Drenaje en Suelos Agricolas PDF

GOBIERNO DE CHILE MINISTERIO DE AGRICULTURA

COMISION NACIONAL DE RIEGO CORPORACIÓN DE FOMENTO DE LA PRODUCCIÓN

DRENAJE EN SUELOS AGRICOLAS

INSTITUTO DE INVESTIGACIONES AGROPECUARIAS INIA - CARILLANCA FEBRERO 2001

DRENAJE DE SUELOS AGRICOLAS Leopoldo Ortega e Ing. Agrónomo. Instituto de Investigaciones Agropecuarias Centro Regional de Investigación Remehue

1.

Luis Saga do S Ing. Agrónomo Ph.D. Facultad de Ingeniería Agrícola Universidad de Concepción

INTRODUCCION

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. Salgado (1991), indica que estudios de suelos realizados entre Santiago y asomo, reportan una superficie de 800.000 ha con problemas de drenaje restringido, que representan el 38% del total arable entre ambas ciudades.

Por su parte, Ortega

(1993), citando cifras elaboradas por INIA-Remehue, indica que en la X Región existen 554.675 ha con problemas de drenaje, que representan el 32,4% de la superficie total con aptitud agropecuaria.

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. El objetivo del presente Boletín Técnico es proporcionar a agricultores, técnicos y profesionales no especializados en esta temática, elementos de juicio y antecedentes técnicos necesarios y suficientes que permitan realizar un acertado diagnóstico de un problema de drenaje, recomendar algunas labores y obras tipo y elaborar un perfil de proyecto de drenaje.

Cabe hacer presente que la mayoría de los estándares expuestos en el presente documento, corresponden a valores promedio de obras ejecutadas en la X Región. Por lo tanto, estos valores deben utilizarse con la prudencia del caso, y adecuarlos, dependiendo de las características del terreno, tipo de maquinaria y condiciones de trabajo.

Más aún, si se trata de condiciones muy particulares, o de proyectos en

otras regiones.

2.

DEFINICION DEL PROBLEMA.

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. 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.

o _I1IWo~

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

2

para los procesos fisiológicos de crecimiento y desarrollo radicular, como se muestra en la Figura 2.

Figura 2.

TUBERIA DE DRENAJE

Diferencia de crecimiento radicular y vigor de la planta bajo condiciones de mal y buen drenaje

3.

CLA51FICACION DEL PROBLEMA DE DRENAJE.

Según la localización de los excesos de agua, el problema de drenaje se clasifica en subsuperficial y superficial. 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.

(R) Recarga

/ 1/1

3

Figura 3. Diagrama generalizado del 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

zona~

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 superficie del suelo, durante un tiempo superior al que los cultivos pueden soportar sin manifestar serios efectos sobre los rendimiento y/o sobrevivencia.

Los tipos más característicos de problemas de drenaje superficial del sur de Chile, y en particular en la X Región, son los conocidos comúnmente como "ñadis", "hualves" y "vegas".

En la Figura 4 se presenta un modelo hidrológico del drenaje superficial.

4

EVAPOTRANSPIRACION

t

Figura 4. Modelo hidrológico simplificado 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 yescorrentía. 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.

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 5

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 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 microrelieve 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 microrelive 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. 6

4.

CONSECUENCIAS DEL MAL DRENAJE.

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. ACUMULACION DE AGUA SOBRE EL NIVEL DEL SUELO

~

PERDIDA DE TRABAJABILlDAD Y CAPACIDAD DE SOPORTE

~

~

..........

~

1

PROBLEMAS DE MECANIZACION

~

...

~ PROBLEMAS SANITARIOS

~ DAÑOS A INFRAESTRUCTURA

...

DISMINUCION DE RENDIMIENTOS

I

"

PERDIDAS ECONOMICAS

Figura 5. Efectos de la acumulación superficial de agua en el suelo

7

PERDIDAS ECONOMICAS

Figura 6.

Efectos del mal drenaje en el interior del suelo

En el Cuadro 1 se presenta una comparación del efecto entre suelo bien drenado y mal drenado a diversos factores del suelo.

8

Cuadro 1.

Consecuencias del mal drenaje

FACTOR

SUELO BIEN DRENADO

SUELO MAL DRENADO

Aireación del Suelo Temperatura del suelo Disponibilidad de nutrientes Trabajabilidad y capacidad de soporte del suelo Mecanización

15 - 20 % oxígeno Normal Normal

Menos de 5% de oxíoeno 1 a 5 o más baja Escasa a nula

Soporta peso sin destrucción de su estructura, ni compactación Preparación de suelos óptima en calidad y oportunidad Normales

Se destruye estructura del suelo y éste se compacta fácilmente

Problemas Sanitarios

Daños a Infraestructura Mejor mantención

e

Deficiente preparación de suelo y con retraso. Se acentúan problemas en plantas, animales V humanos. Mayor daño y menor vida útil (Ej.: caminos)

5. RECONOCIMIENTO Y DIAGNOSTICO 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.

5.1. 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.

5.1.1. Recopilación de Antecedentes.

9

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.

5.1.2. 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 lo 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 Iimitantes del suelo. Las características de textura, estructura y estratificación, son determinantes en la formación de problemas de mal drenaje.

•

Identificación de limitaciones de topografía.

5.2. Diagnóstico. Posterior al reconocimiento, se realiza un diagnóstico del problema, el cual debe entregar la siguiente información: 10

•

Identificación de las causas del problema.

•

Identificación de las fuentes de exceso de agua.

•

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)

6.

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 zona 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,

11

los cuales al no ser contenidos en el cauce normal, se desbordan provocando problemas de drenaje a lo largo del plano de inundación ("vegas"). 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. 12

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 microrelieve 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)

Microrelieve 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.

7.

TIPOS DE PROBLEMAS Y TÉCNICAS DE DRENAJE: CASO DEL SUR DE CHILE.

En la zona sur de Chile,

los problemas de drenaje superficial se deben

fundamentalmente a limitaciones de suelo, topografía y/o la existencia de un período invernal de lluvias frecuentes y de gran magnitud. Los problemas de drenaje detectados más importantes corresponden a los suelos ñadis (suelos trumaos planos, delgados y con estrata impermeable continua),

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problemas de acumulación de agua en depresiones localizadas o sectores "hualves" e inundación de terrazas fluviales o "vegas" con problemas de napa freática alta. En este boletín técnico, nos referiremos a aquellas obras definidas para cada tipo de problema:

Suelos Ñadis

Sistema zanja colectora con drenes topo. Limpieza y ampliación de cauces.

Sectores "Hualves"

Zanjas, drenes en V, o drenes de tubería enterrada, en combinación con algunas estructuras.

Sectores "Vegas"

Oren interceptor. Sistema zanja - dren topo. Diques o muros de contención de inundaciones.

Napa Freática

Zanjas. Tuberías de drenaje.

8.

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. e) Construcción de zanjas.

14

8.1

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 (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.

8.2

Dimensionamiento de la zanja

Los parámetros de dimensionamiento de una zanja de sección trapezoidal, se indican en la Figura 7.

15

8

~'-----------!>I

j'

H

Z

FIGURA 7.

Parámetros de una zanja /

Para calcular estas dimensiones se utilizan las siguientes ecuaciones: Q

A V P H

B

= = = = = =

A * V b * d + Z * d2 (1 In) * (A I

P)2/3

* S 0 1/2

b + 2 * d * (1 + Z2)

Fórmula de Manning

1/2

d + r b+2*Z * H

Donde: Q

A V b d

Z n P So H

r

= = = = = = = = = = =

Caudal de drenaje (m 3/s) Area transversal de conducción (m 2) Velocidad del flujo (mIs) 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). 16

B

=

Ancho superior de la zanja (m).

Para calcular las dimensiones de la zanja, la fórmula de Manning la expresamos de la siguiente forma:

Q

=

AxV

Q

=

A x (1/n) x

=

A S/3

(Q x n) / S 0 1/2

/

(AlP)2/3

x S 0 1/2

p 2/3

((Q x n) / S 0 1/2)

3

=

AS / p 2

((Q x n) / S 0 1/2)

3

=

(b x d + Z x d2)

S /

(b + 2 x d x (1 + Z2)

1/2) 2

Al realizar el cálculo, son conocidos los siguientes valores: Q

Calculado de acuerdo a un estudio hidrológico y de precipitaciones.

n

Se obtiene del Cuadro 2.

So

Se obtiene en el plano topográfico, o se asume.

Z

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

computacional mente.

Cuadro 2.

Valores de coeficiente de rugosidad n

Condición del Oren

Valor de n

Muy limpio

0,022 - 0,030

Limpio

0,029 - 0,050

Con poca vegetación Con moderada vegetación

0,040 - 0,067 0,050 - 0,100 0,067 - 0,200

Con exceso de vegetación Fuente:

Grassl, Carlos J. 1991. "Drenaje de Tierras Agncolas"

17

Cuadro 3.

Talud Z (1 : Z) en drenes abiertos

Z

Material de excavación Roca firme Hard-pan duro. Roca con fisuras Grava cementada. Arcilla y Hard-pan ordinario Arcilla con grava. Suelos francos Limo arcilloso Suelos francos con grava Suelos franco-arenosos Suelos muy arenosos Fuente:

0,25 0,5 0,75 1 1 1,5 2

3

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.

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 0,10/0, 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. Cuadro 4.

Velocidad (mIs) máxima no erosiva en drenes abiertos

Material Excavado

Velocidad Máxima No erosiva (mis) Aguas I Agua con limo I Agua con arena claras coloidal o Qravas 18

Arena fina no coloidal Material franco arenoso no coloidal Material franco limoso no coloidal Limos aluviales no coloidales Material franco arenoso firme Cenizas Volcánicas Grava fina Arcilla firme coloidal Material franco o cascajoso bien proporcionado Limos aluviales coloidales Material limoso o cascajoso bien proporcionado Cascajo qrueso Piedras redondeadas Esquistos arcillosos y arcilla compacta Fuente:

0,45 0,50 0,60 0,60 0,75 0,75 0,75 1,15 1,15

0,75 0,75 0,90 1,10 1,10 1,10 1,50 1,50 1,50

0,45 0,60 0,69 0,60 0,70 0,60 1,15 0,90 1,50

1,15 1,20

1,50 1,70

0,90 1,50

1,20 1,50 1,80

1,80 1,70 1,80

1,95 1,95 1,50

Fortler and Scobey. 1926. Trans. ASeE Vol 89 pago 940

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.

En el caso de suelos ñadis, el valor de la altura libre (r), corresponde a la profundidad de los drenes topo, se recomienda sea igual a 0,5 m.

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)

=

2501/s=

Pendiente del suelo

=

0,2%

Suelo de textura franca. Construcción manual.

Solución: 19

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:

=

(b x d + Z x d2)5

(b + 2 x d x (1 + Z2)1/2)2 obtenemos:

((0,25 x 0,04) 1(0,002)112)3 =

(0,5 x d + 1 x d2)5 (0,5 + 2

=

0,01118

x d x (1

+ 12)1/2)2

(0,5 x d + d2)5 (0,5 + 2 x d

X

2 1/2 )2

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 (0,5 + 2 x (0,53)

X

2 1/2 )2

=

0,048480319

=

0,01213

3,996266376

Al calcular la velocidad obtenemos 0,47 mIs, 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.

20

8.3

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.

8.3.1 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.

Cuadro 5.

Estándares de roce, limpieza y despeje de faja.

Etapa

Procedimiento Actividad

Rendimiento

Roce y Despeje

Mano de Obra no calificada con rozones y horquetas.

100 m/jornada para faja de 3 m de ancho

Traslado a Camión tolva. botadero

Corte de vegetación. Acumular material en hileras o montones. CarQar material en camión.

Traslado de material a botadero 100 m/hr con distancia a botadero de 1 km.

8.3.2 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 21

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 zanjas. En el Cuadro 6 se presentan los estándares y características de esta etapa, para excavación mecanizada.

Cuadro 6.

Estándares de excavación mecanizada de zanjas

Etapa

Procedimiento

Rendimiento

Excavación

Excavadora Oruga Modelo 200. 133 HP potencia nominal. Balde 1200 mm ancho y 0,93 m3 capacidad. Mano de obra no calificada con palas rectas.

Terreno blando Terreno semi-blando Terreno duro

Terminación de la sección

=50-70 m /hr. =40-60 m /hr =30-40 m /hr 3

3

3

El movimiento de tierra es aproximadamente igual al 2,5% del material excavado. Rendimiento aproximado de 5 m3/jornada.

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.

22

Fotografía 2.Construcción de zanja con retroexcavadora.

8.3.3 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.

23

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.

Cuadro 7.

Estándares de retiro del material excavado

Modalidad

Rendimiento

Manual, con pala y carretilla con retiro a 100 m de distancia

Rend. traslado tierra excavada = 6,75 m3/jornada Rend. traslado ripio excavado = 3 m3/jornada

Mecanizada, con camión tolva y descarga a 1 km de distancia

Rend. traslado tierra excavada = 38 m3/hr. Rend. traslado ripio excavado = 32 m3/hr.

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.

8.3.4 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 dreno 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 %". 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. 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

24

construcción de 1 km de cerco doble de estas características (5 jornadas/100 m cerco simple).

9.

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 tn ",,,

"'

"" "". "'., ""

"v••

.envolvente de áridos

En remplazo de la combinación tubería-envolvente, se usar puede piedra (balones o grava), ladrillos (liso o perforado) o materiales de origen vegetal (troncos, 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.

9.1

Materiales de tuberías.

Las tuberías de drenaje se encuentran disponibles en diversos materiales, como plástico (corrugado o liso), arcilla y hormigón.

25

La mayor ventaja de las tuberías plásticas frente a las tuberías de hormigón y arcilla dice 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 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.

9.2

Diámetro de tuberías.

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: d

=

[Q / ( So

1/2

(

0,3117 / n)) ]

3/8

Donde:

d

=

diámetro interior de la tubería (m)

Q

=

Caudal de drenaje (m 3/s) 26

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.

9.3

Envolventes.

27

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 dreno

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 fracasar debido a la descomposición sufrida por efecto de la acción de los microorganismos. 28

Materiales sintéticos

Los materiales sintéticos pueden encontrarse a la forma granular (poliestireno) o fibrosa (nylon, poliester, polietileno o polipropileno). Estos últimos se conocen con el nombre genérico de geotextiles y pueden ser tejidos o no tejidos.

9.4

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.

29

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 98) y c) distancia homogénea entre tubos cuando se trata de tuberías de cemento o arcilla (Figura 9C).

30

(A)

D

0

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--------

--- ----a2

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D

al < 1/2D and a2 < 1/2D (B y

Espaciamientos irregulares

-------1~

-1

IDD~ (C)

Figura 9.

Problemas frecuentes producidos en la instalación de drenes: A) Alineación; B) desuniformidad de la pendiente y e) espaciamiento entre tubos.

9.5

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 31

descripción

de

algunas

estructuras,

indicando

sus

principales

racterísticas constructivas. GOBIERNO DE CHILE Comisión Nacional

de

RiU.1 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.

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o

o

9

salida en albañilería.

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.

32 Valentín Letelier 1350 Teléfono: 425 79 00 - Fax: 425 79 05 - 425 79 04 - 425 79 01 - 425 79 03 - Casilla 424 - V, Correo 21, Santiago - Chile www.chileriego.c1

GOBIERNO DE CHILE Comisión Nacional de Riego

Figura 11. Estructuras de protección a la salida de tuberías.

9.5.2 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.

33 Valentín Letelier 1350 Teléfono: 4257900 - Fax: 4257905 - 4257904 - 4257901 - 4257903 - Casilla 424 - V, Correo 21, Santiago - Chile www.chileriego.cl

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Lateral

colector

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Figura 12. Estructuras de conexión e inspección.

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.

9.5.3 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. 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. 34 Valentín Letelier t 350 Teléfono: 425 79 00 - Fax: 425 79 05 - 425 79 04 - 425 79 O t - 425 79 03 - Casilla 424 - V, Correo 2 t , Santiago - Chile www.chileriego.cl

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.......

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....... ..... almente se construyen en albañilería y su tapa superior puede ser de madera u •rmigón armado (Fotografía 4). 'o'

GOBIERNO DE CHILE Comisión Nacional

de Riego

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.

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. 9.5.4 Cámaras de filtración.

Las cámaras de filtración (Figura 13), son cámaras cilíndricas que contienen balones, conectadas en su fondo con la tubería de drenaje. Se ubican en el punto más bajo

35 Valentín Letelier 1350 Teléfono: 425 79 00 - Fax: 425 79 05 - 425 79 04 - 425 79 01 - 425 79 03 - Casilla 424 - V, Correo 21 , Santiago - Chile www.chileriego.c1

.......

... ....... .... ....... .... .......

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depresiones con apozamientos, permitiendo un rápido ingreso del agua hacia

tubería de drenaje.

GOBIERNO DE CHILE Comisión Nacional de Riego

¡Ipie

Sucer1lc1odol ... olo

Figura 13.

~

Cámaras de filtración

10. 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.

36 Valentín Letelier 1350 Teléfono: 425 79 00 - Fax: 425 79 05 - 425 79 04 - 425 79 01 - 425 79 03 - Casilla 424 - V, Correo 21 , Santiago - Chile www.chileriego.c1

6·14m

GOBIERNO DE CHILE 3·7 m

Comisión Nacional de Riego.

Figura 14.

Sección transversal de dren en V.

Fotografía 5.

Oren en V en construcción.

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. Para el cálculo de las dimensiones de estos drenes, se aplica la misma metodología que para cualquier zanja, utilizando la Fórmula de Manning. 37 Valentín Letelier 1350 Teléfono: 425 79 00 - Fax: 425 79 05 - 425 79 04 - 425 79 01 - 425 79 03 - Casilla 424 - V, Correo 21, Santiago - Chile www.chileriego.c1

RENES INTERCEPTORES.

ste tipo de drenes tienen como misión interceptar el flujo superficial y/o GOBIERNO DE CHILE Comisión ~w!l§MYerficial de

agua que se mueve en una determinada dirección y desviarlo de la

de Riego

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 es colectado 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 instalación de un dren interceptor.

más adecuado para

la

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.

38 Valentín Letelier 1350 Teléfono: 425 79 00 - Fax: 425 79 05 - 425 79 04 - 425 79 01 - 425 79 03 - Casilla 424 - V. Correo 21 . Santiago - Chile www.chileriego.c1

~ GOBIERNO DE CHILE

----- -----

Comisión Nacional

Nivel Frectico iniciel -..~~

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y~)~.

~

,

;

de Riego

Figura 15.

Disminución del nivel freático debido a la acción de un dren de intercepción

12. DRENES TOPO. 12.1

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. Nivel del suelo

...

~Fisuras

I~--------

Figura 16.

Oren topo

Corte transversal de un dren topo.

39 Valentín Letelier 1350 Teléfono: 425 79 00 - Fax: 425 79 05 - 425 79 04 - 425 79 01 - 425 79 03 - Casilla 424 - V, Correo 21 , Santiago - Chile www.chileriego.c1

Isuras periféricas que rodean la galería recolectan los excedentes hídricos umulados en la zona radicular, y por lo tanto, estas fisuras son la clave del éxito GOBIERN0\lc:ck:do'