UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL SIMÓN RODRIGUEZ”
UNESR NÚCLEO SAN CARLOS SAN CARLOS ESTADO COJEDES
FACILITADOR Prof. Julio César Camejo R.
PARTICIPANTES Mendoza Génesis 20.731.230 Parra Darwin 20.731.232 Martínez Fraykenis 20.487.216 Guerra Dayana 20.042.665 Yépez Yenni 18.436.920 Pinto María V. 21.135.391
SAN CARLOS, SEPTIEMBRE DE 2012 1
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN 1.- EL AGUA EN EL SUELO 2.- LA TÉCNICA DEL DRENAJE 2.1.- DEFINICIÓN DE DRENAJE 2.2.- FACTORES INFLUYENTES EN EL DRENAJE 3.- TIPOS O MÉTODOS DE DRENAJE 3.1. COMPONENTES DE UN SISTEMA DE DRENAJE SUBSUPERFICIAL 3.2. COMPONENTES DEL SISTEMA DE DRENAJE SUPERFICIAL 4.- ORIGEN DE LOS EXCEDENTES DE AGUA 4.1. FACTORES QUE CONTRIBUYEN AL EXCEDENTE DE AGUA EN EL SUELO 4.1.1. Textura del suelo 4.1.2. Estructura del suelo 4.1.3. Permeabilidad 4.1.4. Topografía 4.1.5. Formación geológica 4.1.6. Compactación 4.1.7. Precipitación 5.- BASES PARA DEFINIR EL MÉTODO DE DRENAJE 6.- IMPORTANCIA DEL DRENAJE 7.- CONSECUENCIAS DEL MAL DRENAJE 8.- SISTEMAS DE DRENAJE 8.1. CLASIFICACIÓN POR UBICACIÓN Y OBJETIVO 8.2. CLASIFICACIÓN POR POSICIÓN 9.- RECONOCIMIENTO Y DIAGNÓSTICO DE PROBLEMAS DE DRENAJE 9.1. RECONOCIMIENTO 9.1.1. Recopilación de Antecedentes 9.1.2. Reconocimiento de Campo 9.2. DIAGNÓSTICO 10.- CAUSAS DEL PROBLEMA 11.- DISEÑO DE UNA RED DE DRENAJE 11.1. ZANJAS COLECTORAS 11.1.1. Trazado de la red de zanjas colectoras 2
Pág. 5 7 8 8 12 13 15 16 17 17 17 18 18 18 18 18 19 19 20 21 23 24 24 25 25 26 26 26 27 29 29 29
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN 1.- EL AGUA EN EL SUELO 2.- LA TÉCNICA DEL DRENAJE 2.1.- DEFINICIÓN DE DRENAJE 2.2.- FACTORES INFLUYENTES EN EL DRENAJE 3.- TIPOS O MÉTODOS DE DRENAJE 3.1. COMPONENTES DE UN SISTEMA DE DRENAJE SUBSUPERFICIAL 3.2. COMPONENTES DEL SISTEMA DE DRENAJE SUPERFICIAL 4.- ORIGEN DE LOS EXCEDENTES DE AGUA 4.1. FACTORES QUE CONTRIBUYEN AL EXCEDENTE DE AGUA EN EL SUELO 4.1.1. Textura del suelo 4.1.2. Estructura del suelo 4.1.3. Permeabilidad 4.1.4. Topografía 4.1.5. Formación geológica 4.1.6. Compactación 4.1.7. Precipitación 5.- BASES PARA DEFINIR EL MÉTODO DE DRENAJE 6.- IMPORTANCIA DEL DRENAJE 7.- CONSECUENCIAS DEL MAL DRENAJE 8.- SISTEMAS DE DRENAJE 8.1. CLASIFICACIÓN POR UBICACIÓN Y OBJETIVO 8.2. CLASIFICACIÓN POR POSICIÓN 9.- RECONOCIMIENTO Y DIAGNÓSTICO DE PROBLEMAS DE DRENAJE 9.1. RECONOCIMIENTO 9.1.1. Recopilación de Antecedentes 9.1.2. Reconocimiento de Campo 9.2. DIAGNÓSTICO 10.- CAUSAS DEL PROBLEMA 11.- DISEÑO DE UNA RED DE DRENAJE 11.1. ZANJAS COLECTORAS 11.1.1. Trazado de la red de zanjas colectoras 2
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11.1.2. Dimensionamiento de la zanja 11.1.3. Ejemplo de cálculo de las dimensiones de una zanja
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11.1.4. Etapas de construcción de zanjas 11.1.5. Roce, Despeje y Limpieza de Faja 11.1.6. Excavación de la zanja 11.1.7. Retiro del material 11.1.8. Cercado de zanjas 11.2. DRENES DE TUBERÍA 11.2.1. Materiales de tuberías 11.2.2. Diámetro de tuberías 11.2.3. Envolventes 11.2.4. Instalación de drenes de tubería 11.2.5. Estructuras auxiliares 11.2.6. Estructuras de salida 11.2.7. Estructuras de conexión 11.2.8. Cámaras de inspección 11.2.9. Cámaras de filtración 11.3. DRENES EN V 11.4. DRENES INTERCEPTORES 11.5. DRENES TOPO 11.5.1. Definición 11.5.2. Implemento usado para la construcción de drenes topo 11.5.3. Arado topo sin barra de tiro, de acople al sistema hidráulico de tres puntos del tractor 11.5.4. Arado topo con barra de tiro 11.5.5. Construcción de drenes topo 11.5.6. Alternativas de descarga del dren topo a colectores. 12. INTERVENCION DE CAUCES NATURALES 12.1. CONTROL DE INUNDACIONES 12.1.1. Diques 12.1.2. Muros de contención 12.2. LIMPIEZA DE CAUCES NATURALES 12.3. AMPLIACIÓN DE CAUCES NATURALES 13.- MANTENCION DE OBRAS DE DRENAJE 13.1. MANTENCIÓN DE ZANJAS 13.1.1. Extracción de sedimentos 13.1.2. Corte de vegetación de berma, talud y sello de la zanja 13.1.3. Reparación de cercos
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colectora
3
58 59 62 63 63 64 64 66 66 67 68 69 69 69
13.1.4. Inspección y limpieza de alcantarillas 13.2. MANTENCIÓN DE DRENES DE TUBERÍA 13.2.1. Remoción de sedimentos del interior de las tuberías 13.2.2. Inspección, limpieza y reparación de estructuras 13.3. MANTENCIÓN DE CAUCES NATURALES 13.3.1. Limpieza de sedimentos y restos de materiales y árboles acumulados en la sección del cauce 13.3.2. Control de vegetación en las riberas CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA
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70 71 71 72 73 73 74 75 77
INTRODUCCIÓN El agua es fundamental en el aspecto biológico de la planta, pero no hay que olvidar su importancia como vehículo de las demás sustancias nutritivas que contiene el suelo, interviniendo, además, en las reacciones químicas que se producen en la hoja. Existe, además, otro aspecto del agua en la vida de las plantas, cuya importancia es esencial para el desarrollo de las mismas, y que es el papel regulador en los fenómenos químicos y microbiológicos que se producen en el suelo. Durante el desarrollo del ciclo agrohidrológico el comportamiento del agua en el suelo no es estático; cuando el agua de riego o lluvia entra en contacto con el terreno se verifica en primer lugar su precolación desde los estratos superiores hacia los inferiores; en esta fase, los macroporos y microporos del suelo se llenan de agua siendo expulsado el aire. En fase posterior, los macroporos de aquellos estratos que ya han sido atravesados por el agua se llenan nuevamente de aire, mientras que los microporos quedan todavía saturados de humedad. Después de un cierto tiempo, bajo la fuerza de absorción de las raíces de las plantas, esta humedad se reduce gradualmente dejando que el aire llene de nuevo, en todo o en parte, los espacios vacíos de los microporos. Como consecuencia del fenómeno descrito, los procesos aerobios y anaerobios se alternan continuamente en el terreno, asegurando a las plantas un continuo aprovechamiento de elementos nutritivos asimilables. Cuando la humedad del terreno se agota, la microflora aerobia favorece la rápida oxidación de los componentes orgánicos y minerales del suelo, pero por carencia de agua estos elementos no pueden ser absorbidos por la planta. Por el contrario, si el agua ocupa los poros del terreno durante un tiempo prolongado, la circulación del aire no existe, con el consiguiente fenómeno de asfixia de las raíces y fermentación anaerobia. El conocimiento hidrológico del terreno y de
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la distribución de la humedad en el suelo constituye un factor determinante para el logro de las mejores producciones tanto en cultivos de secano como de regadío. El drenaje agrícola es la práctica que se requiere para mejorar un suelo cuando éste se encuentra bajo condiciones de exceso de agua y/o de sales. El drenaje se hace obligado en zonas de riego donde la agricultura es intensiva y el exceso de agua provoca la elevación de mantos freáticos, algunas veces por la saturación natural del suelo y otras por la inducción de ésta a través de prácticas deficientes de riego, manejo inadecuado del suelo, aplicación de agua de riego con baja calidad y algunas veces por la mezcla de todas ellas provocando un fuerte problema a las áreas de cultivo. El mal drenaje de los suelos, tanto externo como interno, ha sido un aspecto al que históricamente no se le ha dado la importancia merecida. Por un lado, la actitud normal de los agricultores ha sido evitar utilizar aquellos suelos con problemas de drenaje, o usar cultivos de corto período de desarrollo que crezcan durante la temporada en que el problema no es evidente. Asimismo, la acción estatal de fomento a la investigación, transferencia tecnológica y construcción de obras de drenaje es aún escasa, y no guarda relación con la envergadura e importancia del problema. Ningún país puede darse el lujo de permitir que más de un 30% de su superficie agropecuaria se encuentre limitada en su producción. El impacto en su economía es de una magnitud tal que puede representar un verdadero freno a su desarrollo.
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1.- EL AGUA EN EL SUELO El balance hídrico fundamental indica que las precipitaciones se convierten en aportaciones (escorrentía) y evapotranspiración. Analizando con más detalle el balance, nos encontramos con que las principales etapas que recorre el agua en el mismo son las siguientes: Precipitación. Evaporación. Transpiración. Humedad del suelo en la zona no saturada. Escorrentía superficial. Flujo a través de la zona no saturada; precolación y elevación capilar. Flujo del agua freática: drenaje y filtraciones.
Según Ávila, L.F. (2000): Para estudiar la vida vegetal, interesa fundamentalmente conocer el comportamiento del agua en el suelo dentro de estas etapas. El nivel freático, separa la zona saturada de agua del suelo de la zona no saturada de agua. Por encima del nivel freático existe una franja capilar casi saturada, en la que el agua está en contacto con el nivel freático y sostenido por elevación natural. El agua que está debajo del nivel freático recibe el nombre de agua freática y se define como la masa de agua que existe en un suelo en el que todos los poros están saturados de agua (p. 33). Para conocer las posiciones del agua en un determinado suelo se realizan sondeos en el mismo. El agua fluye dentro de estos sondeos hasta que se alcanza un nivel de equilibrio, en el que la presión del agua es igual a la presión atmosférica, y precisamente este nivel es el que hemos llamado nivel freático. Para observar las variaciones de la capa freática a lo largo de un cierto período de tiempo se utilizan los piezómetros, que son pozos de observación que alcanzan el nivel más bajo que se espera en el período, y que se revisten con tubos perforados. 7
Las posiciones límite de la capa freática en un suelo se pueden detectar también por otras características. Por debajo del nivel mínimo de la capa freática, no hay oxidación, esto se traduce en que los suelos arcillosos presentan tonos azulados y las turbas tonos pardos claros. En las zonas de oscilación de la capa freática, donde alternan los fenómenos de oxidación y reducción, son frecuentes las manchas negruzcas de manganeso. Según el autor anterior (Ávila, L.F., óp. cit., 2000): En la zona no saturada, el agua está sometida a la acción del potencial mátrico del suelo, que es una presión negativa (succión), resultante de la combinación de las fuerzas capilares con las fuerzas de absorción de las partículas del suelo. Por lo tanto la presión del agua en cualquier punto de la zona no saturada es menor que la presión atmosférica, lo cual significa que se requiere una succión para poder extraer agua de dicha zona no saturada (p. 36).
2.- LA TÉCNICA DEL DRENAJE 2.1.- DEFINICIÓN DE DRENAJE El drenaje consiste en eliminar el excedente de agua de riego o lluvia. La eliminación del agua en el drenaje se lleva a cabo aprovechando la circunstancia de que por debajo de la capa freática, la presión del agua es superior a la atmosférica; basta por lo tanto con situar conducciones en régimen libre a una cota conveniente para que el agua fluya a ellas. Las conducciones pueden ser zanjas o tuberías perforadas enterradas. Según Ortega, C.L. (1996): El suelo está constituido por una fase sólida, líquida y gaseosa. Para que las semillas germinen, las plantas crezcan, se desarrollen adecuadamente y produzcan altos rendimientos, es necesario que en el suelo coexistan equilibradamente las tres fases: la fase sólida, representada por las partículas de suelo; la fase líquida, representada por el agua; y la fase gaseosa, representada por el aire (p. 65).
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Como se indica en la Figura 1, bajo condiciones de mal drenaje o de exceso de agua, el aire presente en el suelo es removido y el espacio libre es ocupado por el agua. En tales circunstancias, las plantas son afectadas en sus procesos esenciales, debido a que el oxígeno es indispensable para la respiración de las raíces. Figura 1. Fases existentes en un suelo no saturado y saturado
Fuente: Ortega, C.L. (1996). Indica el autor (Ortega, C.L., 1996, 67), las características principales del movimiento del agua son las siguientes: - La capa freática no es una superficie plana, sino que tiene una cierta curvatura, que es más pronunciada a medida que el terreno es más impermeable. Por lo tanto, un drenaje no consigue nunca que la capa freática esté a la misma profundidad respecto al terreno. - La afluencia del agua a los drenes proviene de toda la zona situada bajo la capa freática. - Cuando el terreno está compuesto de estratos de distinta permeabilidad, las líneas de flujo reflejan estas variaciones.
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En base a lo anterior, Luthin, J.N. (2003), establece que: El drenaje es una tecnología que tiene como objetivo fundamental, disminuir el exceso de agua acumulada, tanto en la superficie como en el interior del suelo, con el fin de mantener las condiciones óptimas de aireación y actividad biológica indispensables para los procesos fisiológicos de crecimiento y desarrollo radicular, como se muestra en la Figura 2 (p. 59). Figura 2. Diferencia de crecimiento radicular y vigor de la planta bajo condiciones de mal y buen drenaje
Fuente: Fuente: Luthin, J.N. (2003). Drenaje de tierras agrícolas. El principal problema con que se enfrenta el proyectista de un drenaje es la determinación de la profundidad media óptima de la capa freática. El problema podría resolverse mediante tanteos sucesivos que comparan las inversiones y gastos de mantenimiento necesarios para la red de drenaje a diversas profundidades con las producciones agrícolas obtenidas en función de la situación de la capa freática. Este camino sería demasiado largo y no muy exacto. Está generalmente admitido que la
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determinación de la profundidad media de la capa freática se lleve a cabo por criterios empíricos, y el más aceptado es el siguiente: - Para una zona de regadío, la profundidad de la capa freática a los tres días después de regar debe ser la que sigue: Cuadro 1. Profundidad de la capa freática a los tres días después de regar
Pastos
0.5-0.7 m
Hortalizas
0.5-0.8 m
Cultivos Extensivos
0.9-1.2 m
Frutales
1.50 m
Fuente: Grassi, C.J., 1975. Manual de Drenaje Agrícola. Asimismo, se admite que como consecuencia de las lluvias la capa freática puede alcanzar hasta 5 veces al año los siguientes valores: Cuadro 2. Valores de la Capa Freática
Días después de la
Pastos y Hortalizas
Cultivos
lluvia
Frutales
Extensivos
0
0.3
0.5
0.9
1
0.5
0.8
1.1
2
0.7
1.0
1.3
3
0.8
1.1
1.4
Fuente: Grassi, C.J., 1975. Manual de Drenaje Agrícola.
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La aplicación de estos dos criterios conduce a resultados muy aceptables en la práctica y pueden utilizarse por lo tanto para deducir los caudales en una red de drenaje.
2.2.- FACTORES INFLUYENTES EN EL DRENAJE Para Grassi, C.J. (1975, 97), los factores que condicionan una red de drenaje son prácticamente los mismos que los que influían en la transformación en regadío, aun cuando su campo de influencia sea distinto: - El suelo. La influencia del suelo es decisiva en el proyecto de una red de drenaje, sobre todo desde el punto de vista de la permeabilidad. Influye también mucho la estratificación del suelo, ya que como se ha visto, el flujo del agua hacia el dren se ve modificado por la distinta permeabilidad de los diversos estratos. La topografía influye, asimismo, en las cantidades de agua infiltradas después de las lluvias y sobre todo define las aportaciones de agua que se producen a la red de drenaje desde los terrenos colindantes a la zona a drenar. - El agua. La influencia del agua en una red de drenaje es mucho menos importante que en una red de riegos. Únicamente se pueden producir problemas en los tubos enterrados como consecuencia de depósitos químicos debidos a veces a la calidad del agua, aunque en la mayor parte de los casos es el suelo el responsable de estos problemas. - El clima. Dado que las lluvias condicionan en una gran parte el dimensionamiento de una red de drenaje, es esencial conocer a fondo la pluviometría de la zona a drenar, a ser posible, con datos de intensidades máximas, horarias y diarias. - Los cultivos. La influencia de los cultivos consiste en la profundidad necesaria de la capa freática que requiere cada uno de ellos, aunque no es frecuente realizar un drenaje para un cultivo determinado, sino más bien, al contrario. Es decir, 12
una vez proyectada una red de drenaje, la profundidad de la capa freática resultante determinará los cultivos aptos en la zona. - La estructura de la propiedad. La influencia de este factor es bastante reducida, aunque en general debe tenderse siempre a que los colectores discurran por las laderas entre fincas. Naturalmente, esto no es siempre posible, ya que la topografía del terreno influye enormemente.
3.- TIPOS O MÉTODOS DE DRENAJE Según Grassi, C.J. (1975): Los dos tipos de drenaje se diferencian en el sitio de donde es removida el agua: cuando el exceso de agua es removido de la porción superficial del suelo, el drenaje se denomina Superficial, mientras que cuando el exceso de agua es removido del perfil del suelo, se denomina Subsuperficial. El objetivo general del drenaje es de garantizar una zona radical aireada (p. 99). En el caso del drenaje subsuperficial, el problema se produce por un exceso de agua en el interior del suelo, debido a la presencia de una napa freática, permanente o fluctuante, a una profundidad tal que restringe el desarrollo radicular. Se llama "napa freática", a la superficie de agua presente en el suelo, la cual marca el límite entre el suelo saturado y el suelo no saturado. Generalmente, la napa freática se ubica sobre una estrata impermeable, la cual impide el movimiento vertical del agua, produciendo la condición de suelo saturado. En la Figura 3, se presenta un diagrama generalizado de un sistema de drenaje subsuperficial. En cambio, por drenaje superficial se entiende la remoción de los excesos de agua acumulados sobre la superficie del terreno, a causa de lluvias muy intensas y frecuentes, topografía muy plana e irregular y suelos poco permeables (Rojas, 1984). La necesidad del drenaje superficial se justifica en zonas donde los factores climáticos, las condiciones hidrológicas, las características de los suelos, la topografía y la utilización de la tierra, dan lugar a que el agua permanezca inundando la 13
superficie del suelo, durante un tiempo superior al que los cultivos pueden soportar sin manifestar serios efectos sobre los rendimiento y/o sobrevivencia. En la Figura 4 se presenta un modelo hidrológico del drenaje superficial. En este modelo se considera un área independiente sin aportes externos y en tal caso las “entradas” se reducen sólo a la precipitación sobre el área, la cual es
afectada por el sistema suelo-cobertura que regula las “salidas” que son la evapotranspiración, infiltración y escorrentía. Conociendo el comportamiento de la precipitación, la variación de la evaporación e infiltración y el efecto regulador del sistema suelo-cobertura, puede determinarse la escorrentía, la cual constituye la información básica para el cálculo de la red de drenaje. Figura 3. Diagrama generalizado del drenaje subsuperficial.
Fuente: Fuente: Luthin, J.N. (2003). Drenaje de tierras agrícolas.
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Figura 4. Modelo hidrológico simplificado del drenaje superficial.
EVAPOTRANSPIRACION
PRECIPITACION
SISTEMA
ESCORRENTIA
Y/O FILTRACIONES
SUELO - COBERTURA
INFILTRACION
Fuente: Fuente: Luthin, J.N. (2003). Drenaje de tierras agrícolas.
3.1. COMPONENTES DE UN SISTEMA DE DRENAJE SUBSUPERFICIAL Un sistema de drenes subsuperficiales tiene como objetivo fundamental el control de la profundidad de la napa freática, de forma tal que el balance de aguas y sales dentro de la zona radicular sea el óptimo para los requerimientos del cultivo en una condición de suelos y clima específico. Para lograr este objetivo, un sistema de drenes subsuperficiales consta fundamentalmente de tres tipos de drenes: laterales, colectores y dren principal. Los drenes laterales generalmente se disponen paralelos unos a otros y tienen como misión principal el control de la profundidad de la napa. Los drenes colectores, aunque eventualmente también drenan el terreno adyacente, su misión fundamental es transportar el agua extraída por los laterales hasta el dren principal donde se produce
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la descarga del sistema. El dren principal, que puede ser artificial o natural (río, estero, otro.), es el que en definitiva recoge los excedentes provenientes de varios sistemas. La relación entre laterales y colectores puede ser simple o compuesta. Se entiende por una red simple cuando laterales de tubo descargan en colectores zanja. Se entiende por una red compuesta cuando laterales de tubo o zanja descargan en colectores de tubo o zanja, respectivamente. La primera forma de diseño (tubo-zanja) es utilizada frecuentemente por las ventajas que tiene para el mantenimiento de la red.
3.2. COMPONENTES DEL SISTEMA DE DRENAJE SUPERFICIAL Un sistema de drenaje superficial tiene dos componentes: el primero es la red colectora y el segundo consiste en diversas prácticas de acondicionamiento superficial del terreno, con tal de facilitar el flujo del exceso de agua hacia los colectores. El primer componente, la red colectora, consistente en zanjas y tuberías, ha sido el más estudiado hasta ahora y en la actualidad existen métodos suficientemente aceptables para realizar el diseño, cálculo y cubicación respectiva. El segundo componente es más complicado puesto que depende del microrrelieve del terreno y hasta ahora no existe un método suficientemente probado para permitir un diseño racional. En algunos casos, este último aspecto se resuelve utilizando métodos de acondicionamiento superficial, que modifican la topografía y el microrrelieve del terreno, a fin de proporcionar pendientes que permitan una rápida evacuación de las aguas. Para este mismo fin, también pueden utilizarse los drenes topo, que cumplen el objetivo de recolectar y conducir el agua de saturación hacia los colectores.
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4.- ORIGEN DE LOS EXCEDENTES DE AGUA El exceso de agua en un suelo puede deberse a diversos factores como: 1. Precipitación Excesiva. 2. Agua de Riego. 3. Filtraciones subterráneas de áreas adyacentes (por ejemplo, Embalses Adyacentes). 4. Ascenso Capilar. 5. Desbordamientos por canales o cauces naturales (sobre zonas bajas). 6. Aplicación de Agua con fines especiales (como el lavado de sales y control de temperatura).
4.1. FACTORES QUE CONTRIBUYEN AL EXCEDENTE DE AGUA EN EL SUELO Entre los factores que contribuyen al exceso de agua en el suelo están: textura del suelo, estructura del suelo, permeabilidad del suelo, la topografía, la formación geológica, la compactación y la precipitación.
4.1.1. Textura del suelo La composición de arenas, limos y arcillas en las partículas solidas minerales en el suelo se denomina textura. Para una textura arcillosa, por ejemplo, el contenido de mineral podría consistir en un 40% de arcilla, 30% de limos y un 30% de arenas. La textura del suelo puede tener un efecto importante en que tan bien el suelo retiene el agua, y que tan fácil se puede mover dentro del suelo. Los suelos de texturas finas tienen un gran porcentaje de arcillas y limos. Estos suelos generalmente retienen bien el agua, pero tienen un mal drenaje. Las texturas gruesas tienen un gran porcentaje de arena y grava. Estos suelos drenan bien pero son malos retenedores de agua.
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4.1.2. Estructura del suelo La disposición de las partículas minerales de un suelo es lo que se denomina Estructura del Suelo. Una estructura granular ayuda a mejorar el movimiento de agua en el suelo, pero una estructura masiva (que carece de cualquier arreglo distinto de las partículas de suelo) generalmente disminuye el movimiento del agua.
4.1.3. Permeabilidad En términos generales, la facilidad relativa con la que el agua se puede mover a través de un bloque de suelo es denominada Permeabilidad del Suelo. La permeabilidad del suelo es afectada por su textura, estructura, por actividades humanas y otros factores.
4.1.4. Topografía La forma y la pendiente de la superficie del suelo pueden generar condiciones de terreno húmedo, especialmente alrededor de depresiones donde el agua se tiende a acumular. Sin una salida el agua podría drenarse muy lentamente.
4.1.5. Formación geológica La formación geológica subyacente de un suelo, puede impactar el drenaje de agua de un suelo. Por ejemplo, un suelo tiene propiedades de textura y estructura beneficiosas para el movimiento del agua. Sin embargo si la formación geológica subyacente de este suelo consiste en Arcilla Densa o Roca Solida, se podría restringir el movimiento descendente del agua, causando que el suelo encima de la formación permanezca saturado durante ciertas épocas del año.
4.1.6. Compactación Las actividades humanas pueden ayudar a crear problemas de exceso de agua. Por ejemplo, los equipos que operan sobre un suelo húmedo pueden compactar el 18
suelo y destruir su estructura. La capa de suelo que esta compactada generalmente no tiene estructura, y la mayoría de vacíos en esta capa habrán sido eliminados. Los vacíos son espacios abiertos entre las partículas de suelo que se pueden llenar con agua, aire o una combinación de ambos. El agua del suelo tiende a acumularse por encimas de la capa compactada debido a que el movimiento de agua a través de la capa compactada esta severamente restringido. Si la capa compactada se localiza en la superficie del suelo muy poca agua entrara al suelo y se generará escorrentía que crearía un riesgo enorme de erosión y/o inundación.
4.1.7. Precipitación Los suelos pueden manejar ciertos niveles de precipitación, sin que se produzca escorrentía y/o inundaciones, sin embargo el exceso de precipitación, frecuentemente produce exceso en las condiciones de agua del suelo. Además, las tormentas frecuentemente resultan en escorrentía debido a que la tasa de precipitación es mayor a la tasa de infiltración de agua en el suelo.
5.- BASES PARA DEFINIR EL MÉTODO DE DRENAJE Pizarro, F. (2008, 88), establece dos métodos de drenaje: drenaje superficial y subterráneo. Según el autor, para decidir el método más adecuado en cada caso, hay que tener en cuenta: Origen del agua Volúmenes de agua a evacuar Permeabilidad del suelo Clases de pendientes del suelo Estabilidad estructural de los diferentes horizontes del perfil del suelo Tipo de agricultura a realizar.
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6.- IMPORTANCIA DEL DRENAJE Los excesos de agua en el suelo pueden tener consecuencias severas tanto para el suelo como para los cultivos, entre estas podemos contar: Cuadro 3. Consecuencias de los excesos de agua en el suelo
La Salinidad.
La salinidad en los suelos es consecuencia de un drenaje deficiente, en los terrenos mal drenados se acumulan sales disueltas en el agua de riego o de escorrentía, pudiendo salinizar la solución del suelo y modificar el complejo de cambio. La salinidad tiene efectos negativos en la fisiología de las plantas.
Deficiencia de
Cuando el oxigeno disponible disminuye, por el exceso de agua,
Oxigeno.
por debajo de unos niveles que son distintos para cada planta, las raíces disminuyen su actividades fisiológicas, con las siguientes repercusiones.
Alteración de las
Con la disminución del contenido de oxigeno la microflora
actividades
desaparece gradualmente, siendo sustituida por organismos
microbianas y
anaeróbicos, que pueden influir en la disponibilidad de ciertos
alteración en los
elementos, cuyo equilibrio es importante para la planta.
aportes de nutrientes. Problemas con
Trabajar en suelos con contenidos de humedad altos, en muchos
las labores y el
suelos arcillosos origina la destrucción de agregados y dispersión
control de
de partículas de suelo.
malezas. Enfermedades y
La humedad del suelo afecta de forma distinta a los agentes de
Plagas.
enfermedades de las plantas, generando podredumbre, hongos e incluso enfermedades víricas.
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Disminución de
Los niveles excesivamente altos de agua en el suelo, incluso de
la productividad. corta duración, pueden ejercer una influencia en la producción, dependiendo de las fases de desarrollo de las plantas en el momento en que se producen. Fuente: Grassi, C.J., 1975. Manual de Drenaje Agrícola.
7.- CONSECUENCIAS DEL MAL DRENAJE Pizarro, F. (2008), explica que: Usualmente, se considera que el principal efecto del mal drenaje es el daño a la productividad agrícola. No obstante, existen otras consecuencias, directas o indirectas, las cuales se presentan en las Figuras 5 y 6, donde se muestran los efectos del mal drenaje por acumulación superficial y en el interior del suelo, respectivamente (p. 37). Figura 5. Efectos del mal drenaje por acumulación superficial
ACUMULACION DE AGUA SOBRE EL NIVEL DEL SUELO
PERDIDA DE TRABAJABILIDAD Y CAPACIDAD DE SOPORTE
PROBLEMAS DE MECANIZACION
DISMINUCION DE RENDIMIENTOS
PERDIDAS ECONOMICAS
Fuente: Pizarro, F. (2008). Riego agrícola 21
PROBLEMAS SANITARIOS
DA OS A INFRAESTRUCTURA
Figura 6. Efectos del mal drenaje en el interior del suelo
EXCESO DE AGUA EN EL INTERIOR DEL SUELO
MENOR AIREACION
MENOR TEMPERATURA
MENOR DESARROLLO DE RAICES
MENOR ACTIVIDAD DE ORGANISMOS DEL SUELO
MENOR DESCOMPOSICION DE MATERIA ORGANICA
MENOR ABASTECIMIENTO DE NUTRIENTES
DISMINUCION DE RENDIMIENTOS
PERDIDAS ECONOMICAS
Fuente: Pizarro, F. (2008). Riego agrícola
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En el Cuadro 4, se presenta una comparación del efecto entre suelo bien drenado y mal drenado a diversos factores del suelo. Cuadro 4. Consecuencias del mal drenaje
FACTOR Aireación del Suelo
SUELO BIEN DRENADO 15 – 20 % oxígeno
SUELO MAL DRENADO Menos de 5% de oxígeno
Temperatura del suelo Normal
1 a 5 º C más baja
Disponibilidad de
Escasa a nula
Normal
nutrientes Trabajabilidad y
Soporta peso sin destrucción Se destruye estructura del
capacidad de soporte
de su estructura, ni
suelo y éste se compacta
del suelo
compactación
fácilmente
Mecanización
Preparación de suelos óptima Deficiente preparación de
Problemas Sanitarios
en calidad y oportunidad
suelo y con retraso.
Normales
Se acentúan problemas en plantas, animales y humanos.
Daños a
Mejor mantención
Infraestructura
Mayor daño y menor vida útil (Ej.: caminos)
Fuente: Pizarro, F. (2008). Riego agrícola
8.- SISTEMAS DE DRENAJE Pizarro (2008, 81), señala que: En un sentido amplio se considera parte del sistema de drenaje cualquier obra o instalación que extrae agua del terreno. Para tratar de ser más específicos, los sistemas pueden clasificarse en la forma siguiente: a) Sistemas abiertos: tanto los drenes como los colectores son zanjas abiertas. 23
b) Sistemas subterráneos: tanto los drenes como los colectores consisten en tuberías subterráneas. c) Sistemas mixtos: los drenes son tuberías subterráneas y los colectores zanjas abiertas. Existen otras clasificaciones que mencionan aspectos similares a la anterior, pero incluyen otros términos de referencia:
8.1. CLASIFICACIÓN POR UBICACIÓN Y OBJETIVO Superficial: Conducción Captación. Drenaje Parcelario. Mixto.
Es necesario resaltar que al drenaje superficial se le considera también abierto, los objetivos de éste es el de eliminar el agua superficial y conducirla fuera del área de influencia o zona de riego, aunque en ocasiones también se controla el nivel freático a través de este sistema y produce entonces un riego subterráneo o por capilaridad. Al drenaje parcelario se le considera subterráneo y el objetivo de él es de recoger el agua infiltrada procedente de la lluvia, riego u otros orígenes y controlar el nivel freático del terreno, para posteriormente evacuarla fuera de la zona de influencia sea a través de tuberías o de zanjas en cuyo caso se le consideraría como un sistema de drenaje mixto.
8.2. CLASIFICACIÓN POR POSICIÓN a) Vertical b) Horizontal El drenaje vertical es un sistema de drenaje menos frecuente que consiste en una serie de pozos distribuidos sistemáticamente en el terreno para evacuar hacia otros estratos el agua excedente de los estratos superiores. Este drenaje vertical es 24
hecho exprofeso mediante la perforación de pozos que varían en tamaño de acuerdo a las necesidades, extensión del terreno y a la geomorfología. Generalmente son rellenados de un material de grava para que fluya rápidamente el agua excedente. El drenaje horizontal es el que conocemos como superficial o parcelario y mixto. Para fines de diseño del sistema, en el drenaje superficial se estima el volumen de agua del exterior y el cálculo del dren de captación y conducción, a través de los métodos para estimar escorrentías, principalmente. En el drenaje subterráneo, es necesario conocer textura, pendiente, permeabilidad, existencia de estratos, principalmente.
9.- RECONOCIMIENTO Y DIAGNÓSTICO DE PROBLEMAS DE DRENAJE La experiencia indica que los distintos problemas de drenaje poseen características propias, que los hacen únicos. Es decir, ningún proyecto es idéntico a otro, razón por la cual es imprescindible un reconocimiento y un diagnóstico de cada situación.
9.1. RECONOCIMIENTO El reconocimiento de problemas de drenaje tiene como objetivo evaluar las condiciones generales del área determinando sus problemas existentes o potenciales. Consiste en una inspección del área desde puntos fácilmente accesibles, en la época cuando se manifiestan marcadamente los problemas de drenaje. Esta visita debe completarse con las opiniones e impresiones de las personas que habitan el lugar. En el reconocimiento existen dos etapas: recopilación de antecedentes y reconocimiento de campo.
25
9.1.1. Recopilación de Antecedentes Debe reunirse toda la información existente sobre el sitio en cuestión, como por ejemplo, fotografías aéreas, mapas, estudios anteriores, informes, publicaciones y opiniones de personas conocedoras del tema y del área.
9.1.2. Reconocimiento de Campo En esta etapa es imprescindible la participación de los agricultores, con los cuales se debe hacer conjuntamente el recorrido de terreno. En este recorrido de campo se recomienda obtener la siguiente información: Observación de síntomas de mal drenaje, ya sea en plantas, suelo y /o
animales. Delimitación de áreas de saturación e inundación. Delimitación de áreas de aporte de agua por escorrentía, que pueden ser
laderas adyacentes o predios ubicados aguas arriba. Evaluación de las descargas de las aguas, pudiendo ser cauces naturales o
zonas más bajas (quebradas). Es importante inspeccionar lo relacionado a capacidad, estado de mantención, ubicación y desnivel disponible para la descarga de las aguas. Identificación de limitantes del suelo. Las características de textura,
estructura y estratificación, son determinantes en la formación de problemas de mal drenaje. Identificación de limitaciones de topografía.
9.2. DIAGNÓSTICO Posterior al reconocimiento, se realiza un diagnóstico del problema, el cual debe entregar la siguiente información: Identificación de las causas del problema. Identificación de las fuentes de exceso de agua.
26
Proposición de posibles soluciones del problema, con sus costos y beneficios
estimativos. Recomendación de estudios específicos para un proyecto posterior más
detallado, ya sea de factibilidad o de diseño (topografía, agrología, hidrología, otros).
10.- CAUSAS DEL PROBLEMA El exceso de agua sobre el suelo o en el interior del mismo, puede ser ocasionado principalmente por la conjunción de uno o más de los siguientes factores: precipitaciones, inundaciones, riegos, suelo, topografía y filtraciones.
Precipitaciones La acción de la precipitación se manifiesta fundamentalmente en las zonas húmedas. En estas zonas, la precipitación excede a la evaporación y, en consecuencia, hay períodos de exceso de humedad, durante los cuales el suelo se encuentra saturado, y al ocurrir nuevas lluvias, el agua no puede ser absorbida, aumentando el escurrimiento y produciendo acumulación en los terrenos ubicados en posición más baja.
Inundaciones Las inundaciones son una causa frecuente de problemas de drenaje, particularmente en los terrenos adyacentes a los ríos y esteros. Lluvias de alta intensidad en la parte alta de las hoyas hidrográficas, crean un aumento considerable del caudal de los ríos, los cuales al no ser contenidos en el cauce normal, se desbordan provocando problemas de drenaje a lo largo del plano de inundación ("vegas").
27
La alta precipitación en sí misma, sin embargo, no es la única causante. El mal mantenimiento del cauce de los ríos y esteros, puede ser en muchas ocasiones el factor determinante en su desbordamiento.
Riegos El uso de prácticas inapropiadas tales como: riego tendido, riego nocturno, tiempos excesivos y volúmenes incontrolables, provocan pérdidas excesivas por escurrimiento superficial y por percolación profunda. El primero se acumula en las depresiones del terreno, y el segundo contribuye a una rápida elevación de la napa freática.
Suelos Las características de textura, estructura y de estratificación, son determinantes en la formación de problemas de mal drenaje.
Los casos más
importantes al respecto son los siguientes: a) Suelos de texturas finas (arcillosas), y de estructura masiva en la estrata superficial, tienen una baja velocidad de infiltración. b) Ocurrencia de depósitos de limo en la superficie de los suelos, formando costras que impiden la infiltración. c) Suelos estratificados, particularmente aquellos que se encuentran en planos depositacionales de ríos ("vegas") o de cenizas volcánicas, presentan estratos que se comportan como impermeables e impiden el movimiento vertical del agua.
Topografía Se distinguen tres casos característicos, en que la topografía es causante del problema de drenaje:
28
a) Topografías muy planas (< 0,5%), que impiden el libre escurrimiento de las aguas y con frecuencia causan acumulación superficial. Este efecto se agrava con la existencia de microrrelieve con pequeñas o medianas depresiones. b) Suelos de lomaje, de topografía ondulada, tienen un alto escurrimiento superficial y los excesos se acumulan en las depresiones. Si éstas no poseen una adecuada salida natural, se presentan severos problemas localizados. c) Microrrelieve con depresiones pequeñas y medianas, que dificultan el movimiento superficial del agua.
Filtraciones La red extra e intrapredial de canales de riego, construidos casi en su totalidad directamente en tierra, presentan filtraciones laterales de mayor o menor grado, que van a abastecer la napa freática, o afloran a la superficie en sectores de posición más baja.
11.- DISEÑO DE UNA RED DE DRENAJE 11.1. ZANJAS COLECTORAS Las zanjas corresponden a colectores trazadas en el terreno conformando una red de drenaje. Para el diseño y construcción de esta red de zanjas es importante considerar lo siguiente: a) Trazado de la red de zanjas colectoras. b) Dimensionamiento de la zanja. c) Construcción de zanjas.
11.1.1. Trazado de la red de zanjas colectoras Consiste en el diseño y determinación de la dirección del flujo de la red de colectores. Para este propósito es recomendable contar con material cartográfico
29
(mapas, planos, croquis, otros); siendo lo óptimo un levantamiento topográfico del terreno a drenar. Para realizar este trazado, deben considerarse los siguientes aspectos: a) Topografía: Las zanjas deben ubicarse en sentido de la pendiente del terreno, en la medida que el apotreramiento, la forma de los potreros y el trazado seleccionado lo permita. b) Apotreramiento y deslindes: Dentro de lo posible, las zanjas deben quedar ubicadas contiguas a los cercos principales. c) Secciones de facilidad constructiva: Las dimensiones resultantes deben ser de un tamaño tal, que permita optimizar el rendimiento de la construcción, ya sea manual o mecanizado. d) Evitar erosión: Evitar conducir caudales muy altos o en pendientes excesivas, que produzcan velocidades erosivas. e) Punto de descarga: Deben ser de fácil acceso, y en lo posible, distribuir el caudal en varios puntos de descarga.
11.1.2 Dimensionamiento de la zanja Según Ortega, C.L. (1996), los parámetros de dimensionamiento de una zanja de sección trapezoidal, se indican en la Figura 7. Para calcular estas dimensiones se utilizan las siguientes ecuaciones: Q A V P H B
= = = = = =
A * V b * d + (1 / n) * b + 2 * d + r b + 2 *
=
Caudal de drenaje (m3/s)
Z * d2 (A / P)2/3 * So1/2 d * (1 + Z2) 1/2 Z * H
Donde: Q
30
Fórmula de Manning
A V b d Z n P So H r B
= = = = = = = = = = =
Área transversal de conducción (m2) Velocidad del flujo (m/s) Base (m) Tirante hidráulico (m) Talud de la pared (adim). Coeficiente de rugosidad de Manning (adim). Perímetro mojado (m). Pendiente de la rasante (m/m). Profundidad de la zanja (m). Revancha o altura libre (m). Ancho superior de la zanja (m).
Figura 7. Parámetros de dimensionamiento de una zanja de sección trapezoidal
Fuente: Ortega, C.L. (1996). Drenaje de suelos. Para calcular las dimensiones de la zanja, la fórmula de Manning la expresamos de la siguiente forma:
1/2 2
Q = A x V Q = A x (1/n) x (A/P)2/3 x So1/2 (Q x n) / So1/2 = A5/3 / P2/3 ((Q x n) / So1/2) 3 = A5 / P2 ((Q x n) / So1/2) 3 = (b x d + Z x d2) 5 / (b + 2 x d x (1 + Z2)
)
Al realizar el cálculo, son conocidos los siguientes valores: 31
Q : precipitaciones. n : So : Z :
Calculado de acuerdo a un estudio hidrológico y de Se obtiene del Cuadro 2. Se obtiene en el plano topográfico, o se asume. Se obtiene del Cuadro 3.
Para calcular d y b, debe asumirse un valor para alguno de estos parámetros, y calcular el otro iterando en la ecuación. También existen tablas para obtener estos valores, para valores de Q, n, So y Z dados, o es posible calcularlos computacionalmente. Cuadro 5. Valores de coeficiente de rugosidad n
Condición del Dren
Valor de n
Muy limpio
0,022 – 0,030
Limpio
0,029 - 0,050
Con poca vegetación
0,040 - 0,067
Con moderada vegetación
0,050 - 0,100
Con exceso de vegetación
0,067 - 0,200
Fuente: Grassi, Carlos J. 1991. “Drenaje de Tierras Agrícolas”. Cuadro 6. Talud Z (1: Z) en drenes abiertos
Material de excavación
Z
Roca firme
0,25
Hard-pan duro. Roca con fisuras
0,5
Grava cementada. Arcilla y Hard-pan ordinario
0,75
Arcilla con grava. Suelos francos
1
Limo arcilloso
1
Suelos francos con grava
1,5 32
Suelos franco-arenosos
2
Suelos muy arenosos
3
Fuente: Ven Te Chow. 1959. “Open Channel Hydraulics”. Desde el punto de vista constructivo, es muy importante respetar los taludes de diseño, para evitar derrumbes como el que se muestra en la Fotografía 1.
DERRUMBE DE LA PARED
Fotografía 1. Derrumbe de la pared de una zanja por falta de talud. En relación al valor de la pendiente de la zanja, se recomienda un valor mínimo de 0,1%, para evitar sedimentación y secciones demasiado grandes. Por otro lado, deben evitarse pendientes excesivas, que generen velocidades muy altas que ocasionen erosión y socavación del dren, por lo cual, existen valores de velocidad máxima no erosiva según el tipo de material del dren, presentados en el Cuadro 4.
33
Cuadro 7. Velocidad (m/s) máxima no erosiva en drenes abiertos
Velocidad Máxima No erosiva (m/s) Material Excavado
Aguas claras
Agua con
Agua con
limo coloidal arena o gravas
Arena fina no coloidal
0,45
0,75
0,45
Material franco arenoso no coloidal
0,50
0,75
0,60
Material franco limoso no coloidal
0,60
0,90
0,69
Limos aluviales no coloidales
0,60
1,10
0,60
Material franco arenoso firme
0,75
1,10
0,70
Cenizas Volcánicas
0,75
1,10
0,60
Grava fina
0,75
1,50
1,15
Arcilla firme coloidal
1,15
1,50
0,90
Material franco o cascajoso bien
1,15
1,50
1,50
Limos aluviales coloidales
1,15
1,50
0,90
Material limoso o cascajoso bien
1,20
1,70
1,50
Cascajo grueso
1,20
1,80
1,95
Piedras redondeadas
1,50
1,70
1,95
Esquistos arcillosos y arcilla compacta
1,80
1,80
1,50
proporcionado
proporcionado
Fuente: Ven Te Chow. 1959. “Open Channel Hydraulics”. En relación al valor de la base (b), existe un valor mínimo de acuerdo a la modalidad de construcción. En caso de construcción manual, el valor mínimo será aquel que pueda realizarse de acuerdo a la facilidad de operación de la mano de obra, valor que generalmente se asume igual a 0,5 m. En caso de construcción mecanizada, este valor mínimo de zanja corresponde al ancho de la cuchara de la excavadora.
34
11.1.3. Ejemplo de cálculo de las dimensiones de una zanja colectora Se requiere calcular las dimensiones de una zanja de drenaje, considerando los siguientes antecedentes: Caudal (Q)
=
Pendiente del suelo
0,25 m3/s
250 l/s = =
0,2%
Suelo de textura franca. Construcción manual. Solución: Seleccionamos n = 0,04 para dren limpio, según el Cuadro 2. Como pendiente del dren asumimos la misma del terreno. Seleccionamos Z = 1, por suelo franco, según el Cuadro 3. Asumimos b = 0,5 m, por construcción manual. Aplicamos estos valores en la fórmula: ((Q x n)/So1/2)3
(b x d + Z x d2)5
=
(b + 2 x d x (1 + Z2)1/2)2 Obtenemos: ((0,25 x 0,04) / (0,002)1/2)3 0,01118=
=
(0,5 x d + 1 x d2)5 (0,5 + 2 x d x (1 + 12)1/2)2
(0,5 x d + d2)5 (0,5 + 2 x d x 21/2)2
35
Para calcular el parámetro d, se van probando sucesivamente diferentes valores, hasta obtener el valor más cercano a 0,01118, lo que en este caso se consigue con d= 0,53, lo cual se comprueba a continuación: (0,5 x 0,53 + (0,53)2)5
=
0,048480319
(0,5 + 2 x (0,53) x 21/2)2
3,996266376
= 0,01213 Al calcular la velocidad obtenemos 0,47 m/s, que es menor a la velocidad máxima no erosiva, (Cuadro 4). La profundidad total H = d + r = 0,53 + 0,5 = 1,03 m. El ancho superior B, entonces es igual a B = 0,5 + 2 x 1 x 1,03 = 2,56 m.
11.1.4. Etapas de construcción de zanjas Las etapas que existen en la construcción de zanjas son: Roce, despeje y limpieza de faja. Excavación de la zanja. Retiro del material Cercado de zanjas.
11.1.5. Roce, Despeje y Limpieza de Faja Consiste en la eliminación de todos los árboles y matorrales sobre el área a ocupar, en el ancho del dren, más las bermas correspondientes. En el Cuadro 5 se presentan los estándares y características de esta etapa.
36
Cuadro 8. Estándares de roce, limpieza y despeje de faja.
Etapa
Procedimiento
Actividad
Rendimiento
Roce y
Mano de Obra Corte de vegetación.
100 m/jornada para
Despeje
no calificada
faja de 3 m de ancho
con rozones y horquetas.
Acumular material en hileras o montones. Cargar material en camión.
Traslado a Camión tolva.
Traslado de material a
100 m/hr con distancia
botadero
botadero
a botadero de 1 km.
Fuente: Ven Te Chow. 1959. “Open Channel Hydraulics”.
11.1.6. Excavación de la zanja Esta labor puede realizarse ya sea manualmente o con maquinaria. En el caso de construcción manual, los estándares son los siguientes: Rendimiento excavación en suelo
=
9 m3/Jornada
Rendimiento excavación en ripio
=
2 m3/Jornada
Vida útil pala en excavación
=
0,1 km/pala
Vida útil picota en excavación
=
0,5 km/picota
En el caso de construcción mecanizada, se utilizan excavadoras y mano de obra. La excavadora cumplirá la labor de excavación propiamente tal, en tanto que la mano de obra se utilizará para el repase o terminación del sello y los taludes de las
37
zanjas. En el Cuadro 6 se presentan los estándares y características de esta etapa, para excavación mecanizada. Cuadro 9. Estándares de excavación mecanizada de zanjas
Etapa
Excavación
Procedimiento
Rendimiento
Excavadora Oruga Modelo 200. Terreno blando
= 50-70 m /hr.
133 HP potencia nominal.
Terreno semi-blando = 40-60 m3/hr
Balde 1200 mm ancho y 0,93
Terreno duro
= 30-40 m3/hr
m3 capacidad. Terminación Mano de obra no calificada con El movimiento de tierra es de la sección palas rectas.
aproximadamente igual al 2,5% del material excavado. Rendimiento aproximado de 5 m3/jornada.
Fuente: Ven Te Chow. 1959. “Open Channel Hydraulics”.
Estos valores dependen del tipo de excavadora, de las condiciones de trabajo y de la destreza del operador. En la Fotografía 2, se muestra la construcción de una zanja de drenaje utilizando retroexcavadora.
38
Fotografía 2. Construcción de zanja con retroexcavadora.
11.1.7. Retiro del material Es recomendable que la excavación de las zanjas, ya sea mecanizada o manual, considere la separación del suelo y del material que exista bajo éste, ya sea ripio o arcilla. El suelo excavado puede ser aprovechado para rellenar sectores de pequeñas depresiones al interior de los potreros, o simplemente, ser desparramado en éstos. En el caso de que bajo suelo exista ripio, éste constituye un excelente material para construcción de caminos (el cual puede ser construido inmediatamente al lado de la zanja) o ser utilizado para el relleno de caminos y callejones existentes en el predio. En el caso de las estratas de arcilla, este material no constituye ningún beneficio, y por lo tanto, debe eliminarse trasladándose a un lugar de botadero. Lo ideal y recomendable es realizar la faena de excavación y traslado del material en forma simultánea. En el Cuadro 7 se indican algunos estándares para el retiro del material.
39
Cuadro 10. Estándares de retiro del material excavado
Modalidad
Rendimiento
Manual, con pala y carretilla con Rend. traslado tierra excavada = 6,75 m /jornada retiro a 100 m de distancia
Rend. traslado ripio excavado = 3 m3/jornada
Mecanizada, con camión tolva y Rend. traslado tierra excavada = 38 m /hr. descarga a 1 km de distancia
Rend. traslado ripio excavado = 32 m3/hr.
Fuente: Ven Te Chow. 1959. “Open Channel Hydraulics”.
Para las cubicaciones finales, debe considerarse el esponjamiento del material al ser excavado, que corresponde a 30% para el ripio y un 50% para el suelo.
11.1.8. Cercado de zanjas Para facilitar las labores de mantención, en toda la extensión de la red de drenes colectores se deben instalar cercos a ambos lados de la zanja, a una distancia de 3,5 m desde el borde del dren. El cerco se construye utilizando estacones de pellín de 2,2 a 2,5 m de longitud, y de 4 a 5 pulgadas de diámetro. Se instalan espaciados cada 3,5 m, con 4 corridas de alambre de púa clavado con grampas de 1 ½”. Los estacones se pintan totalmente con una mano de aceite quemado, y en su extremo superior se pintan 25 cm con dos manos de óleo blanco.
40
Para todo el proceso de construcción de los cercos, desde el pintado de los estacones, hincado en el terreno, colocación y tensión de los alambres, se utiliza mano de obra semi-calificada, estimándose un requerimiento de 100 jornadas para la construcción de 1 km de cerco doble de estas características (5 jornadas/100 m cerco simple).
11.2. DRENES DE TUBERÍA Como se indica en la Figura 8, estos drenes consisten en una tubería de drenaje enterrada en una zanja y revestida por un material filtrante. Figura 8. Sección transversal de dren de tubería con envolvente de áridos
Fuente: Ven Te Chow. 1959. “Open Channel Hydraulics”.
Ven Te Chow (1959), estima que: En remplazo de la combinación tubería-envolvente, se usar puede piedra (bolones o grava), ladrillos (liso o perforado) o materiales de origen vegetal (troncos, coligües, coligües, otros). Estas alternativas no tienen un comportamiento tan eficiente como la tubería de drenaje y envolvente, pero permite reducir considerablemente los costos. Las principales ventajas de los drenes de tubería, son que no rompen la continuidad de los potreros y sus bajos requerimientos de mantención, haciéndose los más recomendables. Sin embargo, la principal desventaja es su alto costo (p. 81). 41
11.2.1. Materiales de tuberías Las tuberías de drenaje se encuentran disponibles en diversos materiales, como plástico (corrugado o liso), arcilla y hormigón. La mayor ventaja de las tuberías plásticas frente a las tuberías de hormigón y arcilla ar cilla dice d ice relación con su menor peso por unidad de largo y facilidad de manejo. Esto tiene un impacto importante sobre los costos de transporte e instalación. Las tuberías de plástico de PVC o PV son las más frecuentemente utilizadas en la actualidad, en sus versiones lisa y corrugada. Por lo general el PVC liso viene en tuberías de 6 m, ranuradas o perforadas para que penetre el agua. El PVC corrugado trae perforaciones incorporadas y se fabrica en rollos de 50 y 100 metros de longitud. Actualmente, para drenaje agrícola prácticamente sólo se utiliza tubería de plástico corrugada, debido a su menor costo y sus facilidades de transporte e instalación por su formato de fabricación en rollos. Estas tuberías se fabrican en diferentes diámetros (50, 65, 100, 160 y 200 mm), la profundidad de la corrugación varía entre 2,5 a 5,5 mm, el ancho de la corrugación entre 3 a 8 mm y el ancho de la depresión de la corrugación o “valle” fluctúa entre entre 2,5 a 5 mm. Las perforaciones son de 1,2 a 1,8 mm de ancho y de 3 a 5 mm de largo. En dichas tuberías, el agua penetra a través de las perforaciones que se encuentran en los valles de la corrugación, siendo más importante la distribución de las perforaciones de la tubería que la cantidad total de éstas.
11.2.2. Diámetro de tuberías Según Salgado, L. (2000), para determinar el diámetro de la tubería se utiliza la fórmula de Manning, asumiendo que el flujo es a tubería llena pero sin presión. La ecuación resultante es:
42
d = [ Q / ( So 1/2 ( 0,3117 / n ) ) ]
3/8
Donde: d
=
diámetro interior de la tubería (m)
Q
=
Caudal de drenaje (m3/s)
n
=
Coeficiente de rugosidad de Manning (adm).
So
=
Pendiente de la rasante (m/m).
El valor del coeficiente de rugosidad de Manning (n) es generalmente un dato entregado por el propio fabricante, como especificación técnica del producto, en el respectivo catálogo. Si no se dispone de tal información pueden asumirse los valores del Cuadro 8. Cuadro 8. Coeficiente de rugosidad de Manning según tipo de tubería.
Tubería
Coeficiente n
Arcilla
0,013
Concreto
0,013
PVC liso
0,015
PVC corrugado
0,016
Fuente: Salgado, 2000. En la Fórmula de Manning, se considera que la pendiente es la mínima dada a la tubería para neutralizar la resistencia natural que ésta opone al flujo.
Las
pendientes más usadas fluctúan entre el 1 y el 5 por mil. La FAO (1985) sugiere una pendiente mínima del 0.5 por mil. El Bureau of Reclamation de Estados Unidos recomienda un mínimo de 1 por mil para evitar sedimentación.
43
11.2.3. Envolventes Se entiende por envolvente al material colocado alrededor de las tuberías de drenaje con el propósito de cumplir una función filtrante, hidráulica o de asentamiento del dren. La función filtrante dice relación con prevenir o disminuir el ingreso de partículas al interior de la tubería donde pueden sedimentar y eventualmente taparla. La función hidráulica se refiere a crear un medio de alta permeabilidad alrededor de la tubería para reducir la resistencia de entrada. La función de asentamiento significa proveer un buen soporte a la tubería para prevenir daño por efecto del peso del suelo. Las primeras dos funciones proveen una protección contra dos principales consecuencias de una tubería mal alineada: obstrucción y alta resistencia al flujo. Existe una gran cantidad de materiales que pueden utilizarse como envolventes que van desde materiales minerales y orgánicos a materiales sintéticos y fibras minerales. Una breve revisión de ellos se presenta a continuación:
Gravas Las gravas, maicillo y chancado muy fino pueden ser excelentes materiales envolventes de tipo “voluminoso”, especialmente cuando se quiere tener un material
que cumpla tanto una función filtrante como hidráulica.
Materiales orgánicos Existe una gran variedad de materiales orgánicos tales como fibras (coco), turba y pajas (trigo, arroz, otros) y subproductos del procesamiento de la madera (aserrín y viruta) que pueden ser utilizados como envolventes. Por lo general tienen un buen comportamiento (Salgado y Parra, 1994), pero en el largo plazo pueden
44
fracasar debido a la descomposición sufrida por efecto de la acción de los microorganismos.
Materiales sintéticos Los materiales sintéticos pueden encontrarse a la forma granular (poliestireno) o fibrosa (nylon, poliéster, polietileno o polipropileno). Estos últimos se conocen con el nombre genérico de geotextiles y pueden ser tejidos o no tejidos.
11.2.4. Instalación de drenes de tubería Este es uno de los aspectos más críticos que puede estar influyendo en el buen comportamiento de las tuberías de drenaje instaladas en el país. Si no existe una depurada técnica de instalación, todo el esfuerzo entregado en la determinación de los parámetros y criterios de diseño puede verse malogrado en la fase final. En países donde la técnica del drenaje es rutinaria y masiva, existen máquinas altamente especializadas para la construcción e instalación simultánea. En nuestro país, lo usual es primero la construcción de la zanja y luego la instalación de los drenes. La excavación de la zanja puede ser manual o mecanizada. La excavación manual tiene la ventaja de ser un trabajo de terminación más fino y delicado, pero cada vez más en desuso, en atención al aumento del costo de la mano de obra y la baja velocidad de avance.
La excavación mecanizada implica el uso de
retroexcavadoras que suelen ser de alto rendimiento, pero con baja calidad de terminación. Por lo tanto, es recomendable un trabajo combinado de empleo de maquinaria (para aumentar el rendimiento de la labor) y manual (para mejorar la terminación de la labor), como se muestra en la Fotografía 3.
45
TUBERIA DRENAJE
MATERIAL ENVOLVENTE
Fotografía 3. Instalación manual de tubería drenaje y envolvente de bolones. En relación a la instalación de la tubería, es conveniente poner especial cuidado en los siguientes aspectos: a) alineamiento (Figura 9A), b) uniformidad en la pendiente (Figura 9B) y c) distancia homogénea entre tubos cuando se trata de tuberías de cemento o arcilla (Figura 9C).
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Figura 9. Problemas frecuentes producidos en la instalación de drenes:
A) Alineación; B)
desuniformidad de la pendiente y C) espaciamiento entre tubos.
y
Fuente: Salgado, 2000.
11.2.5. Estructuras auxiliares Toda red de drenaje bien concebida, en especial aquella que considera drenes de tubería, requiere de una serie de estructuras especiales que permitan conectar, proteger, inspeccionar y mantener adecuadamente la red. A continuación, se hace
47
una breve descripción de algunas estructuras, indicando sus principales características constructivas.
11.2.6. Estructuras de salida En el lugar donde las tuberías descargan en un colector de zanja, las paredes de ésta se encuentran afectas a un proceso de erosión debido al caudal de salida. En caso de tuberías de gran tamaño y que transportan un gran caudal, se recomienda construir una estructura de albañilería como las indicadas en la Figura 10. Figura 10. Estructuras de salida en albañilería
Fuente: Salgado, 2000. Una estructura particularmente útil a la salida de taludes y colectores de tubo es la instalación de mallas o rejas que impidan el ingreso de roedores o aves pequeñas (Figura 11). Esto evitará que dichos animales, una vez en el interior de la tubería, se atasquen, no puedan salir, y en definitiva causen una obstrucción total.
48
Figura 11. Estructuras de protección a la salida de tuberías
Fuente: Salgado, 2000.
11.2.7. Estructuras de conexión Para conectar dos o más tuberías de distinto diámetro en una red de drenaje, se recomienda la construcción de estructuras de conexión entre ellas. Si las tuberías son de cemento o arcilla, se sugiere que en las partes de unión o conexión se construyan cámaras de albañilería (Figura 12). En este caso las tuberías se encuentran por encima del fondo de la cámara, produciendo un colchón de agua que junto con disipar la energía permite la acumulación de sedimentos y su posterior eliminación.
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Figura 12. Estructuras de conexión e inspección.
Fuente: Salgado, 2000. En relación a tuberías de plástico (liso o corrugado) los fabricantes ofrecen los más variados tipos de conexiones que evitan la construcción de cámaras en cada punto de unión. En todo caso, la construcción de una cámara puede ser de gran importancia porque facilita la inspección y mantenimiento.
11.2.8. Cámaras de inspección Uno de los problemas más importantes presentados en redes de drenaje construidas íntegramente en tuberías, es la mantención. Esto obliga, por lo tanto, a disponer de cámaras de inspección en puntos críticos a lo largo de la red donde sea posible controlar su funcionamiento y realizar eventuales procedimientos de limpieza.
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Una estructura como la indicada en la Figura 12 puede cumplir ambas funciones, esto es, como estructura de conexión e inspección. Una cámara de inspección, como su nombre lo indica, debe permitir ingresar hasta la tubería para controlar su funcionamiento, como también, estar abiertas al exterior. Generalmente se construyen en albañilería y su tapa superior puede ser de madera u hormigón armado (Fotografía 4). CAMARA DE INSPECCION
TUBERIA
Fotografía 4. Cámara de inspección en albañilería. Algunos criterios de distribución o ubicación de las cámaras en terreno pueden ser: a) en todo lateral que excede 200 m de largo; b) en todo punto de unión entre un lateral y colector de tubos; c) cuando los sedimentos en suspensión y/o arrastre sean muy altos; d) donde se produzca un cambio de diámetro en la tubería y e) donde se diseñan saltillos.
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Las cámaras de inspección y conexión pueden construirse en albañilería, de sección cuadrada o rectangular. Las dimensiones máximas pueden ser entre 0.8 -1.0 m por lado. También se utilizan tuberías de cemento vibrado en un diámetro entre 0.8 y 1.0 m.
11.2.9. Cámaras de filtración Las cámaras de filtración (Figura 13), son cámaras cilíndricas que contienen bolones, conectadas en su fondo con la tubería de drenaje. Se ubican en el punto más bajo de las depresiones con apozamientos, permitiendo un rápido ingreso del agua hacia la tubería de drenaje. Figura 13. Cámaras de filtración
Fuente: Salgado, 2000.
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11.3. DRENES EN V Los drenes en “V”, son zanjas caracterizadas por poseer taludes amplios, que
fluctúan entre 8:1 y 10:1, permitiendo el libre tránsito de maquinaria y ganado. Es una solución adecuada en sectores que presentan topografía ondulada, ya que permiten mantener la continuidad de los potreros y adecuarse a la topografía natural. Además, para disminuir al mínimo el movimiento de tierra es importante que la altura de corte sea la menor posible. En la Figura 14, se presenta una sección transversal de un dren en V y en la Fotografía 5 se muestra este dren en proceso de construcción. Figura 14. Sección transversal de dren en V.
Fuente: Salgado, 2000. La mayor ventaja de la construcción de drenes en “V” es que, debido a la
amplitud de sus taludes, prácticamente quedan integrados a la topografía natural del terreno, permitiendo el libre tránsito de ganado y maquinaria sobre ellos, y por lo tanto, no rompen la continuidad de los potreros. Una vez que los taludes de los drenes en “V” han sido cubiertos por vegetación, natural o artificial, ésta debe conservarse
en forma permanente, para asegurar su mantención y vida útil, por lo cual, no deben ser cultivados.
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Para el cálculo de las dimensiones de estos drenes, se aplica la misma metodología que para cualquier zanja, utilizando la Fórmula de Manning.
11.4. DRENES INTERCEPTORES Este tipo de drenes tienen como misión interceptar el flujo superficial y/o subsuperficial de agua que se mueve en una determinada dirección y desviarlo de la misma. Se emplean para aminorar o anular la recarga al área problema proveniente de aportes laterales, es decir, para independizar el problema de la zona baja de la fuente que está en la zona alta, haciéndolo dependiente sólo de su propia recarga. En ocasiones, un dren interceptor resuelve íntegramente el problema de un área cuando la totalidad o una elevada proporción del flujo son colectadas y desviado. En tal caso, ésta constituye la única obra de drenaje a realizar en el sistema. El punto próximo al cambio de la pendiente resulta el más adecuado para la instalación de un dren interceptor. Este debe correr siguiendo la curva de nivel, aunque con algún desvío, a fin de mantener a lo largo del mismo el desnivel mínimo que asegure el normal escurrimiento del agua. Otra condición importante es la proximidad de la estrata impermeable. En efecto, un dren que se profundiza hasta esa estrata, prácticamente intercepta todo el caudal. Si el tirante de agua es considerable, puede percolar a través del talud, en sentido pendiente abajo, un gasto que obligue a la construcción de un segundo interceptor. Si la barrera se encuentra a más de 5 m se hace difícil, constructiva y económicamente, lograr efectividad, debiendo recurrirse a la instalación de dos o más zanjas a determinada distancia una de la otra, y siempre que las favorables condiciones topográficas y de suelo aún se mantengan. En la Figura 15, se presenta un esquema que muestra el efecto del dren interceptor en la disminución del nivel freático.
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Figura 15. Disminución del nivel freático debido a la acción de un dren de intercepción
Fuente: Salgado, 2000.
11.5. DRENES TOPO 11.5.1. Definición Como se indica en la Figura 16, los drenes topo son galerías subterráneas de aproximadamente 7,5 cm de diámetro, construidas en el interior del suelo, rodeadas de fisuras periféricas. Figura 16. Corte transversal de un dren topo.
Fuente: Salgado, 2000.
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Las fisuras periféricas que rodean la galería recolectan los excedentes hídricos acumulados en la zona radicular, y por lo tanto, estas fisuras son la clave del éxito del funcionamiento de dichos drenes. El propósito de los drenes no es controlar el nivel freático, sino remover excesos de agua de la superficie o de la parte superior del suelo. Por lo tanto, los drenes topo pueden ser considerados como un sistema intermedio entre un sistema de drenaje superficial y uno subsuperficial. Estos drenes descargan en la zanja colectora debido a la gravedad, y por lo tanto, deben tener pendiente positiva en dirección a la zanja. Además, para su construcción y prolongación de su vida útil, se requiere un contenido mínimo de arcilla de 20% en la zona de la galería.
11.5.2. Implemento usado para la construcción de drenes topo El implemento utilizado para construir los “drenes topo”, se conoce con el nombre de “arado topo”. En el Sur de Chile, es una maquinaria de uso frecuente en
aquellos predios con limitaciones de mal drenaje, existiendo una gran diversidad de tipos y adaptaciones de dicho implemento, pero es posible distinguir dos versiones, descritos a continuación:
11.5.3. Arado topo sin barra de tiro, de acople al sistema hidráulico de tres puntos del tractor Como se indica en la Figura 17, este modelo es básicamente un subsolador modificado, al cual se le ha adicionado un balín expandidor, que generalmente es una esfera o cilindro de metal.
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Figura 17. Arado topo sin barra de tiro.
Fuente: Salgado, 2000. Como se muestra en la Figura 18, este modelo posee una importante desventaja. Debido a que está directamente conectado al sistema de tres puntos, el implemento queda a una corta distancia de las ruedas traseras del tractor, y por lo tanto, se trasmiten al eje longitudinal del dren topo todos los movimientos de oscilación de las ruedas en su contacto con el microrrelieve del suelo. Esto provoca una importante pérdida de linealidad del eje longitudinal, repercutiendo en una deficiencia para el escurrimiento del agua al interior del dren topo. Por la desventaja explicada anteriormente, no se recomienda el uso de este modelo. Figura 18. Efecto de la barra de tiro en la linealidad del dren topo.
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11.5.4. Arado topo con barra de tiro Como se muestra en la Fotografía 6, esta versión consta básicamente de una barra de tiro, una hoja subsoladora, un cilindro de penetración o “torpedo”, un balín expandidor y un par de patines estabilizadores frontales, que puede ser accionado mediante tracción mecánica o animal.
HOJA SUBSOLADORA
BALIN DE PENETRACION
PATINES ESTABILIZADORES
Fotografía 6. Arado topo con barra de tiro. En el caso de tracción mecánica, el acoplamiento al tractor es mediante el sistema de tres puntos, y en el caso de tracción animal, el implemento es de tiro, mediante una cadena, y se agrega en el modelo, una mancera doble para su operación. La principal ventaja de este modelo, es que mediante la barra de tiro se anula en un grado importante la replicación del microrrelieve en el eje longitudinal del dren topo (Figura 18).
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11.5.5. Construcción de drenes topo Las fisuras periféricas que rodean la galería recolectan los excedentes hídricos acumulados en la zona radicular, y por lo tanto, estas fisuras son la clave del éxito del funcionamiento de dichos drenes. Al realizar la labor, estas grietas periféricas son producto de la acción de la hoja subsoladora y el balín expandidor del impacto sobre el suelo. Además, es de vital importancia la linealidad longitudinal de la galería, lo que facilita el obtener una pendiente uniforme y una menor rugosidad interna, permitiendo maximizar el caudal que descargan estos drenes. Estas dos características, se obtienen por una parte, con el uso de un adecuado implemento para la construcción de los drenes, y por otro lado, se requiere considerar normas para la correcta ejecución de la labor. Previo al inicio de la labor de construcción de los drenes topo, debe procederse a la regulación del implemento, distinguiéndose tres tipos de regulación: 1) Regulación de horizontalidad de la barra de tiro. Consiste en que la barra de tiro debe estar paralela a la superficie del suelo durante la ejecución de la labor. 2) Regulación del ángulo de ataque de la hoja subsoladora. Esta debe quedar con un ángulo ligeramente mayor a 90º (aproximadamente 95º) con respecto a la barra de tiro, de tal manera que durante la labor no tienda a enterrarse ni a salirse hacia la superficie, quedando en un punto de equilibrio. 3) Regulación de verticalidad de la hoja subsoladora. Debe quedar en una posición totalmente vertical y perpendicular a la superficie del suelo, para disminuir el roce de éste con las paredes de la hoja subsoladora, que tiende a hacer salir la hoja a la superficie. Además, una posición vertical permite realizar un corte del suelo de mayor impacto, con un mínimo esfuerzo de tracción durante la labor. Los parámetros de diseño y construcción más importantes para los drenes topo son:
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- Época de construcción. - Velocidad de avance. - Espaciamiento entre pasadas. - Profundidad de la galería.
En el Cuadro 9 se presenta un resumen de las recomendaciones técnicas para construcción de drenes topo. Cuadro 9. Recomendaciones técnicas para la construcción de drenes topo
PARÁMETRO
EXPLICACIÓN
RECOMENDACIÓN
Época de
En zona de grietas, debe haber humedad
Término de primavera a
construcción
cercana a suelo seco, para que éstas no se
comienzos de verano,
cierren.
aproximadamente el mes de Diciembre, en la X Región.
En zona de galería debe existir suelo friable para garantizar estabilidad de la galería. Posterior a la labor, debe haber período de “fraguado” de grietas.
Velocidad de la
La rapidez de la rotura del suelo debe anular
3 km/hr, equivalente a
labor
la elasticidad que tiende a cerrar las grietas.
marcha primera lenta del tractor, o el tranco de una
El roce del implemento debe producir calor para fraguar las paredes internas de la galería.
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persona caminando normalmente.
Espaciamiento
Lograr traslape horizontal de grietas entre
entre pasadas
dos pasadas consecutivas (Figura 19)
Profundidad de
Galería debe quedar en zona con mínimo
la galería
20% de arcilla. Grietas deben alcanzar la zona radicular. Evitar daño por pisoteo animal.
Rojas, R. (1984). Drenaje Superficial en Tierras Agrícolas. Figura 19. Selección del espaciamiento entre drenes topo.
Rojas, R. (1984). Drenaje Superficial en Tierras Agrícolas.
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2m 40 a 60 cm
11.5.6. Alternativas de descarga del dren topo a colectores. Las alternativas más comunes son: a) Salida directa a una zanja abierta de una profundidad tal que garantice la caída libre de aguas desde los drenes, como se indica en la Fotografía 7.
Fotografía 7. Drenes topo descargando a zanja. b) Descarga a una zanja de relleno donde se ha instalado previamente un dren de tubo con abundantes piedras y grava como material envolvente que actúa como colector, como se indica en la Figura 20. Figura 20. Descarga de dren topo en tubería de drenaje.
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La primera alternativa es recomendable en suelos planos y donde la construcción de zanjas abiertas no represente dificultades. La segunda alternativa es particularmente útil en suelos que presentan depresiones localizadas, en cuyo caso el dren entubado se ubica en el punto más bajo y los drenes topo se trazan perpendicularmente a lo largo de la tubería.
12. INTERVENCION DE CAUCES NATURALES En todo proyecto de drenaje debe analizarse el cauce evacuador de las aguas para decidir si es necesaria su intervención. Esta situación se presenta cuando el tamaño de su sección o condiciones de limpieza no aseguren la conducción de los caudales adicionales que surgen de una red de drenaje, y que además, eventualmente se produzcan inundaciones del terreno ribereño por la salida del agua. En algunos casos, la importancia de la intervención de los cauces naturales es de primer orden, ya que debido a la baja densidad geográfica, reducida pendiente y sección transversal y su estado de embancamiento y obstrucción por vegetación, éstos no cumplen con la función de evacuar los excesos de lluvia del área, y al contrario, constituyen un importante impedimento a esta necesidad. Por lo tanto, dependiendo de la gravedad del problema, a veces es necesario el control de inundaciones, la limpieza, el enderezamiento y el aumento de la sección de conducción de los cauces naturales existentes en la zona del proyecto.
12.1. CONTROL DE INUNDACIONES Si bien este tema puede considerarse no directamente relacionado con el drenaje, no es menos cierto que en muchos terrenos ésta es la razón principal de los problemas de drenaje que se presentan. Tal es el caso de las terrazas bajas adyacentes a ríos y esteros. La solución de un problema de esta naturaleza consiste en la construcción de obras de ingeniería que impidan el desbordamiento de los ríos o
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esteros causantes de la dificultad. Las obras más comunes son los diques y muros de contención.
12.1.1. Diques Los diques son muros de tierra levantados en los márgenes de los ríos que permiten aumentar la capacidad natural del estero e impedir que el agua ingrese a las áreas bajas adyacentes.
La Figura 21, muestra un dique y las formas más
tradicionales de elevar su altura bajo condiciones críticas.
12.1.2. Muros de contención Los muros de contención son, por lo general, obras de hormigón, albañilería o madera, destinados también a aumentar la capacidad de porteo del río e impedir que el agua ingrese a los terrenos circundantes. En la Figura 22, se muestran diferentes tipos de muros que pueden construirse. Figura 21. Diques de contención (Schwab, G. y otros, 1981).
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Figura 22. Muros de contención (Schwab, G. y otros, 1981).
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12.2. LIMPIEZA DE CAUCES NATURALES La labor de limpieza consiste en la extracción de sedimentos, despeje y retiro de toda la vegetación existente sobre el ancho de corte de los cauces, ya sean malezas, matorrales, o árboles de diverso tamaño. Esta labor es realizada sobre el lecho de los cauces, utilizando una excavadora oruga. La labor de limpieza de árboles no es efectuada mediante tala, sino que a través del volteo de los árboles utilizando el brazo de la excavadora. Esto se consigue fácilmente, debido a que el arraigamiento de árboles en el lecho de los cauces es de tipo superficial. Posterior al volteo de los árboles, se arrastran y levantan los matorrales y árboles derribados, utilizando conjuntamente el brazo y el balde de la excavadora.
12.3. AMPLIACIÓN DE CAUCES NATURALES Para el cálculo de la excavación en cauces naturales, debe considerarse que existe una sección actual, la cual será ampliada.
Por lo tanto, la sección de
excavación corresponde a la diferencia entre la sección futura y la sección actual del cauce. El cálculo de las secciones y dimensiones de los cauces naturales ampliados, se rige por la misma metodología utilizada en el caso de zanjas de drenaje, es decir, la fórmula de Manning. En suelos ñadis, el valor del talud corresponde a 0 :1, ya que los cauces tienen su sello en el sustrato fluvioglacial cementado, que permite este talud vertical. Al igual que la labor de limpieza, dicha labor se realiza sobre el lecho de los cauces, utilizando una excavadora. En el Cuadro 10 se presentan las características y los estándares para limpieza y ampliación de cauces naturales.
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Cuadro 10. Estándares limpieza y excavación de cauces naturales
Medio
Etapa
Excavadora Oruga
Limpieza
Modelo 200
de Cauce Natural
133 HP potencia
Rendimiento Condición de obstrucción severa
= 315 m /hr
Condición de obstrucción normal
= 450
m2/hr
nominal Condición de obstrucción favorable = 585 m2/hr
Balde 1200 mm ancho y 0,93 m3 capacidad
Excavación 30 – 40 m /hr. de Cauce Natural
Fuente: Schwab, G. y otros, 1981.
13.- MANTENCION DE OBRAS DE DRENAJE La mantención de sistemas de drenaje, es un aspecto al que generalmente se atribuye menor importancia de la que se merece. En la mayoría de los casos, es un compromiso descuidado y muchas veces olvidado por completo. Lamentablemente es frecuente constatar el deplorable estado de funcionamiento y conservación de obras de drenaje en las que se han invertido cuantiosos recursos, situación inaceptable desde todo punto de vista, como se muestra en la Fotografía 8.
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Fotografía 8. Zanja de drenaje en pésimas condiciones de mantención. Por lo anterior, es necesario reafirmar, recordar e insistir en la importancia de la mantención de las obras, de tal manera que sean asumidas como una obligación ineludible que debe ser cumplida permanentemente por los usuarios. Existen dos objetivos de gran importancia perseguidos con la mantención de las obras. Por una parte, la adecuada mantención asegura permanencia de las propiedades hidráulicas del sistema, es decir, permite que las obras funcionen adecuadamente descargando los caudales para las que fueron diseñadas. Por otro lado, es obvio que solamente con una adecuada mantención es posible resguardar las inversiones realizadas en las obras, optimizando la vida útil de éstas, protegiendo y haciendo más eficiente el uso de los recursos.
13.1. MANTENCIÓN DE ZANJAS Las labores de mantención a realizar en zanjas colectoras se recomienda efectuarlas previamente a la época de lluvias, durante el período estival, con frecuencia de una vez por temporada.
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13.1.1. Extracción de sedimentos Una vez finalizada la temporada de drenaje, los caudales comienzan a disminuir en cantidad y velocidad, de tal manera que progresivamente se van depositando sedimentos en el sello o fondo de la zanja. Por otro lado, en plena temporada de drenaje, las altas velocidades que suelen alcanzar los caudales, posibilitan el arrastre de objetos (troncos, ramas, piedras, restos de derrumbes, otros), los cuales luego se depositan en puntos de cambio de dirección o de menor velocidad, lugares en donde progresivamente se van acumulando. La extracción de estos depósitos, dependiendo de la longitud total y del tamaño de la zanja, puede realizarse manualmente, con palas, o bien utilizando excavadoras con un tipo de balde apropiado para la labor.
13.1.2. Corte de vegetación de berma, talud y sello de la zanja Las adecuadas condiciones de humedad y estado de permanente rezago que existe en la berma, taludes y sello de la zanja, producen condiciones favorables para el crecimiento de la vegetación en dichos sitios. La labor de control de esta vegetación puede realizarse en forma manual usando herramientas cortantes (rozones, guadañas, machetes, otros); en forma mecanizada, ya sea con herramientas mecánicas manuales como una desbrozadora, o con el uso de implementos accionados con tractor, como una barra segadora lateral angulable. También pueden utilizarse herbicidas químicos de contacto como Gramoxone o sistémicos como Round-up.
13.1.3. Reparación de cercos La presencia de un cerco a ambos lados de la zanja es imprescindible para asegurar una adecuada mantención de ésta. Por lo tanto, debe realizarse
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periódicamente una inspección del estado de conservación de los cercos y al detectarse un desperfecto, debe procederse de inmediato a su reparación. Según Rojas, R. (1984): El principal daño que ocasiona la ausencia de cerco o un estado deficiente de éste, es la destrucción del talud de la zanja debido al pisoteo de animales de pastoreo, los que se aproximan a la zanja para abrevar y consumo de la vegetación existente. Este daño suele ser tan severo, que al cabo de algunos años prácticamente se produce la destrucción total de la zanja (p. 113). Por otro lado, un buen cerco es también garantía de seguridad para los animales, ya que al impedir su paso, se evita que aquellos de peso considerable, como los bovinos, puedan perecer ahogados o asfixiados al caer dentro de una zanja; más aún si ésta es de un tamaño considerable. En la inspección de los cercos, debe revisarse el estado de los estacones, reemplazando aquellos que se encuentran quebrados o podridos. También se debe revisar la fijación y tensión del alambre. Para asegurar una mayor vida útil de los estacones, se recomienda impregnarlos, o pintarlos con aceite quemado.
13.1.4. Inspección y limpieza de alcantarillas Cuando las zanjas deben cruzar un camino es necesario construir una alcantarilla.
Es frecuente que estas alcantarillas se construyan sin cámaras de
decantación, razón por la cual al cabo de unos años presentan una gran acumulación de material depositado en su interior. Esto es difícil de limpiar y reduce en forma importante la sección de flujo. Las cámaras de decantación son receptáculos rectangulares instalados al inicio y final de la alcantarilla (en cada extremo) y cuyo fondo se ubica por debajo del sello de ésta. Así al bajar la velocidad del agua en este punto, se produce la decantación de las partículas en suspensión.
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Por lo tanto, para asegurar la adecuada mantención de las alcantarillas y resguardar de esta manera que no se conviertan en un obstáculo para la red de zanjas, se deben instalar cámaras de decantación al inicio y al final de la alcantarilla, y proceder a la extracción de los sedimentos todos los años.
13.2. MANTENCIÓN DE DRENES DE TUBERÍA Las labores de mantención en drenes de tubería se recomienda efectuarlas previo a la época de lluvias, durante el período estival.
13.2.1. Remoción de sedimentos del interior de las tuberías No obstante el uso de material filtrante y de estructuras de mantención, con el transcurso del tiempo los drenes subterráneos disminuyen su eficiencia, lo cual puede deberse a: Sedimentación de materiales finos del suelo, como arena fina y limo. Obstrucción por raíces de los cultivos, situación que es más frecuente en
cultivos permanentes de arraigamiento profundo. Obstrucción por depósitos químicos, como óxidos de Fierro no soluble.
Cuando ocurren tales problemas, la eliminación de estos depósitos, se realiza mediante las siguientes labores:
a) Raspado, mediante escobillas accionadas en forma manual o mecánica. Al interior de la tubería, se introducen varillas con suficiente rigidez y flexibilidad, que permitan realizar un raspado de las paredes internas de los drenes, mediante escobillas adosadas en sus extremos. Esta técnica posee la limitación de no permitir una gran longitud de limpieza, razón por la cual su uso se ha discontinuado.
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b) Lavado con agua a alta presión, utilizando una bomba inyectora. Este método consiste en la introducción de una manguera en el interior de la tubería, que en su extremo inicial consta de una boquilla que posee salidas en diferentes direcciones, que expulsa el agua a gran velocidad. Una de las salidas de la boquilla es un chorro lineal frontal, que va impactando y desagregando los depósitos de material; y la otra salida consiste en un cono proyectado en sentido inverso, y que al impactar la pared interna de la tubería, genera una fuerza de reacción que va provocando el avance de la manguera, y produciendo el flujo de salida para el arrastre del material en suspensión hacia el exterior de la tubería. Esta manguera es presurizada mediante una bomba que inyecta la presión necesaria.
c) Empleo de gas anhídrido sulfuroso. Cuando las aguas de drenaje poseen altas concentraciones de óxidos de fierro, existe el riesgo de acumulación de óxidos férricos no solubles en las paredes internas de las tuberías, que eventualmente podrían provocar la obstrucción de éstas. Para la remoción de dichos óxidos férricos no solubles se recomienda inyectar anhídrido sulfuroso en la forma de gas, que transforman estos agregados férricos en un compuesto ferroso soluble eliminados con las aguas de drenaje.
13.2.2. Inspección, limpieza y reparación de estructuras También es importante inspeccionar el estado en que se encuentran las estructuras instaladas conjuntamente con las tuberías, en especial las cámaras de inspección y las salidas de tubería. En ellas debe procederse a su limpieza y reparación en caso de ser necesario. Para ambas estructuras, se recomienda su protección con un cerco, manteniéndolas siempre con la vegetación cortada.
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13.3. MANTENCIÓN DE CAUCES NATURALES Las labores de mantención a realizar en los cauces naturales se recomienda realizarlas durante la época de menor caudal, correspondiente normalmente a la primera quincena de marzo, con una frecuencia aproximada de dos años.
13.3.1. Limpieza de sedimentos y restos de materiales y árboles acumulados en la sección del cauce Durante el período de crecidas, es frecuente que los cauces transporten diversos materiales y objetos (ramas, troncos, piedras, basura, otros), debido a las altas velocidades y caudales producidos en estos eventos. Dependiendo de las características de la sección y de los accidentes naturales presentes a lo largo del cauce, en algunos puntos se van depositando y acumulando estos materiales, lo cual al final del período de crecidas produce áreas propicias para la sedimentación. Estima Rojas, R. (óp. cit., 1984), que: En muchos casos, esto se ve agravado por la continuación de cercos en la sección del cauce, en aquellas propiedades que poseen terrenos a ambos lados de éste, lo cual se hace aludiendo a la necesidad de evitar el ingreso de los animales de los vecinos hacia el interior de las propiedades. Estos cercos instalados dentro del cauce, actúan como verdaderas redes de intercepción de objetos en las crecidas, generando acumulaciones que se transforman en graves obstáculos para el escurrimiento de las aguas. Obviamente, por las razones expuestas, debe evitarse la instalación de dichos cercos dentro del cauce, o bien retirar periódicamente los materiales acumulados (p. 119). Para la extracción de los sedimentos y los materiales acumulados, generalmente es recomendable realizar esta labor en forma mecanizada, mediante el uso de una excavadora.
No obstante, es posible desarrollarlo manualmente,
utilizando tracción animal con carretas para el retiro del material.
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13.3.2. Control de vegetación en las riberas Con el transcurso del tiempo, y debido al favorable contenido de humedad, en la ribera de los cauces se va desarrollando abundante vegetación, tanto herbácea como arbustiva y arbórea. Si no se controla este crecimiento, al cabo de algunos años la vegetación se desarrollará también en la sección del cauce, produciendo una disminución de la velocidad del agua por un aumento de la rugosidad, reduciendo la capacidad de conducción. Sin embargo, es recomendable mantener la ribera con presencia de vegetación, ya que actúa como protección a la acción erosiva del caudal durante las crecidas. Por lo tanto, en lo referente al control de la vegetación, la mantención de las riberas debe realizarse sólo con el objeto de impedir que ésta se desarrolle hacia el interior de la sección, pero debe mantenerse el máximo de vegetación presente en la ribera propiamente tal. Por ser esta labor bastante selectiva y controlada, se recomienda realizarla en forma manual utilizando herramientas cortantes (rozones, guadañas, machetes, otros) o utilizando herramientas mecánicas manuales, como una desbrozadora.
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CONCLUSIONES El drenaje agrícola es el conjunto de obras que es necesario construir en una parcela cuando existen excesos de agua sobre su superficie o dentro del perfil del suelo, con el objeto de desalojar dichos excedentes en un tiempo adecuado, para asegurar un contenido de humedad apropiado para las raíces de las plantas y conseguir así su óptimo desarrollo. Existen fundamentalmente dos tipos, superficial y subterráneo. El drenaje superficial, también llamados por inundación, anegamiento o encharcamiento de los terrenos, que se caracteriza por la presencia de una capa o lámina de agua sobre la superficie del terreno que satura la parte superior del suelo. Esta capa de agua puede cubrir solo las partes más bajas de una parcela, formando charcos más o menos aislados. Cuando se remueven los excesos de agua que se acumulan sobre la superficie, se habla de drenaje superficial. Los problemas de drenaje superficial se dan con mayor frecuencia en zonas húmedas, cuando se rebasa la capacidad natural de drenaje de los suelos, ya sea superficial, interna o ambas. El drenaje subterráneo, también conocido como interno o subsuperficial, que se caracteriza por la presencia de un manto freático cercano a la superficie del terreno que satura el perfil del suelo y propicia una humedad muy alta en la zona de desarrollo de las raíces de los cultivos. Cuando se remueven los excesos de agua de una cierta profundidad del suelo, se habla de drenaje subterráneo. Los problemas más importantes de drenaje interno se dan en zonas áridas y semiáridas bajo riego, en donde existen fuertes filtraciones en canales o en las parcelas que alimentan los niveles freáticos; lo que combinado con una red de drenaje insuficiente o ineficiente, propicia la elevación de los mantos freáticos.
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En general, las causas de los problemas de drenaje son de dos tipos, por su origen (natural o artificial) y por su tipo de actividad (activa o pasiva). Las causas calificadas como naturales son más frecuentes en las zonas húmedas, mientras que las artificiales ocurren más frecuentemente en las zonas áridas de riego. Las causas activas están relacionadas con aportaciones abundantes de agua, ya sean naturales (lluvias intensas, desbordamientos, inundaciones, entre otras) o artificiales (riegos). Las pasivas son cuando existen impedimentos generalmente naturales para desalojar dichos excesos de agua, ya sean topográficos, suelos poco permeables, restricciones del perfil del suelo, entre otros, aunque también pueden ser artificiales, como obstrucciones de diferente tipo, red de drenaje inadecuada, azolvamiento, entre otros. Para evaluar la gravedad de un problema de drenaje, ambas causas deben ser analizadas conjuntamente, lo cual en términos cualitativos se explica con relativa facilidad, pero se complica considerablemente cuando se pretende explicar en términos cuantitativos. Por ejemplo, una recarga dada puede no producir problemas de exceso de agua si no se tienen impedimentos para su salida y en cambio, la misma recarga con dificultades para desalojarse producirá un problema. Los problemas de drenaje se presentan cuando las inundaciones superficiales asfixian a los cultivos, debido a que el aire es reemplazado por el agua. Esto evita toda posibilidad de provisión de oxígeno y afecta también a la actividad biológica y al mismo suelo. Además, internamente reduce el volumen de suelo disponible para las raíces, afectando la aireación y el desarrollo radicular, por lo que se disminuye la capacidad de absorción de agua y nutrientes de la mayoría de las plantas.
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