=0 => predomina 1° sumando

Asumiendo D → ω, HOOGHOUDT establece que:

; L = f(D,r)

Existe flujo radial cuando:

HOOGHOUDT Estrato equivalente:

111

L2=4 x1 .2(5.52−5 .02)

0.005=71 mts .

L2=8 K2 DH

Cd+

4 K1 H2

Cd

H=CdLΠK

LnL

Πr


Espaciamiento entre drenes:

Para D≤L/4:

;

Para D ∞

112

De=ΠL8

.1

LnL

Πr

L2=8 K2 D e H

Cd

+4 K1 H2

Cd

De=L

8 (Rh+Rr ) Rh=( L−1 . 4 D )2

8 DL

Rr= 1Π

Ln0 . 7 D

r

De= L8Π

( Ln ( L/r )−1 .15)


Un dren de campo debe descargar por lo menos a 10 cms. encima del máximo tirante de

un dren abierto.

El dren o colector principal debe descargar a por lo menos a 1.50 mts. sobre el nivel

medio del mar (Descarga por gravedad)

Colocación de material filtro alrededor de la tubería dren perforada

PROBLEMA PROPUESTO

113


1) La zona del problema en época de riego dispone de agua desde el 1° de enero hasta el 31

mayo, la precipitación anual es de 36 mm repartidas uniformemente a lo largo del año.

Los riegos son frecuentes y se aplican a razón de 15000 m3 por hectáreas al año, estimándose

que la eficiente de riego es de 50% y que las pérdidas por escorrentía superficial son

aproximadamente del 10% del total de agua que se dispone. Calcule Ud. recarga normativa

para estas condiciones.

3.5 FORMULAS PARA REGIMEN VARIABLE

Las formulas de régimen variables consideran el movimiento de la capa freática durante la

carga y descarga del acuífero y se conocen varias, entre ellas la formulas de: Glover-Dumm,

Kraijenhoff,Van de Leur-Maasland, Zeeuw Hellinga, etc.

Por su mayor facilidad en el uso y adecuación en las características del territorio Peruano, se

estudiara la formula de Glover-Dumm.

La formula de Glover-Dumm considera la carga instantánea del acuífero que eleva la capa

freática momentáneamente, lo cual es típico de riego por gravedad o lluvia de gran magnitud.

En áreas donde se proyecta el drenaje de aguas subterráneas el cálculo del espaciamiento

entre drenes y demás características del sistema debe hacerse dos veces, es decir para la

época de riego y para la época de lluvia escogiéndose las características que resulten más

exigentes entre los dos cálculos.

La formula de Glover-Dumm tiene la expresión siguiente:

L2= π 2*K*D* (t/u)*(Ln (1.16 * h0/ ht ))-1

Donde:

KD = transmisibilidad, m2/dia

t = tiempo transcurrido desde que empezó el descenso de la capa freática, días

u = macro porosidad o porosidad de drenaje (adimensional).

ho = altura inicial sobre el nivel de los drenes, m

ht = altura sobre el nivel de los drenes una vez transcurrido un tiempo t, m

Como en la ecuación anterior no considera la resistencia radial del flujo hacia los

drenes cuando estos no tocan la capa impermeable, el espesor del acuífero (D) es a

menudo sustituido por el valor de "d" ideado por Hooghoudt para considerar la

114


convergencia del flujo en la vecindad de los drenes. De esta forma se obtiene la

ecuación de Glover-Dumm modificada:

L2= π 2*K*d* (t/u)*(Ln (1.16*ho/ht))-1

En la aplicación de esta fórmula debe comprenderse que al ocurrir una recarga R del manto

acuífero, la lámina de agua se elevara en una magnitud igual a R/u. La solución de la formula

de Glover-Dumm se realiza por tanteos asumiendo valores de L.

CAUDAL A EVACUAR POR LOS DRENES :

Cuando se trata de régimen variable con carga instantánea, el caudal a eliminar por unidad

de superficie esta dado por la expresión:

qt= 2*π * K * d * ht/ L2

Pero este caudal es variable: el mayor ocurrirá cuando se logra el máximo ascenso de la capa

freática, o sea:

qo = 2*π *K*d*ho/L2

APLICACIÓN

Consideraremos que en nuestra zona irrigada (mediante surcos), se cultiva palta, cuya

profundidad de raíz es de 2.00 m. En esta área bajo riego, el intervalo más corto es de 20

días y las pérdidas por percolación en el campo es de 25 mm por cada riego, los cuales

producen una recarga instantánea del manto freático, la macroporosidad del suelo es de 5%

la máxima altura que puede tener la capa freática es de 2.50 m. de la superficie del suelo.

Los drenes se colocarán a 3.30 m de profundidad, con un ancho en el fondo de 0.60 m. El

suelo es franco arenoso con un K=0.8 m/día, y el estrato impermeable se encuentra a 10 m

por debajo del nivel de los drenes.

Se realizará los siguientes cálculos:

a) La separación recomendable entre drenes.

b) La descarga a eliminar por unidad de superficie.

c) ¿Para qué descarga se deberá diseñar el sistema?

115


SOLUCIÓN:

Datos:

K = 0.8 m/díaH = 3.3 mD = 10 mR = 0.025p = 2.5 mt = 20 días = 0.05

Para hallar el perímetro mojado:

b = 0.6 mz = 1 (para mayor estabilidad)y = 0.20 m

Hallamos el perímetro mojado :

u = b + 2y √ (1 + z2) = 1.17 m

ho = H - p = 3.30 - 2.50 = 0.80 m

ht20 = ho - h pero:

h = R/ = 0.025 / 0.05 = 0.50 m

ht20 = 0.80 - 0.50 = 0.30 m

Entonces con la fórmula modificada de Glover Dumm:

L2= π 2*K*d* (t/u)*(Ln (1.16*ho/ht))-1

L2 = 2794.1 d

Primer tanteo:

L = 60 m, D/u = 8.55d = 5.3 (usando el nomograma)L2 = 2794 x 5.3 = 14808L = 121 m ( L asumido es muy pequeño)

Segundo tanteo:

116


L = 150 m, D/u = 8.55d = 7.4 (usando el nomograma)L2 = 2794 x 7.4 = 20676L = 143.79 m ( L asumido es muy grande)

Tercer tanteo:

L = 142 md = 7.2 (usando el nomograma)L2 = 2794 x 7.2 = 20116L = 142 m ( L aceptado)

a). El espaciamiento recomendable entre L = 150m y L = 142 m es el menor, L = 142 m ya

que como sabemos a mayor distancia entre drenes mayor es el caudal de descarga.

b). Caudal a eliminar:

qt= 2*π * K * d * ht/ L2

t = 20

qt = 0.00054 m/día

c). Como el caudal es variable, se diseñará con la mayor descarga y esto se da cuando el

ascenso de la capa freática haya alcanzado su máxima altura:

qo = 2*π *K*d*ho/L2

ho = 0.80 m

qo = 0.00144 m/día

117


DRENAJE URBANO Y EN CARRETERAS

4.1 TIPOS DE SISTEMA DE DRENAJE URBANO.

El drenaje urbano de una ciudad está conformado por los sistemas de alcantarillado, los cuales se

clasifican según el tipo de agua que conduzcan; así tenemos:

Sistema de Alcantarillado Sanitario.- Es el sistema de recolección diseñado para llevar

exclusivamente aguas residuales domésticas e industriales.

Sistema de Alcantarillado Pluvial.- Es el sistema de evacuación de la escorrentía superficial

producida por las lluvias.

Componentes de un sistema de alcantarillado pluvial

Un sistema de alcantarillado pluvial está constituido por los siguientes componentes:

Conjunto cordón – cuneta.

Boca de tormenta.

Cámara de conexión.

Tubería de conexión.

Cámara de inspección.

Colectores secundarios.

Colector principal.

118

III UNIDAD


Fig. 4.1 Componentes de un sistema de alcantarillado pluvial

4.2 CRITERIOS DE DISEÑO EN DRENAJE URBANO

Información Básica

Todo proyecto de alcantarillado pluvial deberá contar con la información básica indicada a

continuación, la misma que deberá obtenerse de las Instituciones Oficiales como el SENAMHI,

Municipalidades, Ministerio de Transportes y Comunicaciones Vivienda y Construcción:

- Información Meteorológica

- Planos Catastrales

- Planos de Usos de Suelo.

Obligatoriedad del Sistema de Alcantarillado Pluvial

Toda nueva habilitación urbana ubicada en localidades en donde se produzcan precipitaciones

frecuentes con lluvias iguales o mayores a 10 mm en 24 horas, deberá contar en forma

obligatoria con un sistema de alcantarillado pluvial.

La entidad prestadora de servicios podrá exigir el drenaje pluvial en localidades que no reúnan

las exigencias de precipitación mencionadas en el párrafo anterior, por consideraciones técnicas

específicas y de acuerdo a las condiciones existentes.

Presentación del Proyecto

Todo proyecto de drenaje urbano deberá contar como mínimo con los siguientes documentos:

Planos Topográficos:

- Plano General de la zona, a escala variable entre 1:500 a 1:1000 con curvas de nivel

equidistanciadas 1 m ó 0,50 m según sea el caso.

- Plano del Área específica donde se proyecta la ubicación de estructuras especiales, a escala

entre 1:500 a 1:250.

- Perfil longitudinal del eje de las tuberías y/o ductos de conducción y descarga. La relación

de la escala horizontal a la escala vertical de este esquema será de 10:1.

119


- Se deberá contar con información topográfica del Instituto Geográfico Nacional para

elaboración de planos a mayor escala de zonas urbano - rurales.

- Esquema de las secciones de ejes de tubería a cada 25 m a una escala no mayor de 1:100.

- Deberá obtenerse los datos aerofotográficos existentes sobre la población que se estudie, así

como la cuenca hidrográfica, de los ríos y quebradas que afectan.

Estudios de Hidráulica e Hidrología

Los estudios hidráulicos se efectuarán para proyectos de Drenaje Urbano Menor y Drenaje

Urbano Mayor, debiendo el proyectista demostrar que los sistemas existentes pueden

soportar la incorporación de las aguas de los nuevos sistemas.

Estudio de Suelos.

Se deberá efectuar el estudio de suelos correspondiente, a fin de precisar las características

del terreno a lo largo del eje de los ductos de drenaje. Se realizarán calicatas cada 100 m.

como mínimo y cada 500 m. como máximo. El informe del estudio de suelos deberá

contener:

- Información previa: antecedentes de la calidad del suelo.

- Exploración de campo: descripción de los ensayos efectuados.

- Ensayos de laboratorio.

- Perfil del Suelo: Descripción, de acuerdo al detalle indicado en la Norma E.050 Suelos y

Cimentaciones, de los diferentes estratos que constituyen el terreno analizado.

- Análisis físico – químico del suelo.

Consideraciones Hidráulicas en Sistemas de Drenaje Urbano menor

Captación de Aguas Pluviales en Zonas Urbanas

Consideraciones del Caudal de Diseño:

Los caudales para sistemas de drenaje urbano menor deberán ser calculados:

- Por el Método Racional si el área de la cuenca es igual o menor a 13 Km2

- Por el Método del Hidrograma Unitario o Modelos de Simulación para área de cuencas

mayores de 13 Km2

El periodo de retorno deberá considerarse de 2 a 10 años.

120


Captación de Aguas Pluviales en Edificaciones

Para el diseño del sistema de drenaje de aguas pluviales en edificaciones ubicadas en

localidades de alta precipitación, se deberá tener en consideración las siguientes indicaciones.

Las precipitaciones pluviales sobre las azoteas causarán su almacenamiento; mas con la

finalidad de garantizar la estabilidad de las estructuras de la edificación, estas aguas deberán

ser evacuadas a los jardines o suelos sin revestir a fin de poder garantizar su infiltración al

subsuelo. Si esta condición no es posible deberá realizarse su evacuación hacia el sistema de

drenaje exterior o de calzada.

Captación en Zona Vehicular o Pista

Para la evacuación de las aguas pluviales en calzadas, veredas y las provenientes de las

viviendas se tendrá en cuenta las siguientes consideraciones:

Orientación del Flujo

En el diseño de pistas se deberá prever pendientes longitudinales (Sl) y transversales (St ). Las pendientes a considerar son:

Pendiente Longitudinal (Sl) > 0,5%

Pendiente Transversal (St) de 2% a 4%

Captación y Transporte de Aguas Pluviales de Calzada y Aceras

La evacuación de las aguas que discurren sobre la calzada y aceras se realizará mediante

cunetas, las que conducirán el flujo hacia las zonas bajas donde los sumideros captarán el

agua para conducirla en dirección a las alcantarillas pluviales de la ciudad.

a.- Las cunetas construidas para este fin podrán tener las siguientes secciones

transversales (Ver fig. 1)

- Sección Circular

- Sección Triangular

- Sección Trapezoidal

- Sección Compuesta

- Sección en V

b.- Determinación de la capacidad de la cuneta

La capacidad de las cunetas depende de su sección transversal, pendiente y rugosidad del

material con que se construyan. (Ver fig. 2)

121


El ancho máximo T de la superficie del agua sobre la pista será:

- En vías principales de alto tránsito: Igual al ancho de la berma

- En vías secundarias de bajo tránsito : Igual a la mitad de la calzada

Coeficiente de rugosidad

La tabla N°1 muestra los valores del coeficiente de rugosidad de Manning

correspondientes a los diferentes acabados de los materiales de las cunetas de las calles y

berma central.

Tabla N° 4.1: Coeficiente de rugosidad

Cunetas de la CallesCoeficiente de Rugosidad (n)

a. Cuneta de Concreto con acabado paleteado 0,012

b. Pavimento Asfáltico1) Textura Lisa2) Textura Rugosa

0,0130,016

c. Cuneta de concreto con Pavimento Asfáltico1) Liso2) Rugoso

0,0130,015

d. Pavimento de Concreto1) Acabado con llano de Madera2) Acabado escobillado

0,0140,016

e. Ladrillo 0,016f. Para cunetas con pendiente pequeña, donde el

sedimento puede acumularse, se incrementarán los valores arriba indicados de n, en:

0,002

c.- Evacuación de las aguas transportadas por las cunetas

Para evacuación de las aguas de las cunetas deberá preverse Entradas o Sumideros de

acuerdo a la pendiente de las cunetas y condiciones de flujo.

d.- Sumideros (Ver Fig. 3)

La elección del tipo de sumidero dependerá de las condiciones hidráulicas, económicas y

de ubicación y puede ser dividido en tres tipos, cada uno con muchas variaciones.

- Sumideros Laterales en Sardinel o Solera

Su utilización se limita a aquellos tramos donde se tenga pendientes longitudinales

menores de 3%.

- Sumideros de Fondo

Se usaran cuando las pendientes longitudinales de las cunetas sean mayores a 3%.

- Sumideros Mixtos o Combinados

122


Estas unidades consisten en un Sumidero Lateral de Sardinel y un Sumidero de Fondo

actuando como una unidad.

El diámetro mínimo de los tubos de descarga al buzón de reunión será de 10”

123

- Sumideros de Rejillas en Calzada

Consiste en una canalización transversal a la calzada y a todo lo ancho, cubierta

con rejillas. (Ver fig. 4)

Se utilizarán los siguientes tipos de sumideros:

Tipo S1: Tipo grande conectado a la cámara..

Tipo S2: Tipo grande conectado a la tubería.

Tipo S3: Tipo chico conectado a la cámara.

Tipo S4: Tipo chico conectado a la tubería.

Los sumideros tipo S3 y S4 se utilizarán únicamente en los casos siguientes:

- Cuando el sumidero se ubica al centro de las avenidas de doble calzada.

- Cuando se conectan en serie con tipo grande S1 o S2.

- Para evacuar las aguas pluviales provenientes de las calles ciegas y según

especificación del proyectista.

Ubicación de los Sumideros.

La ubicación de los sumideros dependerá del caudal, pendiente, la ubicación y

geometría de enlaces e intersecciones, ancho de flujo permisible, capacidad del

sumidero, volumen de residuos sólidos, acceso vehicular y de peatones.

Los sumideros deben ponerse en los puntos bajos. Su ubicación normal es en las

esquinas de cruce de calles, pero al fin de entorpecer el tráfico de las mismas,

deben empezar retrasadas con respecto a las alineaciones de las fachadas. Por

razones de economía se recomienda ubicar los sumideros en la cercanía de

alcantarillas y conductos de desagüe del sistema de drenaje pluvial.

Diseño Hidráulico de los Sumideros

Se deberá tener en cuenta las siguientes variables:

- Perfil de la pendiente.

- Pendiente transversal de cunetas con solera.

- Depresiones locales.

- Retención de Residuos Sólidos

- Altura de Diseño de la Superficie de Aguas dentro del sumidero.

- Pendiente de los sumideros.

- Coeficiente de rugosidad de la superficie de las cunetas.

124

Manual del Curso de Irrigación y Drenaje Hugo Amado Rojas Rubio

e.- Rejillas

Las rejillas pueden ser clasificadas bajo dos consideraciones:

1.- Por el material del que están hechas; pueden ser:

a.- De Fierro Fundido

b.- De Fierro Laminado (Platines de fierro)

2.- Por su posición en relación con el sentido de desplazamiento principal de

flujo; podrán ser:

a.- De rejilla horizontal

b.- De rejilla vertical

c.- De rejilla horizontal y vertical

f.- Colectores de Aguas Pluviales

El alcantarillado de aguas pluviales está conformado por un conjunto de

colectores subterráneos y canales necesarios para evacuar la escorrentía

superficial producida por las lluvias a un curso de agua.

El agua es captada a través de los sumideros en las calles y las conexiones

domiciliarias y llevada a una red de conductos subterráneos que van aumentando

su diámetro a medida que aumenta el área de drenaje y descargan directamente

al punto más cercano de un curso de agua; por esta razón los colectores pluviales

no requieren de tuberías de gran longitud.

Para el diseño de las tuberías a ser utilizadas en los colectores pluviales se

deberá tener en cuenta las siguientes consideraciones:

- Ubicación y Alineamiento

Para el drenaje de la plataforma se deberá evitar la instalación de colectores

bajo las calzadas y bermas. Sin embargo, cuando la ubicación bajo la calzada es

inevitable, deberá considerarse la instalación de registros provistos de accesos

ubicados fuera de los límites determinados por las bermas. Los quiebres debidos

a deflexiones del alineamiento deberán tomarse con curvas circulares. Las

deflexiones de alineamiento en los puntos de quiebre no excederán de 10 , en

caso contrario deberá emplearse una cámara de registro en ese punto.

- Diámetro de los Tubos

Los diámetros mínimos serán los indicados en la Tabla No 2

125


Tabla No 4.2Diámetros Mínimos de Tuberías en Colectores de agua de lluvia

* En instalaciones ubicadas parcial o totalmente bajo la calzada se aumentarán estos diámetros a

0,50m.

Los diámetros máximos de las tuberías están limitados según el material con que

se fabrican.

Selección del Tipo de Tubería

Los materiales de las tuberías comúnmente utilizadas en alcantarillados pluviales

son:

o Asbesto Cemento.o Hierro Fundido Dúctil.o Policloruro de polivinilo) PVC).o Poliéster reforzado con fibra de vidrio GRP.o Concreto Armado Centrifugado.o Concreto Pretensado Centrifugado.o Concreto Armado vibrado con recubrimiento interior de Polietileno

PVC.o Arcilla Vitrificada.

Altura de Relleno:

La profundidad mínima a la clave de la tubería desde la rasante de la calzada

debe ser de 1m.

Diseño Hidráulico:

En el diseño hidráulico de los colectores de agua de lluvia, se podrán utilizar los

criterios de diseño de conductos cerrados.

Para el cálculo de los caudales se usará la fórmula de Manning con los

coeficientes de rugosidad para cada tipo de material, según el cuadro siguiente:

TuberíaCoeficiente de Rugosidad

“n” de Manning

Asbesto Cemento 0,010Hierro Fundido Dúctil 0,010Cloruro de Polyvinilo 0,010Poliéster Reforzado con fibra de vidrio 0,010Concreto Armado liso 0,013Concreto Armado con revestimiento de PVC 0,010

126

Tipo de Colector Diámetro Mínimo (m)Colector TroncalLateral Troncal

Conductor Lateral

0,500,40*0,40*


Arcilla Vitrificada 0,010

El colector debe estar en capacidad de evacuar un caudal a tubo lleno igual o mayor que el caudal de diseño.

Velocidad mínima.

La velocidad mínima de 0,90 m/s fluyendo las aguas a tubo lleno es requerida

para evitar la sedimentación de las partículas que como las arenas y gravas

acarrea el agua de lluvia.

Velocidad máxima.

La velocidad máxima en los colectores con cantidades no significativas de

sedimentos en suspensión es función del material del que están hechas las

tuberías y no deberá exceder los valores indicados en la tabla N° 4.3 a fin de

evitar la erosión de las paredes.

Tabla No 4.3Velocidad Máxima para tuberías de alcantarillado (m/s)

Material de la Tubería Agua con fragmentos de Arena y Grava

Asbesto Cemento 3,0Hierro Fundido Dúctil 3,0Cloruro de Polyvinilo 6,0Poliester reforzado con fibra de vidrio 3,0Arcilla vitrificada 3,5Concreto armado de : 140 Kg/cm2

210 Kg/cm2

250 Kg/cm2

280 Kg/cm2

315 Kg/cm2

2,03,34,04,35,0

Concreto armado de > 280 Kg/cm2 curado al vapor 6,6

Pendiente mínima.

Las pendientes mínimas de diseño de acuerdo a los diámetros, serán aquellas que

satisfagan la velocidad mínima de 0,90 m/s fluyendo a tubo lleno. Por este

propósito, la pendiente de la tubería algunas veces incrementa en exceso la

pendiente de las superficies del terreno.

g.- Registros

Los registros instalados tendrán la capacidad suficiente para permitir el acceso

de un hombre y la instalación de una chimenea. El diámetro mínimo de registros

para colectores será de 1,20m.

127


Los registros deberán ubicarse fuera de la calzada, excepto cuando se instalen en

caminos de servicio o en calles, en este caso se evitará ubicarlos en las

intersecciones.

Los registros deberán estar ubicados en:

- Convergencia de dos o más drenes.

- Puntos intermedios de tuberías muy largas.

- En zonas donde se presente cambios de diámetro de los conductos

- En curvas o deflexiones de alineamiento (no es necesario colocar registros en

cada curva o deflexión).

- En puntos donde se produce una brusca disminución de la pendiente.

Espaciamiento

- Para tuberías de diámetro igual o mayor a 1,20m., o conductos de sección

transversal equivalente, el espaciamiento de los registros será de 200 a 350 m.

- Para diámetros menores de 1,20 m. el espaciamiento de los registros será de

100 a 200 m.

- En el caso de conductos pequeños, cuando no sea posible lograr velocidades

de auto limpieza, deberá colocarse registros cada 100m.

- Con velocidades de auto limpieza y alineamiento desprovisto de curvas

agudas, la distancia entre registros corresponderá al rango mayor de los límites

mencionados en los párrafos anteriores.

Buzones

Para colectores de diámetro menor de 1,20m el buzón de acceso estará centrado

sobre el eje longitudinal del colector.

- Cuando el diámetro del conducto sea superior al diámetro del buzón, éste se

desplazará hasta ser tangente a uno de los lados del tubo para mejor ubicación

de los escalines del registro.

- En colectores de diámetro superior a 1,20m. con llegadas de laterales por

ambos lados del registro, el desplazamiento se efectuará hacia el lado del

lateral menor.

Disposición de los laterales o subcolectores

- Los laterales que llegan a un punto deberán converger formando un ángulo

favorable con la dirección del flujo principal.

128


- Si la conservación de la carga es crítica, se deberá proveer canales de

encauzamiento en el radier de la cámara.

Cálculos Hidráulicos e Hidrológicos

Calculo de Caudales de Escurrimiento

a) Los caudales de escurrimiento serán calculados por lo menos según:

- El Método Racional, aplicable hasta áreas de drenaje no mayores a 13 km2.

- Técnicas de hidrogramas unitarios podrán ser empleados para áreas mayores a 0,5

km2, y definitivamente para áreas mayores a 13 km2.

b) Metodologías más complejas como las que emplean técnicas de tránsito del flujo

dentro de los ductos y canalizaciones de la red de drenaje, técnicas de simulación u

otras, podrán ser empleadas a discreción del diseñador.

4.3 MÉTODO RACIONAL

a) Para áreas urbanas, donde el área de drenaje está compuesta de sub áreas o sub

cuencas de diferentes características, el caudal pico proporcionado por el método

racional viene expresado por la siguiente forma:

Q=0. 278⋅∑ j=1

mC j⋅I j⋅A j

Dónde:

Q es el caudal pico en m3/s

Ij la intensidad de la lluvia de diseño en mm/hora para la j-ésima sub cuenca

Aj es el área de drenaje de la j-ésima de las subc uencas en km2

Cj es el coeficiente de escorrentía para la j-ésima sub cuenca, y m es el número de

sub cuencas drenadas por un alcantarillado.

b) Las sub cuencas están definidas por las entradas o sumideros a los ductos y/o

canalizaciones del sistema de drenaje.

c) La cuenca está definida por la entrega final de las aguas a un depósito natural o

artificial de agua (corriente estable de agua, lago, laguna, reservorio, etc).

129


Coeficiente de Escorrentía

a) La selección del valor del coeficiente de escorrentía deberá sustentarse en

considerar los efectos de :

- Características de la superficie.

- Tipo de área urbana.

- Intensidad de la lluvia (teniendo en cuenta su tiempo de retorno).

- Pendiente del terreno.

- Condición futura dentro del horizonte de vida del proyecto.

b) El diseñador puede tomar en cuenta otros efectos que considere apreciables:

proximidad del nivel freático, porosidad del subsuelo, almacenamiento por

depresiones del terreno, etc.

c) Las tablas del anexo 1a, 1b, 1c pueden usarse para la determinación de los

coeficientes de escorrentía.

d) El coeficiente de escorrentía para el caso de áreas de drenaje con condiciones

heterogéneas será estimado con un promedio ponderado de los diferentes

coeficientes correspondientes a cada tipo de cubierta (techos, pavimentos, áreas

verdes, etc.), donde el factor de ponderación es la fracción del área de cada tipo

al área total.

Hasta que un método más preciso permita determinar la escorrentía para unas

condiciones dadas, se utilizarán los coeficientes de la tabla:

Coeficiente de Escorrentía.Tipo de superficie Coeficiente de escorrentía

Pavimentos de hormigón y bituminososPavimentos de macadamAdoquinadosSuperficie de gravaZonas arboladas y bosqueZonas con vegetación densa: Terrenos granulares Terrenos arcillososZonas con vegetación media: Terrenos granulares Terrenos arcillososTierra sin vegetaciónZonas arboladas y bosque

0,70 a 0,950,25 a 0,600,50 a 0,700,15 a 0,300,10 a 0,20

0,05 a 0,350,15 a 0,50

0,10 a 0,500,30 a 0,750,20 a 0,800,20 a 0,40

130


Los valores más elevados para cada tipo de superficie corresponden a las pendientes

más fuertes y a los suelos más impermeables.

Intensidad de la Lluvia

a) La intensidad de la lluvia de diseño para un determinado punto del sistema de

drenaje es la intensidad promedio de una lluvia cuya duración es igual al tiempo

de concentración del área que se drena hasta ese punto, y cuyo periodo de

retorno es igual al del diseño de la obra de drenaje.

Es decir que para determinarla usando la curva intensidad - duración - frecuencia

(IDF) aplicable a la zona urbana del estudio, se usa una duración igual al tiempo

de concentración de la cuenca, y la frecuencia igual al recíproco del periodo de

retorno del diseño de la obra de drenaje.

b) La ruta de un flujo hasta un punto del sistema de drenaje está constituido por:

- La parte donde el flujo fluye superficialmente desde el punto más remoto del

terreno hasta su punto de ingreso al sistema de ductos y/o canalizaciones.

- La parte donde el flujo fluye dentro del sistema de ductos y/o canalizaciones

desde la entrada en él hasta el punto de interés.

c) En correspondencia a las partes en que discurre el flujo, enunciadas en el párrafo

anterior, el tiempo de concentración a lo largo de una ruta hasta un punto del

sistema de drenaje es la suma de:

- El tiempo de ingreso al sistema de ductos y canalizaciones, to.

- El tiempo del flujo dentro de alcantarillas y canalizaciones desde la entrada hasta

el punto, tf. Siendo el tiempo de concentración a lo largo de

una ruta hasta el punto de interés la suma de:t c=to+t f

d) El tiempo de ingreso, to, puede obtenerse mediante observaciones

experimentales de campo o pueden estimarse utilizando ecuaciones como las

presentadas en las Tablas 2 a y 2 b.

e) El tiempo de ingreso, to, puede obtenerse mediante observaciones

experimentales de campo o pueden estimarse utilizando ecuaciones como las

presentadas en las Tablas 2 a y 2 b.

f) La selección de la ecuación idónea para evaluar to será determinada según ésta

sea pertinente al tipo de escorrentía superficial que se presente en cada sub

cuenca. Los tipos que pueden presentarse son el predominio de flujos

131


superficiales tipo lámina o el predominio de flujos concentrados en correnteras,

o un régimen mixto. La Tabla 2 informa acerca de la pertinencia de cada

fórmula para cada una de las formas en que puede presentarse el flujo

superficial.

g) En ningún caso el tiempo de concentración debe ser inferior a 10 minutos.

h) El tiempo de flujo, tf, está dado por la ecuación

t f=∑i=1

n Li

V i

Dónde:

Li es la longitud del i-ésimo conducción (ducto o canal) a lo largo de la

trayectoria del flujo

Vi es la velocidad del flujo en el ducto o canalización.

i) En cualquier punto de ingreso al sistema de ductos y canalizaciones, al menos

una ruta sólo tiene tiempo de ingreso al sistema de ductos, to. Si hay otras rutas

estas tienen los dos tipos de tiempos to y tf.

j) El tiempo de concentración del área que se drena hasta un punto de interés en el

sistema de drenaje es el mayor tiempo de concentración entre todas las

diferentes rutas que puedan tomar los diversos flujos que llegan a dicho punto.

Se utilizará la fórmula:

T = [(0,871x L3)/H]0,385

Dónde:

T es el tiempo de concentración, en horas.

L es lo longitud de recorrido, en km.

H es el desnivel entre la cabecera de la cuenca y el punto de desagüe, en m.

La aplicación de esta fórmula se limitará a cuencas de extensión inferior a 5.000 Ha.

Área de Drenaje

a) Debe determinarse el tamaño y la forma de la cuenca o subcuenca bajo

consideración utilizando mapas topográficos actualizados. Los intervalos entre

132


las curvas de nivel deben ser lo suficiente para poder distinguir la dirección del

flujo superficial.

b) Deben medirse el área de drenaje que contribuye al sistema que se está

diseñando y las subáreas de drenaje que contribuyen a cada uno de los puntos de

ingreso a los ductos y canalizaciones del sistema de drenaje.

c) Al trazar la divisoria del drenaje deberán atenderse la influencia de las

pendientes de los pavimentos, la localización de conductos subterráneos y

parques pavimentados y no pavimentados, la calidad de pastos, céspedes y

demás características introducidas por la urbanización.

Periodo de Retorno

a) El sistema menor de drenaje deberá ser diseñado para un período de retorno

entre 2 y 10 años. El período de retorno está en función de la importancia

económica de la urbanización, correspondiendo 2 años a pueblos pequeños.

b) El sistema mayor de drenaje deberá ser diseñado para el período de retorno de

25 años.

c) El diseñador podrá proponer períodos de retorno mayores a los mencionados

según su criterio le indique que hay mérito para postular un mayor margen de

seguridad debido al valor económico o estratégico de la propiedad a proteger.

Periodo de Retorno

Tipo de Estructura Carretera Periodo de retorno añosPuentes en puntos en los que la retención de la crecida puede provocar daños en el puente o su perdida

Todas 50 -100

Puentes en otras circunstancias Principal Secundaria

50 – 100 25

Alcantarillas Principal Secundaria

25 10

Cunetas y drenaje longitudinal Principal Secundaria

10 5

Vias urbanas, excepto caces y sumideros

Todas 10

Caces y sumideros Todas 2 - 5

Información Pluviométrica

Cuando el estudio hidrológico requiera la determinación de las curvas intensidad -

duración - frecuencia (IDF) representativas del lugar del estudio, se procederá de la

siguiente manera:

133


a) Si la zona en estudio está en el entorno de alguna estación pluviográfica, se usará

directamente la curva IDF perteneciente a esa estación.

b) Si para la zona en estudio sólo existe información pluviométrica, se encontrará la

distribución de frecuencia de la precipitación máxima en 24horas. de dicha estación,

y luego junto con la utilización de la información de la estación pluviográfica más

cercana se estimarán las precipitaciones para duraciones menores de 24 horas y para

el periodo de retorno que se requieran.

La intensidad requerida quedará dada por:

I(t,T) = P(t,T) / t

Dónde:

I(t,T) es la intensidad para una duración t y periodo de retorno T requeridos

P(t,T) es la precipitación para las mismas condiciones.

c) Como método alternativo para esta último caso pueden utilizarse curvas IDF

definidas por un estudio regional. De utilizarse el estudio regional “Hidrología del

Perú” IILA – UNI - SENAMHI 1983 modificado, las fórmulas IDF respectivas son

las mostradas en las Tablas 3 a y 3 b.

d) Si el método racional requiere de intensidades de lluvia menores de una hora,

debe asegurarse que la curva o relación IDF sea válida para esa condición.

4.4 CRITERIOS DE DISEÑO EN DRENAJE PARA CARRETERAS

Información Básica

Todo proyecto de alcantarillado pluvial deberá contar con la información básica

indicada a continuación, la misma que deberá obtenerse de las Instituciones Oficiales

como el SENAMHI, Municipalidades, Ministerio de Transportes y Comunicaciones

Vivienda y Construcción:

- Información Meteorológica

- Planos Catastrales

- Planos de Usos de Suelo.

134


Obligatoriedad del Sistema de Alcantarillado Pluvial

En toda construcción de una carretera o camino, especialmente en zonas lluviosas se

deberán realizar trabajos de Drenajes las cuales permitan asegurar una vida útil

proyectada de la estructura. El Drenaje en carreteras es un Drenaje superficial o sub-

superficial que garantiza la descarga de caudales.

Presentación del ProyectoTodo proyecto de drenaje deberá contar como mínimo con los siguientes documentos:

Planos Topográficos:

- Plano General de la zona, a escala variable entre 1:500 a 1:1000 con curvas de nivel

equidistanciadas 1 m ó 0,50 m según sea el caso.

- Plano del Área específica donde se proyecta la ubicación de estructuras especiales, a

escala entre 1:500 a 1:250.

- Se deberá contar con información topográfica del Instituto Geográfico Nacional para

elaboración de planos a mayor escala de zonas urbano - rurales.

- Deberá obtenerse los datos aerofotográficos existentes sobre la población que se

estudie, así como la cuenca hidrográfica, de los ríos y quebradas que afectan.

Estudios de Hidráulica e Hidrológica

Se deberán realizar los diferentes estudios Hidrológicos contando con la ayuda de las

diferentes instituciones implicadas en la materia.

Y realizar los cálculos hidráulicos para el diseño adecuado de la estructura

Estudio de Suelos.

Se deberá efectuar el estudio de suelos correspondiente, a fin de precisar las

características del terreno a lo largo del eje de los ductos de drenaje. Se realizarán

calicatas cada 100 m. como mínimo y cada 500 m. como máximo. El informe del

estudio de suelos deberá contener:

- Información previa: antecedentes de la calidad del suelo.

- Exploración de campo: descripción de los ensayos efectuados.

135


- Ensayos de laboratorio.

- Perfil del Suelo: Descripción, de acuerdo al detalle indicado en la Norma E.050

Suelos y Cimentaciones, de los diferentes estratos que constituyen el terreno

analizado.

- Análisis físico – químico del suelo.

Cálculos Hidráulicos e Hidrológicos

Análisis Hidrológicos

Se pueden presentar varios casos:

1.- Que se disponga de registros de caudales máximos o registros de ondas de avenidas.

Hacemos un análisis de la probabilidad para determinar el caudal máximo de diseño.

Estudio de Probabilidad de ocurrencia de valores extremos.

P = 1/T, periodo de retorno o periodo de ocurrencia.

De acuerdo a la importancia de la estructura se escoge una probabilidad determinada.

2.- Cuando no se tiene datos de caudales, pero si de precipitación. (Intensidad de

precipitación i = mm/horas)

Se puede disponer de registros de intensidades de precipitación máximos anuales, que

mediante un análisis estadísticos se puede determinar la intensidad de diseño.

Con base a la relación de precipitación escurrimiento, existen varios métodos que bien

se basan en formulas empíricas, su utilización es mas racional ya que permite la

liberación de hacer ajustes para ser utilizados en una región distinta de donde fueron

obtenidos.

Estas fórmulas empíricas están basadas en una serie de hipótesis:

- El tiempo máximo de precipitación coincide con el tiempo de pico del escurrimiento.

(Se asume generalmente para cuencas pequeñas 5km2)

136


- Todas las porciones de la cuenca contribuyen a la magnitud del pico de la cuenca.

- La capacidad de infiltración es constante en todo el tiempo.

- La intensidad de precipitación es uniforme durante toda la cuenca.

- los antecedentes de humedad y almacenaje de la cuenca son despreciables.

4.5 DRENAJE SUPERFICIAL Y DISEÑO DE CUNETAS

Se tomaran en cuenta las características geométricas generales como:

a) Talud interior de Cunetas

La inclinación del talud dependerá, por condiciones de seguridad, de la velocidad y

Volumen de diseño de la carretera o camino. Sus valores se tabulan en la siguiente

tabla. El valor máximo correspondiente a velocidades de diseño ≤ 70 km/h. es aplicable

solamente a caso muy especiales, en los que se necesite imprescindiblemente una

sección en corte reducida (terrenos escarpados) la que contara con elementos de

protección (guardavías). Inclinaciones fuera de estos Mínimos deberán ser justificadas

convenientemente y se dispondrán de los elementos de protección adecuada.

Tabla N° 4.5Inclinaciones máximas de talud (V:H) Interior de la Cuneta

V.D (km/h) I.M.D.A. (VEH./DIA)< 750 > 750

≤ 70 1:021:03

(*) 1:03

> 70 1:03 1:04

(*) Solo en casos especiales

b) Profundidad de Cunetas

La profundidad será determinada, en conjunto con los demás elementos de su sección

Por los volúmenes de las aguas superficiales a conducir, así como de los elementos

funcionales y geométricos correspondientes. En caso de elegir la sección Triangular, las

profundidades mínimas de estas cunetas serán de 0.20 m. para regiones secas, de 0.30

m. para regiones lluviosas y de 0.50 m. para regiones muy lluviosas.

c) El fondo de la Cuneta

El ancho del fondo será función de la capacidad que quiere conferírsele a la cuneta.

Eventualmente, puede aumentársele si se requiere espacio para almacenamiento de

nieve o de seguridad para caídas de rocas. En tal caso, la cuneta puede presentar un

137


fondo interior para el agua y una plataforma al lado del corte a una cota algo superior,

para los fines mencionados.

Longitudinalmente, el fondo de la cuneta deberá ser continuo, sin puntos bajos.

Las pendientes longitudinales mínimas absolutas será de 0.20%, para cunetas revestidas

y 0.50% para cunetas sin revestir.

Dimensiones mínimas de las Cunetas

Región Profundidad (m) Ancho (m)

Seca

Lluviosa

Muy lluviosa

0.20

0.30

0.50

0.50

0.50

1.00

d) Revestimiento

Si la cuneta es de material fácilmente erosionable y se proyecta con una pendiente tal

que le infiere al flujo una velocidad mayor a la máxima permisible del material

constituyente, se protegerá con revestimiento resistente a la erosión.

Cuando el suelo es deleznable y la rasante de la cuneta es igual o mayor de 4 % esta

deberá revestirse con piedras y lechada de cemento.

El revestimiento puede además ser necesario para reducir le rugosidad de la cuneta y

asegurar el escurrimiento del caudal en el cado de una pendiente longitudinal muy leve.

e) Velocidad

La velocidad de las aguas debe limitarse para evitar la erosión, sin reducirla tanto que

pueda dar lugar a sedimentación. La velocidad mínima aconsejada es de 0.25 m/s.

Las máximas admisibles se indican a continuación:

Velocidades Máximas Admisibles

Material de Cauce Velocidad Admisible (m/s)

Terreno parcialmente cubierto de vegetación

Arena fina o limo ( Poco o ninguna arcilla)

Arcillas Grava gruesa

Conglomerado, pizarra blanda, rocas blandas

Mampostería

Concreto

0.60 – 1.20

0.30 – 0.60

1.20 – 1.50

1.50 – 2.40

3.00 - 4.50

4.50 – 6.00

138


e) Desagüe de las Cunetas

La eliminación del agua de las cunetas se efectuara por medio de alcantarillas o

aliviadores de cunetas.

La ubicación de estos aliviaderos deberá ser establecidas por el proyectista teniendo en

cuenta la longitud máxima alcanzable con relación a la lluviosidad de la zona y a la

dimensiones de la cuneta.

Se recomienda además que en los puntos bajos de curva vertical cóncava, en los que no

se considera una alcantarilla, se proyecte un aliviadero de cuneta.

DISEÑO DE ALCANTARILLAS

El tipo de alcantarillas deberá ser elegido en cada caso por el proyectista teniendo en

cuenta el caudal a eliminarse, la naturaleza y la pendiente del cauce, y el costo en la

relación con la disponibilidad de los materiales.

La cantidad y ubicación serán fijadas en forma de garantizar el drenaje, evitando la

acumulación excesiva de aguas en cada obra.

Dimensiones Mínimas

La dimensión mínima interna de las alcantarillas (tubular) deberá ser la que permita su

limpieza y conservación.

Criterios para el diseño

- Ubicar perpendicularmente la alcantarilla a la carretera o camino.

- Levantamiento topográfico, y registro históricos de los caudales máximos.

- La sección hidráulica podrá ser de sección rectangular o circular. De tal manera que

garantice el escurrimiento.

- La pendiente de la alcantarilla debe ser mayor o igual a la pendiente del cauce.

- La velocidad en la alcantarilla debe ser menor a 2.5 m/s

Diseño Hidráulico de las Alcantarillas

Podemos aplicar fórmulas de flujo uniforme:

Q = AR2/3S1/2 / n

139


Primer Caso:

El flujo de una alcantarilla de pequeña longitud esta conformada por muchas variables

que influyen la geometría de la entrada, la pendiente, dimensiones de la sección,

rugosidad condiciones a la entrada y en el desagüe. El diseño se realiza generalmente

para el gasto máximo de la tormenta en la sección de entrada de la alcantarilla. Puede

funcionar a presión o a superficie libre.

Los estudios experimentales dan un valor critico de comparación H*

H* = 1.2 d a 1.5 d

Segundo Caso:

Tercer Caso:

140


Cuarto Caso:

Quinto Caso:

Sexto Caso:

En conclusión H < H* se tiende a flujo uniforme en la alcantarilla.

Formulas a Aplicarse

1° y 2° Caso: So L + H = Yt + V2 / 2g + he + hf

he = Perdida en la entrada

he = k V2 / 2g hf = fL /D x V2 / 2g

k = 0.03 entrada redondeada k = 0.50 entrada afilada

3° Caso: 1.2 < H/D < 1.5

Q = Ch B d √2g (H – Ch d)

Ch = Coeficiente de Contracción

0.8 Bordes redondeados

0.6 Bordes afilados

141


4° Caso: Ye + Q2 / 2g Ae2 + So L = Yt + Q2 / 2g At2 + [ Vm n / Rh2/3] L

5° Caso: Ye + Q2 / 2g Ae2 + So L = Yc + Q2 / 2g At2 + [ Vm n / Rh2/3] L

6° Caso: Q / d2 √gd = 0.48 (So/0.4)0.05 (H/d)1.9 0 < H/d < 0.8

Q / d2 √gd = 0.44 (So/0.4)0.05 (H/d)1.2 0.8 < H/d < 1.2

4.6 EJEMPLO DE DISEÑO DE DRENAJE PLUVIAL

Datos:

Toda la Zona tiene un coeficiente de Escorrentía compuesto de 0.45.

Material de los colectores es tubería con n = 0.014

Para determinar el tiempo de Concentración se realizara con las siguientes condiciones:

Recorrido superficial en montaña:

Longitud = 120 m. Pendiente = 10 %

Recorrido superficial sobre prado corriente:

142



Recorrido en cunetas:


PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO:

1.- Identificación del Colector.

2.- Área Parcial: Es el área drenada por l colector en el pozo inicial.

3.- Coeficiente de Escorrentía: Por condición del problema se adopto para todo la zona

un coeficiente de 0.40.

4.- Incremento de Área: corresponde al área concerniente al colector.

5.- Área total. Es la suma del área parcial y el incremento de área.

6.- Tiempo de Concentración: En los colectores iniciales corresponde al tiempo de

concentración inicial. En los demás colectores corresponde al mayor valor de tiempos

de concentración de los colectores aguas arriba, los cuales a su vez son la suma del

tiempo de concentración total más el tiempo de recorrido en el colector.

Tiempo de Concentración inicial: Del grafico (Estimación del tiempo de concentración

inicial) se obtienen las velocidades de flujo por cada tipo de terreno:

143


Recorrido en montaña: i = 10% y L = 120 m.

V = 0.28 m/s Tc = 120 / 0.28 x 60 = 7.14 min.

Recorrido en prados: i = 1% y L = 40 m.

V = 0.08 m/s Tc = 40 / 0.08 x 60 = 8.55 min.

Recorrido en cuneta: i = 2% y L = 50 m.

V = 0.85 m/s Tc = 50 / 0.85 x 60 = 0.98 min.

Tiempo de concentración inicial: 16.67 min.

Tiempo de concentración para el colector 2 – 4

Tc = 16.67 min.

Tiempo de concentración para el colector 3 - 5

Tc = 16.67 + 2.60 = 19.27 min.

7.- Intensidad de Diseño: Corresponde al valor de intensidad en L/s.Ha obtenido de la

gráfica Intensidad – Duración – Frecuencia.

8.- Caudal producido según la ecuación racional.

Q = C x I x A / 360 (area en km.)

9.- Longitud del colector.

10.- Pendiente del colector.

11.- Diámetro d la tubería.

12.- Velocidad del flujo.

13.- Cota rasante en el pozo inicial.

14.- Cota rasante en el pozo final.

15.- Cota de Batea en el pozo inicial: cota de energía en el pozo inicial menos la energía

específica del colector

16.- Cota de Batea en el pozo final: igual a la cota de batea inicial menos la caída en el

tramo debida a la pendiente del colector

17.- Cota de energía en el pozo inicial: este valor corresponde a la cota de energía en el

pozo final del colector principal entrante menos la pérdida de energía en el pozo.

18.- Cota de energía en el pozo final: igual a la cota de energía en el pozo inicial menos

la caída en el tramo debido a la pendiente del colector.

144


Ejemplo de Diseño del Canal de aguas de lluvia

Considerando el siguiente trazado:

145


Datos Generales:

Frecuencia de diseño de la sección en concreto = 10 años

Intensidad para 10 años = 172.4 L/s./Ha

Frecuencia de diseño de la sección total = 25 años


Pendiente del fondo del canal = 0.12%

Pendiente del talud = 1: 1.5

Coeficiente de rugosidad del concreto = 0 017

Coeficiente de rugosidad de la grama = 0.035

a.- Sección entre Km. 0 + 000 al 0 + 390

Área de drenaje = 213 Ha

Tiempo de Concentración = 35.80 min.

Impermeabilidad ponderada = 0.356

b.- Sección entre Km. 0 + 390 en adelante

Área de drenaje = 213 + 173 = 386 Ha

Tiempo de Concentración = 35.80 min.


a.- Sección entre Km. 0 + 000 al 0 + 390

Área de drenaje = 213 Ha

Tiempo de Concentración en la primera entrada = 35.80 min.


Frecuencia de diseño de la sección en concreto = 10 años


Q = C x I x A = (0.356 x 172.4 x 213) / 1000

Q = 13.07 m3/s

Considerando un ancho inferior del canal b = 3.0 m. se tiene:

K = Q n / b8/3 S1/2 = 13.07 x 0.017 / 3.08/3 0.00121/2 = 0.343

De tabla: para K´= 0.343 y m = 1.5 se tiene:

D / b = 0.376

D = 0.376 x 3.0 = 1.13 m.

Parámetros físicos del canal:

A = (b + m D) D = (3.0 + 1.5 x 1.13) 1.13 = 5.29 m2.

P = b + 2 D √ 1 + m2 = 3.0 + 2 x 1.13 √ 1 + (1.5)2 = 7.07 m.

146


B = b + 2 m D = 3.0 + 2 x 1.5 x 1.13 = 6.38 m.

Db = A / B = 5.29 / 6.38 = 0.83 m.

Condiciones hidráulicas:

V = Q / A = 13.07 / 5.29 = 2.47 m/s

NF = V / √ g Dh = 2.47 / √ 9.81 x 0.83 = 0.87

Por lo tanto el régimen e subcritico.

Sección completa para una frecuencia de 25 años:

Intensidad de la lluvia para 25 años = 198.4 L/s.Ha

Q = 0.356 x 198.47 x 213 / 1000 = 15.04 m3/s.

El diseño de la sección se puede hacer por tanteos, verificando que la capacidad

del canal no sea inferior a 15.04 m3/s.

Adoptando la altura de la sección en grama d = 0.55 m. se tiene:

Pc = 2 + P = 9.07 m.

Pg = 2 d √ 1 + m2 = 2 x 0.55 x √ 1 + (1.5)2 = 1.98 m.

Pt = Pc + Pg = 9.07 + 1.98 = 11.05 m.

nt = √ Pcxnc2+Pgxng2

Pt = √ 9.07 x (0 . 017)2+1. 98 x (0 .035 )2

11. 05 =

0.0214

At = Ac + [(B + 2) + m d] d = 5.29 + [(6.38 + 2) + 1.5 x 0.55] x

0.55 = 10.36 m2.

Rt = At / Pt = 10.36 / 11.05 = 0.94 m.

Q= AtxRt2/ 3 sn

1/2

=

10 . 6 x (0 .94 )2/3 (0. 0012 )0 .0214

1/2

= 16.08 m3/s.

La altura total del canal, incluido un metro de borde libre, es:

Ht = 1.13 + 0.55 + 1.00 = 2.68 m.

Curvatura:

A = R tan (α/2) = 100 tan (20/2) = 36.4 m.

L = 2π α R /360 = 2 π 20 x 100 / 360 = 34.91 m.

Perdida en la curvatura:

bc = k V2 /2g

R/B = 100/6.38 = 15.7 > 3 k = 0.05

El factor de corrección de k, para un ángulo de deflexión de 20° es de 0.43 y por

lo tanto la perdida de energía es:

147


bc = 0.05 x 0.43 x (2.47)2 / 2 x 9.81 = 0.01 m.

La caída en la curva es:

Hc = S L + bc = 0.0012 34.91 x 0.01 = 0.05 m.

La pendiente del fondo del canal en la curva es:

Sc = Hc / L = 0.05 / 34.91 x 100 = 0.14%

Sección definitiva entre km 0 + 000 y km 0 + 390

b.- Sección entre Km. 0 + 390 en adelante

Área de drenaje = 213 + 173 = 386 Ha

Tiempo de Concentración en la segunda entrada = 35.80 min.


Tiempo de concentración del área drenada aguas arriba por el canal:

Tc = 35.80 + 390 / 2.47 x 60 = 38.43 min.

Sección revestida en concreto para una frecuencia de 10 años:

Intensidad para 10 años = 167.4 L/s.Ha

Q = C x I x A = (0.356 x 167.4 x 386) / 1000

Q = 23.00 m3/s

Considerando un ancho inferior del canal b = 3.8 m. se tiene:

K = Q n / b8/3 S1/2 = 23.00 x 0.017 / 3.88/3 0.00121/2 = 0.321

De tabla: para K´= 0.321 y m = 1.5 se tiene:

D / b = 0.367

148


D = 0.367 x 3.8 = 1.40 m.

Parámetros físicos del canal:

A = (b + m D) D = (3.8 + 1.5 x 1.40) 1.40 = 8.27 m2.

P = b + 2 D √ 1 + m2 = 3.8 + 2 x 1.40 √ 1 + (1.5)2 = 8.85 m.

B = b + 2 m D = 3.8 + 2 x 1.5 x 1.40 = 8.00 m.

Db = A / B = 8.27 / 8.00 = 1.03 m.

Condiciones hidráulicas:

V = Q / A = 23.00 / 8.27 = 2.78 m/s

NF = V / √ g Dh = 2.78 / √ 9.81 x 1.03 = 0.87

Por lo tanto el régimen e subcritico.

Sección completa para una frecuencia de 25 años:

Intensidad de la lluvia para 25 años = 193.4 L/s.Ha

Q = 0.356 x 193.4 x 386 / 1000 = 26.58 m3/s.

El diseño de la sección se puede hacer por tanteos, verificando que la capacidad

del canal no sea inferior a 26.58 m3/s.

Adoptando la altura de la sección en grama d = 0.65 m. se tiene:

Pc = 2 + P = 10.85 m.

Pg = 2 d √ 1 + m2 = 2 x 0.65 x √ 1 + (1.5)2 = 2.34 m.

Pt = Pc + Pg = 10.85 + 2.34 = 13.19 m.

nt = √ Pcxnc2+Pgxng2

Pt = √10 .85 x (0 . 017)2+2. 34 x (0 .035)2

13 .19 =

0.0213

At = Ac + [(B + 2) + m d] d = 8.27 + [(8.00 + 2) + 1.5 x 0.65] x

0.65 = 15.41 m2.

Rt = At / Pt = 15.41 / 13.19 = 1.17 m.

Q= AtxRt2/ 3 sn

1/2

=

15 . 41 x (1 .17 )2/3 (0 .0012 )0. 0213

1/2

= 27.74 m3/s.

La altura total del canal, incluido un metro de borde libre, es:

Ht = 1.40 + 0.65 + 1.00 = 3.05 m.

Transición

B1 = 6.38 m. V1 = 2.47 m/s

B2 = 8.00 m. V2 = 2.78 m/s

149


Angulo de la transición = 12.5°

L= B 2−B12 tan(12 .5 ° ) =

8 . 00−6 .382 tan(12 .5 ° ) = 0.02 m.

Sección definitiva entre km 0 + 390 en adelante

Sistemas de Drenaje Vial

El sistema de drenaje de una carretera tiene esencialmente dos finalidades:

a) Preservar la estabilidad de la superficie y del cuerpo de la plataforma de la

carretera eliminando el exceso de agua superficial y la sub superficial con las

adecuadas obras de drenaje.

b) Restituir las características de los sistemas de drenaje y/o de conducción de

aguas (natural del terreno o artificial construida previamente) que serían dañadas

o modificadas por la construcción de la carretera y que sin un debido cuidado en

el proyecto, resultarían causando daños, algunos posiblemente irreparables en el

medio ambiente.

Desde estos puntos de vista y de una manera práctica, debe considerarse:

a) En la etapa del planeamiento

Debe aplicarse los siguientes criterios para la localización del eje de

la carretera:

150


1. Evitar en lo posible localizar la carretera en territorios húmedos o pantanosos;

zonas de huaicos mayores; zonas con torrentes de aguas intermitentes; zonas

con corrientes de aguas subterráneas y las zonas inestables y/o con taludes

pronunciadas.

2. Evitar en lo posible la cercanía a reservorios y cursos de aguas existentes,

(naturales o artificiales) especialmente si son posible causa de erosiones de la

plataforma de la carretera.

b) En la etapa de diseño del sistema de drenaje

1. Mantener al máximo la vegetación natural existente en los taludes.

2. No afectar o reconstruir (perfeccionándolo) el drenaje natural del territorio

(cursos de agua).

3. Canalizar las aguas superficiales provenientes de lluvias sobre la plataforma de

la carretera hacia cursos de agua existentes fuera de este, evitando que tenga

velocidad erosiva.

4. Bajar la napa freática de aguas subterráneas a niveles que no afecten la

carretera.

5. Proteger la carretera contra la erosión de las aguas.

La aplicación de estos criterios, lleva al diseño de soluciones de ingeniería que, por su

naturaleza, se agrupan en la forma siguiente:

Drenaje superficial

Drenaje subterráneo

DRENAJE SUPERFICIAL

Consideraciones Generales

a) Finalidad del drenaje

superficial

El drenaje superficial tiene como finalidad alejar las aguas de la carretera para evitar

el impacto negativo de las mismas sobre su estabilidad, durabilidad y transitabilidad.

El adecuado drenaje es esencial para evitar la destrucción total o parcial de una

carretera y reducir los impactos indeseables al ambiente debido a la modificación de

la escorrentía a lo largo de éste.

151


El drenaje superficial comprende:

La recolección de las aguas procedentes de la plataforma y sus taludes.

La evacuación de las aguas recolectadas hacia cauces naturales.

La restitución de la continuidad de los cauces naturales interceptados por

la carretera.

b) Criterios funcionales

Los elementos del drenaje superficial se elegirán teniendo en cuenta criterios

funcionales, según se menciona a continuación:

Las soluciones técnicas disponibles.

La facilidad de su obtención y así como los costos de construcción

y mantenimiento.

Los daños que eventualmente producirían los caudales de agua

correspondientes al periodo de retorno, es decir, los máximos del periodo de

diseño.

Al paso del caudal de diseño, elegido de acuerdo al periodo de retorno y considerando

el riesgo de obstrucción de los elementos del drenaje, se deberá cumplir las siguientes

condiciones:

En los elementos de drenaje superficial, la velocidad del agua será tal que no

produzca daños por erosión ni por sedimentación.

El máximo nivel de la lámina de agua dentro de una alcantarilla será tal que

siempre se mantenga un borde libre no menor de 0.10 m.

Daños materiales a terceros, producibles por una eventual inundación de zonas

aledañas a la carretera, debida a la sobre elevación del nivel de la corriente en un

cauce, provocada por la presencia de una obra de drenaje transversal.

c) Periodo de retorno

La selección del caudal de diseño para el cual debe proyectarse un elemento del drenaje

superficial está relacionada con la probabilidad o riesgo que ese caudal sea excedido

durante el periodo para el cual se diseña la carretera. En general, se aceptan riesgos

más altos cuando los daños probables que se produzcan, en caso de que discurra un

caudal mayor al de diseño, sean menores y los riesgos aceptables deberán ser muy

pequeños cuando los daños probables sean mayores.

152


El riesgo o probabilidad de excedencia de un caudal en un intervalo de años está

relacionado con la frecuencia histórica de su aparición o con el periodo de retorno.

En el cuadro Nº se muestran los valores del riesgo de excedencia del caudal de diseño,

durante la vida útil del elemento de drenaje para diversos períodos de retorno.

CUADRO N° 4.6

Riesgo de Excedencia (%) Durante la Vida Útil para Diversos Períodos de Retorno

Período de retorno

(años)

Años de vida útil1 20 2 50 100

10 65.13% 87.84% 92.82% 99.48% 99.99%

15 49.84% 74.84% 82.18% 96.82% 99.90%

20 40.13% 64.15% 72.26% 92.31% 99.41%

25 33.52% 55.80% 63.96% 87.01% 98.31%

50 18.29% 33.24% 39.65% 63.58% 86.74%

100 9.56% 18.21% 22.22% 39.50% 63.40%

500 1.98% 3.92% 4.88% 9.3% 18.14%

1000 1.00% 1.98% 2.47% 4.88% 9.52%

10000 0.10% 0.20% 0.25% 0.50% 0.75%

Se recomienda adoptar periodos de retorno no inferiores a 10 años para las cunetas y

para las alcantarillas de alivio. Para las alcantarillas de paso, el periodo de retorno

aconsejable es de 50 años. Para los pontones y puentes, el periodo de retorno no será

menor a 100 años. Cuando sea previsible que se produzcan daños catastróficos en caso

de que se excedan los caudales de diseño, el periodo de retorno podrá ser hasta de 500

años ó más.

d) Riesgo de obstrucción

Las condiciones de funcionamiento de los elementos de drenaje superficial pueden

verse alteradas por su obstrucción debido a cuerpos arrastrados por la corriente.

Entre los elementos del drenaje superficial de la plataforma, el riesgo es especialmente

mayor en los sumideros y colectores enterrados, debido a la presencia de elementos

flotantes y/o sedimentación del material transportado por el agua. Para evitarlo, se

necesita un adecuado diseño, un cierto sobre dimensionamiento y una eficaz

conservación o mantenimiento.

El riesgo de obstrucción de las obras de drenaje transversal (alcantarillas de paso de

153


cursos naturales), fundamentalmente por vegetación arrastrada por la corriente,

dependerá de las características de los cauces y zonas inundables y puede

clasificarse en las categorías siguientes:

Riesgo alto: Existe peligro de que la corriente arrastre árboles y rocas u

objetos de tamaño parecido.

Riesgo medio: Pueden ser arrastradas cañas, arbustos, ramas y objetos

de dimensiones similares en cantidades importantes.

Riesgo bajo: No es previsible el arrastre de objetos de tamaño en

cantidad suficiente como para obstruir el desagüe.

Si el riesgo fuera alto, deberá procurarse que las obras de drenaje transversal no

funcionen a sección llena, dejando entre el nivel superior de la superficie del agua y

el techo del elemento un borde libre, para el nivel máximo del agua, con un resguardo

mínimo de 1.5 m, mantenido en una anchura no inferior a 12 m. Si el riesgo fuera

medio, las cifras anteriores podrán reducirse a la mitad. De no cumplirse estas

condiciones, deberá tenerse en cuenta la sobre elevación del nivel del agua que pueda

causar una obstrucción, aplicando en los cálculos una reducción a la sección teórica

de desagüe. También se podrá recurrir al diseño de dispositivos para retener al

material flotante, aguas arriba y a distancia suficiente. Esto siempre que se garantice el

mantenimiento adecuado.

Deberá comprobarse que la carretera no constituya un obstáculo que retenga las

aguas desbordadas de un cauce o conducto de agua, y prolongue de forma apreciable

la inundación después de una crecida.

e) Daños debidos a la escorrentía

A efectos del presente manual, únicamente se considerarán como daños a aquellos que

se producen por la presencia de la carretera. Es decir a las diferencias en los efectos

producidos por el caudal entre las situaciones correspondientes a la presencia de la

carretera y de sus elementos de drenaje superficial, y a su ausencia.

154


Estos daños pueden clasificarse en las categorías siguientes:

Los producidos en el propio elemento de drenaje o en su entorno

inmediato (sedimentaciones, erosiones, roturas).

Las interrupciones en el funcionamiento de la carretera o de vías contiguas,

debidas a inundación de su plataforma.

Los daños a la estructura del pavimento, a la plataforma de la carretera o a

las estructuras y obras de arte.

Los daños materiales a terceros por inundación de las zonas aledañas.

Estos daños, a su vez, podrán considerarse catastróficos o no. No dependen del tipo de

la carretera ni de la circulación que esta soporte, sino de su emplazamiento.

e.1) Daños en el elemento de drenaje superficial

Se podrá considerar que la corriente no producirá daños importantes por erosión de la

superficie del cauce o conducto si su velocidad media no excede de los límites fijados

en la cuadro en función de la naturaleza de dicha superficie:

CUADRO 4.7 VELOCIDAD MÁXIMA DEL AGUA

Tipo de Superficie Máxima Velocidad Admisible

(m/s)Arena fina o limo (poca o ninguna arcilla) 0.20 – 0.60

Arena arcillosa dura, margas duras 0.60 – 0.90

Terreno parcialmente cubierto de vegetación 0.60 – 1.20

Arcilla, grava, pizarras blandas con cubierta

vegetal

1.20 – 1.50

Hierba 1.20 – 1.80

Conglomerado, pizarras duras, rocas blandas 1.40 – 2.40

Mampostería, rocas duras 3.00 – 4.50 *

Concreto 4.50 – 6.00 *

* Para flujos de muy corta duración

155


Si la corriente pudiera conducir materiales en suspensión (limo, arena, etc.) se cuidará

de que una reducción de la velocidad del agua no provoque su sedimentación, o se

dispondrán depósitos de sedimentación para recogerlas, los cuales deberán ser de

fácil limpieza y conservarse de forma eficaz.

e.2) Daños no catastróficos a terceros

Donde existan zonas rurales en las que eventualmente terceros sufren daños por

inundaciones o similares, deberá cuidarse y comprobarse que la carretera no

constituya un obstáculo que retenga las aguas desbordadas y prolongue de forma

apreciable la inundación después del paso de una crecida. Especial atención deberá

prestarse a este problema en cauces con márgenes más altos que los terrenos

circundantes y en Ilanuras de inundación.

e.3) Daños catastróficos

Los daños a terceros se considerarán catastróficos cuando exista alguna de las

circunstancias siguientes:

Riesgo de pérdida de vidas humanas o graves daños personales.

Afectaciones a núcleos poblados o industriales.

En los casos en que no resulte evidente la imposibilidad de daños catastróficos,

evidencia que se deberá justificar razonadamente, se realizará un detallado análisis de la

situación. Si de dicho análisis se dedujera riesgo de daños catastróficos se

adoptarán las medidas oportunas para evitarlos.

e.4) Beneficios

Todo análisis de las afectaciones a terceros causadas por la presencia de una

carretera deberá incluir, además de los daños, eventuales beneficios.

4.7 HIDROLÓGICA Y CÁLCULOS HIDRÁULICOS

Las dimensiones de los elementos del drenaje superficial serán establecidas mediante

métodos teóricos conocidos de acuerdo a las características hidrológicas de la zona por

la que pasa la carretera y tomando en cuenta la información pluviométrica disponible.

El método de estimación de los caudales asociados a un período de retorno depende del

tamaño y naturaleza de la cuenca tributaria. Por su naturaleza representan casos

156


especiales la presencia de lagos, embalses y zonas inundables que retengan o

desvíen la escorrentía.

Cuando las cuencas son pequeñas, se considera pertinente el método de la fórmula

racional y/o de alguna otra metodología apropiada para la determinación del caudal de

diseño. Se consideran cuencas pequeñas a aquellas en que el tiempo de

concentración es igual o menor a 6 horas. El tiempo de recorrido del flujo en el sistema

de cauces de una cuenca (o tiempo de concentración relacionado con la intensidad

media de precipitación), se puede deducir por la fórmula:

T = 0.3 (L/J¼) ¾

Siendo:

T = Tiempo de concentración en horas

L = Longitud del cauce principal en km.

J = Pendiente media

Cuando se disponga de información directa sobre niveles o cualidades de la avenida, se

recomienda comparar los resultados obtenidos del análisis con esta información directa.

El caudal de diseño que aporta una cuenca pequeña se obtendrá mediante la fórmula

racional:

Q = C I A / 3.6

Q = Caudal m3/s. (Para cuencas pequeñas) en la sección en estudio.

I = Intensidad de la precipitación pluvial máxima, previsible, correspondiente a

una duración igual al tiempo de concentración y a un periodo de retorno dado, en mm/h.

A = Área de la cuenca en km2

C = Coeficiente de escorrentía.

Para el pronóstico de los caudales, el procedimiento racional requiere contar con la

familia de curvas Intensidad – Duración – Frecuencia (IDF). En nuestro país, debido a

la escasa cantidad de información pluviográfica con que se cuenta, difícilmente

pueden elaborarse estas curvas. Ordinariamente solo se cuenta con lluvias máximas en

24 horas, por lo que el valor de la Intensidad de la precipitación pluvial máxima

generalmente se estima a partir de la precipitación máxima en 24 horas, multiplicada

157


por un coeficiente de duración; en el cuadro se muestran coeficientes de duración, entre

1 hora y 48 horas, los mismos que podrán usarse, con criterio y cautela para el cálculo

de la intensidad, cuando no se disponga de mejor información.

CUADRO N° 4.8

COEFICIENTES DE DURACIÓN (Lluvias entre 48 horas y una hora)

Duración de la

precipitaciónCoeficiente de

duración1 0.25

2 0.31

3 0.38

4 0.44

5 0.50

6 0.56

8 0.64

10 0.73

12 0.79

14 0.83

16 0.87

18 0.90

20 0.93

22 0.97

24 1.00

48 1.32

El coeficiente de C, de la fórmula racional, puede determinarse con la ayuda de los

valores mostrados en los cuadros siguientes:

CUADRO N° 4.9

VALORES PARA LA DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA

CONDICIÓN VALORES

1.Relieve del terreno K1 = 40

Muy accidentado pendiente

superior al 30%

K1 = 30

Accidentado pendiente

entre 10% y 30%

K1 = 20

Ondulado

pendiente entre

5% y 10%

K1 = 10

Llano pendiente

inferior al 5%

158


2.Permeabilidad del

suelo

K2 = 20

Muy impermeable

Roca sana

K2 = 15

Bastante

impermeable Arcilla

K2 = 10

Permeable

K2 = 5

Muy permeable

3. Vegetación K3 = 20

Sin vegetación

K3 = 15

Poca, menos del 10%

de la superficie

K3 = 10

Bastante, hasta el

50% de la

superficie

K3 = 5

Mucha, hasta el

90% de la

superficie4.Capacidad de

retención

K4 = 20

Ninguna

K4 = 15

Poca

K4 = 10

Bastante

K4 = 5

Mucha

COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA

K = K1 + K2 + K3 + K4 * C

100 0.80

7

5

0.65

5

0

0.50

3

0

0.35

2

5

0.20

* Ver Cuadro anterior

Para la determinación del coeficiente de escorrentía también podrán tomarse como

referencia, cuando sea pertinente, los valores mostrados en el cuadro Nº

CUADRO Nº 4.10

COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA C

TIPO DE SUPERFICIE COEFICIENTE DE

ESCORRENTÍAPavimento asfáltico y concreto 0.70 – 0.95

Adoquines 0.50 – 0.70

Superficie de grava 0.15 – 0.30

Bosques 0.10 – 0.20

Zonas de vegetación densa

Terrenos granulares

Terrenos

arcillosos

0.10 – 0.50

0.30 – 0.75

Tierra sin vegetación 0.20 – 0.80

Zonas cultivadas 0.20 – 0.40

159


Para el cálculo de la velocidad y del caudal en un canal con régimen hidráulico

uniforme, se puede emplear la fórmula de Manning.

V = R2/3 S1/2 / n

Q = VA

R = A / P

Dónde:

Q = Caudal m3/s

V = Velocidad media m/s

A = Área de la sección transversal ocupada por el agua m2

P = Perímetro mojado m

R = A/P; Radio hidráulico m

S = Pendiente del fondo m/m

n = Coeficiente de rugosidad de Manning (Cuadro Nº 4.1.2.e)

CUADRO N° 4.11

VALORES DEL COEFICIENTE DE MANNING

TIPO DE

CANAL

Mínimo Normal Máximo

Tubo metálico corrugado 0.021 0.024 0.030

Tubo de concreto 0.010 0.015 0.020

Canal revestido en concreto alisado 0.011 0.015 0.017

Canal revestido en concreto sin alisar 0.014 0.017 0.020

Canal revestido albañilería de piedra 0.017 0.025 0.030

Canal sin revestir en tierra o grava 0.018 0.027 0.030

Canal sin revestir en roca uniforme 0.025 0.035 0.040

Canal sin revestir en roca irregular 0.035 0.040 0.050

Canal sin revestir con maleza tupida 0.050 0.080 0.120

Río en cauce recto sin piedras y malezas 0.025 0.030 0.035

Ríos sinuosos o torrentosos con piedras 0.035 0.040 0.600

En las cuencas mayores, el cálculo del caudal de diseño debe ser obtenido de

métodos hidrológicos apropiados y que no son tratados en este manual.

Para los aspectos hidrológicos del diseño de puentes, serán de aplicación lo establecido

en el Manual de Diseño Geométrico de Carreteras.

160


ELEMENTOS FÍSICOS DEL DRENAJE SUPERFICIAL

a) Drenaje del agua que escurre superficialmente

FUNCIÓN DEL BOMBEO Y DEL PERALTE: La eliminación del agua de la

superficie de rodadura se efectúa por medio del bombeo en las secciones en tangente

y del peralte en las curvas horizontales, provocando el escurrimiento de las aguas

hacia las cunetas (ver figura).

PENDIENTE LONGITUDINAL DE LA RASANTE

De modo general la rasante será proyectada con pendiente longitudinal no menor de 0.5

%, evitándose los tramos horizontales con el fin de facilitar el movimiento del agua de

las cunetas hacia sus aliviaderos o alcantarillas.

Solamente en el caso que la rasante de la cuneta pueda proyectarse con la pendiente

conveniente, independientemente de la calzada, se podrá admitir la horizontalidad de

ésta.

DESAGUE SOBRE LOS TALUDES EN RELLENO O TERRAPLÉN

Si la plataforma de la carretera está en un terraplén o relleno y el talud es

erosionable, las aguas que escurren sobre la calzada deberán ser encausadas por los dos

161


lados, de la misma forma que el desagüe en sitios preparados especialmente

protegidas para evitar la erosión de los taludes.

Para encausar las aguas, cuando el talud es erosionable, se podrá prever la

construcción de un bordillo al costado de la berma el mismo que deberá ser cortado con

frecuencia impuesta por la intensidad de las lluvias, encausando el agua mediante

aliviaderos con descarga al pie del talud.

b) Cunetas

Las cunetas preferentemente serán de sección triangular y se proyectarán para todos los

tramos al pie de los taludes de corte.

Sus dimensiones serán fijadas de acuerdo a las condiciones pluviales, siendo las

dimensiones mínimas aquellas indicadas en el cuadro Nº

El ancho es medido desde el borde de la sub rasante hasta la vertical que pasa por el

vértice inferior. La profundidad es medida verticalmente desde el nivel del borde de la

sub rasante al fondo o vértice de la cuneta.

Cuando existan limitaciones de ancho de la plataforma se podrá proyectar cunetas con

doble función:

Drenaje y

Área de emergencia (berma)

Para los cuales se buscará la solución más adecuada tales como: cunetas cubiertas,

berma-cuneta, etc.

162


DIMENSIONES MÍNIMAS DE LAS CUNETAS

REGIÓN PROFUNDIDAD (m) ANCHO (m)

Seca

Lluviosa

Muy lluviosa

0.20

0.30

0.30 *

0.50

0.75

1.20

* Sección trapezoidal con un ancho mínimo de fondo de 0.30m.

Revestimiento de Las Cunetas

Para evitar el deterioro del pavimento, las cunetas deberán ser revestidas.

Dicho revestimiento será a base de mampostería de piedra, concreto u otro

material adecuado.

Desague de Las Cunetas

La descarga de agua de las cunetas se efectuará por medio de alcantarillas

de alivio.

En región seca o poco lluviosa la longitud de las cunetas será de 250 m. como

máximo. Las longitudes de recorridos mayores deberán justificarse

técnicamente. En región muy lluviosa se recomienda reducir esta longitud

máxima a 200 m.

c) Zanjas de coronación

UBICACIÓN DE LAS ZANJAS DE CORONACIÓN

Cuando se prevea que el talud de corte está expuesto a efecto erosivo del agua de

escorrentía, se deberá diseñar zanjas de coronación. (Figura)

REVESTIMIENTO DE LAS ZANJAS DE CORONACIÓN

163


Se deberá revestir las zanjas en el caso que estén previstas filtraciones que pueden poner

en peligro la estabilidad del talud de corte.

d) Zanjas de recolección

La zanja de recolección será necesaria para llevar las aguas de las alcantarillas de alivio

hacia los cursos de agua existente. (Figura)

Drenaje longitudinal de una carretera a través de cunetas

DIMENSIONES DE LAS ZANJAS

Las dimensiones se fijarán de acuerdo a las condiciones pluviométricas de la zona y

características del terreno.

DESAGUE DE LAS ZANJAS

La ubicación de los puntos de desagüe deberá ser fijada por el proyectista teniendo en

cuenta la ubicación de las alcantarillas y la longitud máxima que puede alcanzar la zanja

con relación a sus dimensiones y a la pluviosidad de la zona (figura).

e) Canal de bajada

Cuando la carretera en media ladera o en corte cerrado cruza un curso de agua que no

es posible desviar, es necesario encauzar las aguas en un canal de bajada revestida

con el fin también de preservar la estabilidad del talud (figura).

f) Alcantarillas de paso y alcantarillas de alivio

TIPO Y UBICACIÓN

164


El tipo de alcantarilla deberá de ser elegido en cada caso teniendo en cuenta el caudal a

eliminarse, la naturaleza y la pendiente del cauce y el costo en relación con la

disponibilidad de los materiales.

La cantidad y la ubicación deberán establecerse a fin de garantizar el funcionamiento

del sistema de drenaje. En los puntos bajos del perfil longitudinal, debe proyectarse una

alcantarilla de alivio.

DIMENSIONES MÍNIMAS

La dimensión mínima interna de las alcantarillas deberá ser la que permite su limpieza y

conservación, adoptándose una sección circular mínima de 0.90 m (36”) de diámetro o

su equivalente de otra sección. (Figuras).

165


166


167


168


169


170


171


g) Badenes

Los badenes (figura) son una solución satisfactoria para los cursos de agua que

descienden por quebradas cuyo nivel de fondo de cauce coincide con el nivel de la

172


rasante, descargando materiales sólidos esporádicamente con fuerza durante algunas

horas, en épocas de lluvia.

Los badenes tienen como superficie de rodadura una capa de empedrado de

protección o tienen una superficie mejorada formada por una losa de concreto.

Evitar la colocación de badenes sobre depósitos de suelos de grano fino susceptibles a la

socavación, evitar también la adopción de diseños que no prevean protección contra la

socavación.

En casos que así lo ameriten, podrá afianzarse su estabilidad mediante uñas a la entrada

y/o salida de la estructura.

También pueden usarse badenes combinados con alcantarillas, tanto de tubos como del

tipo cajón; sin embargo estas estructuras pueden originar el represamiento de los

materiales de arrastre en el cauce ocasionado la obstrucción de la alcantarilla,

poniendo en riesgo la estabilidad de la estructura.

Los badenes presentan la ventaja de que son estructuras menos costosas que las

alcantarillas grandes, pontones o puentes. Asimismo, en general, no son susceptibles de

obstruirse.

Para el diseño de badenes se recomienda lo siguiente:

Usar una estructura o una losa suficientemente larga para proteger el

“perímetro mojado” del cauce natural del curso de agua. Agregar protección

por arriba del nivel esperado de aguas máximas. Mantener un borde libre,

típicamente de entre

0.3 y 0.5 metros, entre la parte superior de la superficie reforzada de rodadura

(losa) y el nivel de aguas máximas esperado.

Proteger toda la estructura con pantallas impermeables, enrocamiento,

gaviones, losas de concreto, u otro tipo de protección contra la socavación.

Construir las cimentaciones sobre material resistente a la socavación (roca sana

o enrocado) o por debajo de la profundidad esperada de socavación. Evitar la

socavación de la cimentación o del cauce mediante el uso de empedrado pesado

colocado localmente, jaulas de gaviones o refuerzo de concreto.

h) Vados

El cruce a nivel de una carretera a través de un río pequeño se denomina “vado”.

Idealmente debe construirse en lugares donde el cruce natural tiene poca altura.

173


Para el diseño de vados se recomienda:

Para el caso de vados simples de piedra, es conveniente usar grandes fragmentos

de roca o piedra bien graduados en la base de la quebrada. Rellenar los huecos

con fragmentos pequeños de roca limpia o con grava para proporcionar una

174


superficie de rodadura uniforme. A estas rocas pequeñas se les deberá dar

mantenimiento periódico y se remplazarán eventualmente.

Usar vados para el cruce de cauces secos o con caudales pequeños durante la

mayor parte del año.

Ubicar los vados donde las márgenes del curso de agua sean bajas y donde el

cauce esté bien confinado.

Usar marcadores de profundidad resistentes y bien colocados en los vados para

advertir al tránsito de alturas peligrosas del agua.

Evitar la construcción de curvas verticales pronunciadas en vados en las que

puedan quedar atrapados camiones largos o remolques.

4.8 DRENAJE SUBTERRÁNEO

Condiciones generales

El drenaje subterráneo se proyectará para controlar y/o limitar la humedad de la

plataforma de la carretera y de los diversos elementos del pavimento de una carretera.

Sus funciones serán alguna o varias de las siguientes:

a) Interceptar y desviar corrientes subsuperficiales y/o subterráneas antes de que

lleguen al lecho de la carretera.

b) Hacer descender el nivel freático.

c) Sanear las capas del pavimento.

Las figuras 4.2.1a y 4.2.1b muestran la disposición general que deben tener los drenes

subterráneos.

Figura 4.2.1a

DRENAJE SUBTERRÁNEO

175


Figura 4.2.1b

DRENAJE SUBTERRÁNEO

Drenes subterráneos

El dren subterráneo estará constituido por una zanja en la que se colocará un tubo con

orificios perforados, juntas abiertas, o de material poroso. Se rodeará de un material

permeable, material filtro, compactado adecuadamente, y se aislará de las aguas

superficiales por una capa impermeable que ocupe y cierre la parte superior de la zanja

(figura 4.2.2a).

Figura 4.2.2a

DRENES SUBTERRÁNEOS

Las paredes de la zanja serán verticales o ligeramente inclinadas, salvo en drenes

transversales o en espina de pez en que serán admisibles, incluso convenientes,

pendientes más fuertes. En casos normales, el talud máximo no superará el valor 1/5.

(H/V)

La tubería

Condiciones generales

176


Los tubos serán de material de buena calidad. Los tubos de cerámica o concreto,

plásticos, aceros corrugados podrán proyectarse con juntas abiertas o perforaciones que

permitan la entrada de agua en su interior. Los de plástico, de material corrugado, o de

fibras bituminosas deberán ir provistos de ranuras u orificios para el mismo fin que el

señalado anteriormente. Los de concreto poroso, permitirán la entrada del agua a través

de sus paredes.

En las tuberías con juntas abiertas, el ancho oscilará entre 1 cm. y 2 cm. Los orificios de

las tuberías perforadas se dispondrán, preferentemente, en la mitad inferior de la

superficie del tubo y tendrán un diámetro entre 6 mm y 10 mm.

En la figura 4.2.2.1, se indica la disposición que deben satisfacer los orificios de

tuberías perforadas en la mitad inferior de la superficie del tubo.

Figura 4.2.2.1

Orificios en tuberia perfilada para drenaje subsuperficial

177


Los tubos de concreto poroso tendrán una superficie de absorción mínima del 20

% de la superficie total del tubo y una capacidad de absorción mínima de 50

litros/ minuto por decímetro cuadrado de superficie, bajo una carga hidrostática

de 1 Kg./cm2.

Condiciones mecánicas

Los tubos cerámicos o de concreto, plásticos, aceros corrugados tendrán una resistencia

mínima, medida en el ensayo de los tres puntos de carga, de 1000 Kg./m.

Cuando los tubos hayan de instalarse en la vertical de las cargas del tráfico, se situarán,

como mínimo, a las profundidades que se señalan en el cuadro siguiente.

CUADRO N° 4.12

Tipo de tubo Profundidad mínima

D = 15 cm. D = 30 cm.

Cerámica 50 90

Plástico 50 75

Concreto 50 75

Concreto armado 60

Acero corrugado(espesor 1.37

mm)

30 30

D = diámetro nominal del tubo

Condiciones hidráulicas

Normalmente, la capacidad hidráulica del dren queda limitada por la posibilidad de

filtración lateral del agua a través del material permeable hacia los tubos; la capacidad

hidráulica de estos, con los diámetros que se indican más adelante, normalmente resulta

superior a la necesaria para las exigencias del drenaje.

No obstante, si existe la posibilidad de conocer el caudal de desagüe, puede hacerse el

cálculo hidráulico correspondiente utilizando las fórmulas de Darcy y Manning para el

dimensionamiento del diámetro de la tubería.

Q = A v

v = K i

i = ∆Φ/∆L

Donde:

178


Q =

=

Caudal (m3/seg)

Sección transversal al flujo (m2)

v = Velocidad de flujo (m/seg)

K = Conductividad hidráulica del medio poroso

(m/seg)i = Gradiente hidráulico

∆Φ = Pérdida de carga o potencial (m)

∆L = Longitud o tramo (m)

Se utilizará la tabla de coeficientes de rugosidad que se incluye a continuación en el

cuadro.

CUADRO Nº 4.2.2.1.b

Tipo de tubo Coeficiente n de rugosidad

De concreto normal y cerámica

Condiciones buenas

Condiciones medias

0.013

0.015De concreto poroso

Condiciones buenas

Condiciones medias

0.017

0.021De plástico

Condiciones buenas

Condiciones medias

0.013

0.015De metal

Condiciones buenas

Condiciones medias

0.017

0.021

Diámetros y pendientes

Los diámetros de los tubos oscilarán entre 10 cm. y 30 cm. Los diámetros hasta 20 cm.

serán suficientes para longitudes inferiores a 120 m. Para longitudes mayores, se

aumentará la sección. Los diámetros menores, sin bajar de 10 cm., se utilizarán con

caudales y pendientes pequeños.

Las pendientes longitudinales no deben ser inferiores al 0.5% y habrá de justificarse

debidamente la necesidad de pendientes menores, que nunca serán inferiores al 0.2%.

179


En tales casos, la tubería se asentará sobre un solado de concreto que permita asegurar

la perfecta situación del tubo.

La velocidad del agua en las conducciones de drenaje estará comprendida entre 0.20 m/s

y 1.20 m/s.

RELLENO DE ZANJAS

Cuando el fondo de la zanja se encuentre en terreno impermeable, para evitar la

acumulación de agua bajo la tubería se preverá la colocación de una capa de material,

perfectamente apisonado, y que puede ser del mismo terreno, alrededor del tubo, sin que

alcance el nivel de las perforaciones, o se asentará sobre un solado. En caso de tuberías

con juntas abiertas, estas pueden cerrarse en su tercio inferior y dar a la capa

impermeable el espesor correspondiente.

Si el fondo de la zanja se encuentra en terreno permeable, no son necesarias las

anteriores precauciones.

La composición granulométrica del material permeable, material filtro, con el que se

rellene, la zanja del dren requiere una atención especial, pues de ella depende su buen

funcionamiento.

Si dn es el diámetro del elemento de suelo o filtro tal que n % de sus elementos en peso

son menores que dn deben cumplirse las siguientes condiciones:

a) Para impedir el movimiento de las partículas del suelo hacia el material filtrante.

d15 del filtro / d85 del suelo < 5


En el caso de terreno natural de granulometría uniforme, se sustituirá la primera

relación por:


b) Para que el agua alcance fácilmente el dren: d15 del filtro / d15 del suelo > 5

c) Para evitar el peligro de colmatación de los tubos por el material filtro.

180


En los tubos con perforaciones circulares:

d85 del filtro / diámetro del orificio del tubo > 1.0

En los tubos con juntas abiertas:

d85 del material filtro / ancho de la junta > 1.2

En los tubos de concreto poroso, se debe respetar la siguiente condición:

d85 del árido del dren poroso / d85 del filtro < 5

En caso de terrenos cohesivos, el límite superior para d15 del filtro se establecerá en

0.1 mm. Cuando sea preciso, deberán utilizarse en el proyecto dos o más materiales de

filtros. Ordenados estos desde el terreno natural a la tubería, deben satisfacer, cada uno

con respecto al contiguo, las condiciones exigidas anteriormente entre el material filtro

y el suelo a drenar. El último, que será el que rodea el tubo, deberá satisfacer, además,

las condiciones que se han indicado en relación con el ancho de las juntas o diámetro de

los orificios de dichos tubos.

Para impedir cambios en la composición granulométrica o segregaciones del material

filtro por movimiento de sus finos, debe utilizarse material de coeficiente de

uniformidad (d60/d10) inferior a 20, cuidadosamente compactado.

El dren subterráneo se proyectará cumpliendo las disposiciones que se detallan en la

figura 4.2.3a y 4.2.3b, según se encuentre en terreno permeable o impermeable y sean

necesarios uno o dos materiales filtro.

Como alternativa del procedimiento anterior, se podrá rellenar la zanja con material

granular (grava) envuelto con tela sintética (geotextil) cuyo diseño deberá

circunscribirse a lo establecido en las Especificaciones Técnicas Generales para

Construcción de Carreteras, recomendándose este tratamiento para el diseño de

subdrenes en suelos granulares.

181


Figura 4.2.3a

DRENAJE SUBTERRANEO

Figura 4.2.3b

SUBDREN DE AGUAS SUBTERRÁNEAS CON GEOTEXTIL

(Recomendado para drenar suelos de naturaleza granular)

182


CAJAS DE REGISTRO Y BUZONES

En los drenes longitudinales, se proyectarán, a intervalos regulares, cajas de registro o

buzones de registro que permitan controlar el buen funcionamiento del drenaje y sirvan

para evacuar el agua recogida por la tubería del dren, bien a un colector principal, bien a

una cuneta situada, por ejemplo, al pie de un terraplén, a una vaguada natural o a otros

dispositivos de desagüe.

Con independencia de lo anterior, deberán colocarse cajas de registro o buzones en

todos los cambios de alineación de la tubería de drenaje.

La distancia entre dos cajas o buzones consecutivos oscilará en general entre 80 m y

100 m y dependerá de la pendiente longitudinal del tubo y de su capacidad de

desagüe, de la disposición general del drenaje y de los elementos naturales

existentes.

Las figuras 4.2.4a y 4.2.4b son esquemas de cajas y buzones de registro que pueden

servir de orientación para el proyecto.

En el caso de salida libre de la tubería de desagüe de la caja de registro o el buzón a una

cuneta, etc. se cuidará que el nivel de la salida quede lo suficientemente alto y con las

protecciones necesarias para impedir su aterramiento, inundación, entrada de animales,

etc.

Figura 4.2.4a

Cajas de Registro

183


Figura 4.2.4b

BUZÓN DE REGISTRO

INVESTIGACIÓN DEL AGUA FREÁTICA

La presencia de un nivel freático elevado exigirá una investigación cuidadosa de sus

causas y naturaleza. Deberán practicarse los pozos y/o exploraciones que se consideren

precisos para fijar la posición del nivel freático y, si es posible, la naturaleza,

origen y movimientos del agua subterránea.

El reconocimiento se debe efectuar preferentemente al final del período de lluvias del

año en la zona en la que, en condiciones normales, alcanzará su máxima altura.

Los casos que pueden presentarse en la práctica y su tratamiento adecuado son

innumerables. Algunos de ellos se señalan en la figura 4.2.5

184


Figura 4.2.5

AGUA FREÁTICA

Drenes de Intercepción

Objeto y clasificación

Se proyectarán drenes de intersección para cortar corrientes subterráneas e impedir que

alcancen las inmediaciones de la carretera.

Se clasifican, por su posición, en longitudinales y transversales.

Drenes longitudinales

El dren de intersección deberá proyectarse cumpliendo las condiciones generales

expuestas anteriormente para los drenes enterrados.

EI fondo del tubo debe quedar, por lo menos, 15 cm. por debajo del plano superior de la

capa impermeable o relativamente impermeable, que sirve de lecho a la corriente

subterránea. En el caso de que esta capa sea roca, deben extremarse las

precauciones para evitar que parte de la filtración cruce el dren por debajo de la tubería.

El caudal a desaguar puede determinarse aforando la corriente subterránea. Para ello, se

agotará el agua que afluya a la zanja en que se situará el dren en una longitud y tiempo

determinados.

185


Para interceptar filtraciones laterales que procedan de uno de los lados de la carretera, se

dispondrá un solo dren longitudinal en el lado de la filtración. Sin embargo, en el fondo

de un valle o quebrada, donde el agua pueda proceder de ambos lados, deberán

disponerse dos drenes de intersección, uno a cada lado de la carretera. Las figuras

4.2.6.2a y 4.2.6.2b son ejemplo de drenes longitudinales en carreteras a media ladera y

en trinchera, respectivamente.

Drenes transversales

En carreteras en pendiente, los drenes longitudinales pueden no ser suficientes para

interceptar todo el agua de filtración.

En estos casos, deberá instalarse drenes interceptores transversales normales al eje de la

carretera o un drenaje en espina de pez.

La distancia entre drenes interceptores transversales será, por término medio, de 20 m á

25 m. El drenaje en espina de pez se proyectará de acuerdo con las siguientes

condiciones (figura 4.2.6.3a).

a) El eje de las espinas formará con el eje de la carretera un ángulo de 60º.

b) Las espinas estarán constituidas por una zanja situada bajo el nivel del plano

superior de la explanada.

c) Sus paredes serán inclinadas, con talud aproximado de 1/2, para repartir, al máximo,

el posible asiento diferencial.

d) Las zanjas se rellenarán de material filtro.

e) Las espinas llevarán una cuna de concreto de baja resistencia o arcilla unida al

solado del dren longitudinal.

f) Las espinas consecutivas se situarán a distancias variables que dependerán de la

naturaleza del suelo que compone la explanada. Dichas distancias estarán comprendidas

entre 6 m, para suelos muy arcillosos, y 28 m para suelos arenosos.

Con independencia de la pendiente longitudinal de la carretera, se recomienda utilizar

drenes en espina de pez al pasar de corte cerrado (trinchera) a terraplén, como

protección de éste contra las aguas infiltradas procedentes de la trinchera (corte cerrado)

(figura 4.2.6.3b).

186


Figura 4.2.6.3b

DRENES DE INTERCEPCIÓN TRANSVERSALES

Figura 4.2.6.2b

DRENES DE INTERCEPCIÓN LONGITUDINALES

187


Figura 4.2.6.3a

DRENES DE INTERCEPCIÓN TRANSVERSALES

Nota: las acotaciones en metros

DRENAJE DEL PAVIMENTO

Salvo en el caso de carreteras en terrenos permeables, el drenaje de la capa

permeable constituida por la sub-base y/o base, puede proyectarse tanto mediante drenes

enterrados como prolongando la capa permeable hasta los taludes de los terraplenes a

cunetas. Además, deben darse pendientes transversales mínimas a la subrasante.

En los sectores de la carretera en los que el pavimento se asienta sobre una subrasante

impermeable, debe evitarse que el agua de lluvia que se presenta por capilaridad o se

188


filtra a través del pavimento, se acumule bajo éste y forme una bolsa de agua que

origine su ruptura por el paso del tránsito.

Este problema es mayor cuando la cuneta se coloca a la altura del pavimento y

naturalmente tiene que ser revestida.

Las soluciones más recomendadas para evitar la acumulación del agua son:

a) Colocación en el sector, bajo el pavimento, una capa drenante que siga la

pendiente lateral de la carretera, que se prolonga hasta un lugar con drenaje natural.

b) Colocación de un subdren, bajo la berma adyacente a la cuneta, con una tubería

perforada de plástico pesada de 10 cm. de diámetro, aproximadamente a 0.70m de la

superficie del asfaltado, que recoja el agua que filtra y la lleve al lugar de drenaje

natural. Ver figura 4.2.7

Figura 4.2.7

DRENAJE DEL PAVIMENTO

CASOS ESPECIALES

a) Protección del suelo de la explanación contra el agua libre en terreno de elevado

nivel freático, llano y sin desagüe.

Cuando haya que construir una carretera en terreno llano y con elevado nivel freático,

se estudiará el abatimiento de la napa freática, pudiéndose utilizar alternativamente

métodos como zanjas laterales, drenes enterrados, etc. Si no existiera posibilidad de

evacuar el sistema de drenaje, se elevará el nivel de la rasante.

Para la elección del material del terraplén, se tendrá en cuenta que su humedad de

equilibrio debe disminuir rápidamente con la distancia al nivel freático y que el

189


terraplén se construirá sobre un terreno saturado de agua, sin capacidad para resistir

esfuerzos de compactación elevados.

La necesidad de proteger el terraplén mediante la colocación de membranas bituminosas

u hojas de plástico, tratando su superficie con sustancias hidrófobas, o utilizando

geotextiles, geomembranas o adoptando disposiciones análogas a la indicada en las

figuras 4.2.8.1a y 4.2.8.1b, dependerá de la naturaleza y estado del terreno y del

material disponible para la construcción del terraplén.

b) Protección del suelo de explanación situado bajo la calzada contra los movimientos

capilares del agua.

Las diferencias de humedad en el suelo bajo la calzada y bajo las bermas facilitan los

movimientos capilares y, al aumentar el contenido de humedad del suelo de la

subrasante bajo la calzada, disminuyen su capacidad resistente.

Para evitar esta disminución, las fisuraciones del suelo y los asientos diferenciales que

con dicho aumento de humedad pueden producirse, deben utilizarse alguna de las

siguientes técnicas:

Colocación de capas drenantes sobre la subrasante para romper el ascenso

capilar.

Impermeabilizar las calzadas y las bermas.

Establecer una membrana impermeable que impida el movimiento del agua

capilar, situándola en un plano más o menos vertical bajo las bordes de la

calzada.

Construir zanjas anti capilares bajo los bordes de la calzada.

Tanto la membrana impermeable coma las zanjas anti capilares deberán ejecutarse

hasta una profundidad de 1,20 m. baja la superficie de las bermas. Pueden utilizarse

como zanjas anti capilares las que se proyecten para el drenaje del pavimento,

cuidando de que el material filtro rompa la continuidad en fase líquida entre el agua

situada a un lado y otro de la misma.

c) Capa drenante

Cuando se eleva el terraplén de la carretera sobre un terreno saturado con agua para

evitar que por capilaridad el agua pueda subir a través del terraplén hasta la superficie

190


de rodadura, debe colocarse una capa de material drenante, constituida por gravas y/o

arenas.

La capa deberá estar sobre el nivel de referencia más alto de la napa freática del terreno

y servirá de anticontaminante a los efectos de romper la capilaridad y drenar la

plataforma lateralmente. Se recomienda un espesor mínimo de 0.30 m.

191


ANEXOS

192


FIGURA Nº 1SECCIÓN TRANSVERSAL DE CUNETAS

FIGURA Nº 2

193

ACERA

CUNETA TRIANGULAR

T = 1.00m

.10

.15

T

H

R = 1.80m

CUNETA SEGMENTAL

.10

.15

T = 1.00m

CUNETA TRIANGULAR

ACERAT

R = 1.20m

H

P.T

.

.10

.15

T = 0.60mACERA

CUNETA RECTANGULAR

CUNETA ASFÁLTICA

.10

.15

T = 0.65mACERA

CUNETA TRAPEZOIDAL

CUNETA DE CONCRETO

CUNETA DE CANTOS RODADOS

CUNETA DE GRAMA

Igual base a la Requerida para Pavimento de Concreto

15 cm

Piedras de 23 cm(mínimo)

7.5 cm de Lecho de Grava (mínimo)

10 cm de Greda (mínimo)

5 cm de Grama (mínimo)

CUNETA

SEGMENTAL

ASFÁLTICA

Pendiente del Talud

2:1

12:1 & 2:1

H (cm)

16.5

12.5

T (m)

1.50

2.10


ECUACION DE MANNING EN LA DETERMINACIÓN DE CAUDALES EN CUNETAS TRIANGULARES

FIGURA Nº 3

194

Y

T = ZY

1

Z

ACERA

SECCIÓN : TRIÁNGULO RECTÁNGULO

SECCIÓN : TRIÁNGULO EN V

SECCIÓN : COMPUESTA

Y

T = Y(Za + Zb)ACERA

1

Zb

1

Za

ACERA

1

Zb

Za

1

T = YZb + X(Za - Zb)

Y

XZa

X

Q=315Z

nS Y

Z

1+ 1+Z

12

83

23

2

Si Za = Zb = Z

Q=630Z

nS Y

Z

1+Z

12

83

23

2

Q=1000Zm

nS Y

Zm

1+Za

12

83

23

2

Si Za = ZbZa+Zb

Zm=2

1+Zb2

+

P=Y+X 1+Za

12

+X

ZaY- 1+Zb

2

Q=315nS

12

53

2XY-X

Za

2

+ZbX

ZaY-

2

P

23

Q=Caudal en litros/segn=Coeficiente de rugosidad de ManningS=Pendiente Longitudinal del Canal

Z=Valor recíproco de la Pendiente Transversal (1:Z)Y=Tirante de agua en metrosT=Ancho Superficial en metrosP=Perímetro mojado en metros


TIPOS DE SUMIDERO

FIGURA Nº 4PLANO DE INGRESO EN EL SUMIDERO DE SOLERA

195

Sin Depresión

AceraSumideros de acera

Con Depresión

Acera

Con Deflector

SUMIDERO LATERAL DE SARDINEL O SOLERA

Sin Depresión

AceraSumideros de cuneta

Con Depresión

Acera

Con Depresión

Acera

SUMIDERO DE FONDO

SUMIDERO DE MIXTO O COMBINADO

Sumidero múltiple de cuneta y acera

Sin Depresión

Acera

Sumideros combinadosde acera y cuneta

UBICACIÓN DE LOSSUMIDEROS EN

INTERSECCIÓN DELAS CALLES

Acera

Calle

Alcantarilla PluvialCruce Peatonal

Sumidero

Sumidero

2

1

3

Un par de sumiderosprotege el cruce peatonal

Planta


Tabla 1 aCoeficientes de escorrentía para ser utilizados en el Método Racional

CARACTERISTICAS DE LA SUPERFICIE

PERIODO DE RETORNO (AÑOS)

2 5 10 25 50 100 500

196

T

ST

d

SECCIÓN B - B

SECCIÓN A - A

PLANTA

ST

w

H

(W12 = ) a

W sardinel

FLUJ O DE LA CUNETA, Q

St (PENDIENTE TRANSVERSAL)

Sl (PENDIENTE LONGITUDINAL)LADO DE LA CALLE

FLUJ O REMANENTE

Q - Qi

TANCHO DE LA

EXTENSIÓN

w w Li

(LONGITUD DE ABERTURA)

Qi (FLUJ O INTERCEPTADO)

A

A

B

B


AREAS URBANAS

AsfaltoConcreto/Techos

0.730.75

0.770.80

0.810.83

0.860.88

0.90.92

0.950.97

1.001.00

Zonas verdes (jardines, parques, etc)Condición pobre (cubierta de pasto menor del 50% del área)

Plano 0 - 2%Promedio 2 – 7%Pendiente superior a 7%

0.320.370.40

0.340.400.43

0.370.430.45

0.400.460.49

0.440.490.52

0.470.530.55

0.580.610.62

Condición promedio (cubierta de pasto menor del 50 al 75% del área)


0.250.330.37

0.280.360.40

0.300.380.42

0.340.420.46

0.370.450.49

0.410.490.53

0.530.580.60

Condición buena (cubierta de pasto mayor del 75% del área)


0.210.290.34

0.230.320.37

0.250.350.40

0.290.390.44

0.320.420.47

0.360.460.51

0.490.560.58

AREAS NO DESARROLLADAS

Area de Cultivos


0.310.350.39

0.340.380.42

0.360.410.44

0.400.440.48

0.430.480.51

0.470.510.54

0.570.600.61

Pastizales


0.250.330.37

0.280.360.40

0.300.380.42

0.340.420.46

0.370.450.49

0.410.490.53

0.530.580.60

Bosques


0.220.310.35

0.250.340.39

0.280.360.41

0.310.400.45

0.350.430.48

0.390.470.52

0.480.560.58

Tabla 1 bCoeficientes de escorrentía promedio para áreas urbanas

Para 5 y 10 años de Periodo de Retorno

Características de la superficie Coeficiente de Escorrentía

197


CallesPavimento AsfálticoPavimento de ConcretoPavimento de Adoquines

VeredasTechos y AzoteasCésped, suelo arenoso

Plano ( 0 - 2% ) PendientePromedio ( 2 – 7%) PendientePronunciado (7%) Pendiente

Césped, suelo arcillosoPlano ( 0 - 2% ) PendientePromedio ( 2 – 7%) PendientePronunciado (7%) Pendiente

Praderas

0.70 a 0.950.80 a 0.950.70 a 0.850.70 a 0.850.75 a 0.95

0.05 a 0.100.10 a 0.150.15 a 0.20

0.13 a 0.170.18 a 0.220.25 a 0.35

0.20

Tabla 1 cCoeficientes de Escorrentía en áreas no desarrolladas en función del tipo de

suelo

Topografía y VegetaciónTipo de Suelo

Tierra Arenosa Limo arcilloso Arcilla Pesada

BosquesPlano 0.10 0.30 0.40Ondulado 0.25 0.35 0.50Pronunciado 0.30 0.50 0.60

PraderaPlano 0.10 0.30 0.40Ondulado 0.16 0.36 0.55Pronunciado 0.22 0.42 0.60

Terrenos de CultivoPlano 0.30 0.50 0.60ndulado 0.40 0.60 0.70Pronunciado 0.52 0.72 0.82

Nota:Plano ( 0 - 5% ) PendienteOndulado ( 5 - 10% ) PendientePronunciado > 10% Pendiente

TABLA 2 bResumen de las Ecuaciones de Tiempo de Concentración

METODO Y FECHA

FORMULA PARA tC(min) OBSERVACIONES

Kirpich (1940) Desarrollada a partir de información del SCS en siete

198


t c=0.01947⋅L0.77⋅S−0 .385

L = longitud del canal desde aguas arriba hasta la salida, m.S = pendiente promedio de la cuenca, m/m

cuencas rurales de Tennessee con canales bien definidos y pendientes empinadas (3 a 10%); para flujo superficial en superficies de concreto o asfalto se debe multiplicar tc por 0.4; para canales de concreto se debe multiplicar por 0.2; no se debe hacer ningún ajuste para flujo superficial en suelo descubierto o para flujo en cunetas.

CaliforniaCulvertsPractice(1942)

t c=0.0195⋅( L3

H )0 . 385

L= longitud del curso de agua más largo, mH= diferencia de nivel entre la divisoria de aguas y la salida, m.

Esencialmente es la ecuación de Kirpich; desarrollada para pequeñas cuencas montañosas en California.

Izzard(1946)

t c=525⋅(0 . 0000276⋅i+c )⋅L0 .33

S0 .333⋅i0. 667

i = intensidad de lluvia, mm/hc= coeficiente de retardoL = longitud de la trayectoria de flujo, m.S= pendiente de la trayectoria de flujo, m/m.

Desarrollada experimentalmente en laboratorio por el Bureau of Public Roads para flujo superficial en caminos y áreas de céspedes; los valores del coeficiente de retardo varían desde 0.0070 para pavimentos muy lisos hasta 0.012 para pavimentos de concreto y 0.06 para superficies densamente cubiertas de pasto; la solución requiere de procesos iterativos; el producto de i por L debe ser 3800.

Federal Aviation Administration (1970)

t c=0.7035⋅(1.1−C )⋅L0 .50

S0.333

C= Coeficiente de escorrentía del método racionalL= longitud del flujo superficial, m.S= pendiente de la superficie, m/m

Desarrollada de información sobre el drenaje de aeropuertos recopilada por el Corps of Engineers; el método tiene como finalidad el ser usado en problemas de drenaje de aeropuertos, pero ha sido frecuentemente usado para flujo superficial en cuencas urbanas.

Ecuaciones de onda cinemáticaMorgali y Linsley (1965)Aron y Erborge (1973)

t c=7⋅L0. 6⋅n0 .6

i0. 4⋅S0 . 3

L= longitud del flujo superficial, m.n= coeficiente de rugosidad de Manning.I = intensidad de lluvia, mm/hS = pendiente promedio del terreno m/m.

Ecuación para flujo superficial desarrollada a partir de análisis de onda cinemática de la escorrentía superficial desde superficies desarrolladas; el método requiere iteraciones debido a que tanto i (intensidad de lluvia) como tc son desconocidos; la superposición de una curva de intensidad- duración - frecuencia da una solución gráfica directa para tc.

Ecuación de retardo SCS (1973)

t c=0 . 0136⋅L0 . 8⋅(1000

CN−9)

0. 7

S0 .5

L= longitud hidráulica de la cuenca (mayor trayectoria de flujo), m.CN = Número de curva SCSS= pendiente promedio de la cuenca, m/m.

Ecuación desarrollada por el SCS a partir de información de cuencas de uso agrícola; ha sido adaptada a pequeñas cuencas urbanas con áreas inferiores a 800 Ha; se ha encontrado que generalmente es buena cuando el área se encuentra completamente pavimentada; para áreas mixtas tiene tendencia a la sobreestimación; se aplican factores de ajuste para corregir efectos de mejoras en canales e impermeabilización de superficies; la ecuación supone que tc = 1.67 x retardo de la cuenca.

199


Referencia Bibliográfica

1. Arturo Rosell C., "IRRIGACION", LIMA-PERU, 19982. Berlijn Hohan, “Riego y Drenaje”, Editorial Trillas (1985).3. Escuela de Ingenieros de Caminos, Canales y puertos, “AIPORT DRAINAGE”,

España 1982.4. Helweg Otto J, " RECURSOS HIDRAULICOS, Planeamiento y Administración",

Editorial Limusa, México, 19925. Linsley-Franzini, "RECURSOS HIDRAULICOS", Editorial Mc. Graw-Hill, 1981.6. López Coalla R, "DISEÑO DE ACUEDUCTOS Y ALCANTARILLADOS",

Editorial Alfa ommega S.A, México, 1999.7. Ministerio de vivienda y Construcción R.N.E, “Norma de Drenaje Pluvial Urbano

OS-060”, Perú, 20068. Pacheco J.,Alonso N.,Pujol P., “RIEGO Y DRENAJE”, Editorial Pueblo y

Educación, La Habana Cuba,1995.9. Rojas Rubio H, “MANUAL DEL CURSO DE IRRIGACIÓN”, Portal web de la

UNS, enlace en sala de docentes. Edición 2007.10. U.S. Bureau of Reclamation, "DISEÑO DE PRESAS PEQUEÑAS" , Editorial

CECSA, 1985.11. U.S. Bureau of Reclamation, “DESIGN OF SMALL DAMS STRUCTURES FOR

IRRIGATION”, USA, 1982.

200

manual del curso de irrigacion- nuevo

Documents

reglamento nacional

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curso de irrigacin

presente manual

normas de drenaje

diseo de canales