UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO PUNO FACULTAD DE INGENIERIA AGRICOLA
APUNTES DE CLASE
CURSO: INGENIERIA DE DRENAJES DOCENTE Ing. Lorenzo Cieza Coronel
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DRENAJE DE TIERRA AGRICOLA RESEÑA HISTORICA El drenaje nace con los holandeses, a través de los Pólderes. En el siglo XIX Darcy y Dupuit, hidrólogos Franceses fueron los primeros en desarrollar la teoría del flujo de agua hacia los pozos ó sea el flujo de agua en medios porosos. En el siglo XX ROTHE aplica las formula de Darcy y Dupuit al drenaje deduciendo la primera formula de drenaje. 30 años mas tarde Hooghoudt evoluciona la ciencia del drenaje, hace intervenir el concepto de relación, agua, suelo, planta, generalmente para suelos homogéneos y en forma muy restringida para suelo aluviales. DEFINICION: Drenaje es un conjunto de normas, métodos y procedimientos que se utiliza en la eliminación artificial del exceso de agua del perfil del suelo y de la superficie del mismo para dar condiciones óptimas de oxigenación y contenido de humedad al ambiente donde se desarrolla el cultivo. El drenaje se relaciona con otras ciencias: hidrología, hidráulica, fisiología de las plantas geomorfología, hidrogeología, R.A.S.P. Ventajas del drenaje: -
El drenaje airea el suelo
-
El drenaje modifica la estructura del suelo
-
El drenaje favorece la nitrificación
-
El drenaje permite que las tierras arcillosas resistan mejor a la sequía
-
El drenaje asegura una penetración profunda de las raíces en el suelo
-
El drenaje eleva la temperatura del suelo
-
El drenaje facilita el cultivo del suelo
-
El drenaje hace desaparecer las malas hiervas y enfermedades como consecuencia de la humedad
TIPOS DE PROBLEMAS DE EMPANTONAMIENTO Y SALINIDAD Climas húmedas: cuando la precipitación es mayor que la
evaporación
se produce
empantanamiento por la excesiva precipitación pluvial, siendo las causas de este problema la topografía (relieve no uniforme), problemas edáficos, suelo de textura fina, siendo la solución; el drenaje superficial Condiciones Áridas: propio de la costa peruana en donde se presenta grandes extensiones que necesita de un sistema de drenaje, el problema proviene que la napa freática se encuentra
3 alta, debido a bajas eficiencias de riego, sobre todo en las partes mas altas; geomorfología desfavorable, existencia de barreras impermeables a poca profundidad, para este caso la solución es el drenaje subterráneo: drenes a tajo abierto, drenes entubados, drenaje vertical. Salinidad del Suelo. Es la presencia de altas concentraciones de sales solubles en el agua almacenada en la zona radicular del cultivo ASPECTOS AGRICOLAS DEL DRENAJE A) Agua y airea en el suelo -
Las raíces de las plantas necesitan oxigeno para cumplir su metabolismo, significa que todo el proceso se hace en forma aeróbica, eliminado el CO 2
-
Las partes subterráneas de las plantas, llamase raíces, estolones, etc. y la microflora, y la fauna del suelo, se desarrollan en el medio poroso.
B) Adaptación de las plantas a las condiciones de humedad del suelo Encontramos plantas: Hidrófitas: se desarrollan en extrema humedad (arroz). Mesófitas: necesitan poca humedad (oxigeno) la humedad esta entre CC y Pm. Generalmente son la mayoría de los cultivos. Xerófitas: viven en extrema sequía Freatofitas: son mesofitas que se pueda adoptar; ejemplo el algarrobo. Existen dos tipos de sistemas de drenaje: drenaje superficial y drenaje subterráneo o interno DRENAJE SUBTERRANEO Tiene por finalidad controlar la napa freática. Para ello se elimina el agua infiltrada procedente de la lluvia, riego u otros orígenes, buscando que el perfil del suelo donde se desarrolla las raíces del cultivo, este libre de exceso de humedad. Este tipo de drenaje se realiza mediante zanjas abiertas, tuberías enterradas y drenaje vertical ZANJAS ABIERTAS Generalmente se utiliza para drenes colectores y troncales y en forma muy restringida para drenes parcelarios. Ventajas -
No requiere maquina especializada
-
Se diseña para transportar grandes caudales
-
Tiene gran perímetro mojado por lo tanto tiene mayor efecto lateral
-
Tiene mayor área de influencia
4 Desventajas -
Requiere mantenimiento continuo
-
En suelo poco estables requiere talud muy amplio
-
Su ubicación requiere de la construcción de estructuras adicionales, Ejemplo puentes
-
Perdida considerable de áreas cultivables.
ENTUBADOS Se utiliza para el drenaje subterráneo Ventajas -
Permite uso mas eficiente del terreno
-
Permite mayor avance en su construcción por el empleo de maquinaria especializada, entre ellas la zanjadota entubadora con un avance de 250 – 300 m/hora
-
Requiere poco mantenimiento, generalmente se realiza cada 2 años
-
Permite realizar investigación en parámetro de drenaje
Desventajas -
Mayor costo en cuanto a insumos (grava)
-
Necesita material filtro protector
-
Requiere estructuras de mantenimiento (buzones)
-
Requiere estructuras de salida
Después de limpiar los sedimentos que se hace con agua a presión, se aplica una sonda con productos químicos para eliminar malezas. Esquema de un sistema de drenaje interno Dren Troncal
Lateral
Colector
DRENAJE VERTICAL Consiste en hacer pozos para bombear el agua; este método se utiliza en condiciones especiales, solo cuando el acuífero tiene alta transmisibilidad, siendo sus limitaciones capas impermeables superficiales.
5 Superficie del suelo Napa freática K
D Capa impermeable
T = KD Si T es 500 ó más m2/día se utiliza drenaje vertical, Si la condición fuera diferente tal como se presenta en el siguiente grafico: s.n.f franco C. I arena C. I Si queremos hacer un drenaje vertical en estos condiciones no tiene ningún efecto. HIDRÁULICA DEL AGUA SUBTERRÁNEA Se entiende por agua subterránea la que esta por debajo de la superficie, esto es la humedad del suelo y el agua que satura el medio poroso que forma el acuífero. El agua subterránea se puede visualizar en el siguiente esquema: Superficie del suelo Zona no saturada Franja capilar Nivel Freático Zona saturada Capa impermeable MOVIMIENTO DEL AGUA EN SUELO SATURADO Ley de Darcy En el suelo, el agua fluye a través de los poros interconectados que resultan de la disposición de las partículas, para lo cual requiere de energía. Cuando se trata de fluidos la energía adopta dos formas 1-
Energía cinética, es producida por la velocidad
6 2-
Energía potencial, se origina por la diferencia de altura y diferencia de presión (carga hidrostática)
Esta energía compuesta es representada por la ecuación de Bernoulli, ecuación fundamental de la hidrodinámica. h=
V2 P + +Y 2g γ
V2 = energía cinética 2g P
γ = energía potencial p = presión por unidad de superficie γ = peso de la unidad de volumen o peso especifico y = diferencia de altura o cota sobre un plano de referencia g = aceleración de la gravedad = 9.81 m/seg 2 El agua en el suelo tiene una velocidad muy baja, por lo tanto la energía cinética es muy pequeña, entonces esta se puede despreciar Luego la ecuación quedara de la siguiente manera h=
P
γ
+y
Este valor puede ser medido en suelos saturados por un simple piezómetro y en los no saturados por el tensiómetro. Si esta ecuación lo representamos en dos puntos tendremos lo siguiente: h L Q
……A……………… 1
2
Luego la ecuación será: Y1 +
P1
γ
= Y2 +
P2
γ
+ hL
hL= perdida de carga Q = flujo a través de la muestra
7 L = Longitud de la muestra A = área de la muestra K = conductividad hidráulica h1 = h 2 + h L hL = h 1 – h 2 Según Darcy: V =K
hL L
Q = AV Q = AK
hL ⇒ Q = AKi L
ECUACION DE CONTINUIDAD La ley de Darcy tiene sus limitaciones para analizar los problemas de flujo en medio poroso en general, entre los cuales se encuentran los de drenaje. Para lo cual es necesario tener una expresión que exprese la continuidad del flujo. En la zona saturada el flujo es tridimensional así como aparece en la siguiente figura, con dimensiones dx ,dy ,dz
z Vx+dx vx x
dv = dx dy dz
y
Como en condiciones de saturación todo el espacio poroso esta ocupado por agua y en atención a la continuidad del flujo, implica que la cantidad de agua que entra al paralelepípedo es igual ala que sale; entonces Q X = v x d y d z (Cantidad que entra)
Q x + d x = (v x +
∂v x d x )d y d z Cantidad que sale. ∂x
Entonces la ecuación básica del flujo es una ecuación en derivada parcial que se llama ecuación de Laplace y esta es la siguiente. ∂v x ∂v y ∂v z + + =0 ∂x ∂y ∂z
Según la ley de Darcy y suponiendo un suelo homogéneo e isótropo donde K x= Ky = Kz= K Se puede escribir de la forma siguiente:
8 Vx = K
∂h ∂x
Vy = K
∂h ∂y
Vz = K
∂h ∂z
Sustituyendo en la ecuación de continuidad se tiene: ∂h ∂h ) ∂( K ∂h ) ) ∂( K ∂ y ∂x + ∂z = 0 + ∂x ∂y ∂z
∂( K
Como K es constante desaparece. ∂2 h ∂2 h ∂2 h + + =0 ∂x 2 ∂y 2 ∂z 2
Esta es la ecuación de Laplace para flujo tridimensional; para flujo bidimensional que es común en problemas de drenaje se reduce a: ∂2 h ∂2 h + =0| ∂x 2 ∂y 2
La ecuación de la Place se expresa también de la forma siguiente: ∇2 h = 0
La solución para el problema de flujo puede ser obtenida de diferentes formas: •
Por integración, integrando directamente la ecuación diferencial.
•
Mapeo proporcionado.
•
El Hodografo, es un tipo especial de mapeo proporcionado se utiliza para flujo en estado permanente.
•
Método de relajación.
•
Método de los cuadrados o elementos finitos.
EQUIPOTENICALES Y LINEAS DE FLUJO Suponiendo que se conoce el potencial para un cierto problema de flujo (en un simple caso digamos la altura de la tabla de agua); entonces estaremos en la condición de construir líneas de igual potencial.(Conocidas como equipotenciales o isohypsas).
8
9
7 6 Equipotenciales
5
Las líneas de flujo son siempre perpendiculares a los equipotenciales. Determinar el caudal haciendo uso de la red de flujo
h h1 b d Haciendo uso de las equipotenciales y líneas
de flujo trazamos elementos finitos y
determinamos el caudal que fluye por una determinada área haciendo uso de las siguientes relaciones: b N2 =------------------Lineas de flujo d N1 = -------------------Equipotenciales Q = Kh
N2 N1
CARACTERISTICAS DEL SUELO RESPECTO AL MOVIMIENTO DEL AGUA
10 Influye: Isotropía, anisotropía, homogeneidad, heterogeneidad.
Isótropico
Anisotropico
KX1 = KY1 = KZ1
KX1 ≠ KY1 ≠ KZ1
KX2 = KY2 = KZ2
KX2 ≠ KY2 ≠ KZ2
KX3 = KY3 = KZ3
KX3 ≠ KY3 ≠ KZ3
Homogéneo
Heterogéneo
KX1 = KX2 = KX3
KX1 ≠ KX2 ≠ KX3
KY1 = KY2 = KY3
KY1 ≠ KY2 ≠ KY3
KZ1 = KZ2 = KZ3
KZ1 ≠ KZ2 ≠ KZ3
Isotópico.- Cuando la conductividad hidráulica es la misma en todas direcciones del flujo. Anisotropito.- cuando la conductividad hidráulica en cualquier punto tiene direcciones preferenciales. Homogéneo.- cuando la permeabilidad es la misma en todos los puntos. Heterogéneo.- cuando la permeabilidad varia de un punto a otro en una capa dada. CARACTERISTICAS FISICAS DE LOS ESTRATOS Los estratos que contribuyen el perfil del suelo se clasifican en: Permeables, semipermeables e impermeables. ESTRATO PERMEABLE Un estrato es permeable cuando las propiedades de transmisión de agua son favorables. La resistencia al flujo vertical es pequeña y puede ser despreciada, en consecuencia solo se requiere tomar en cuenta las perdidas de energía causados por el flujo horizontal. También se conoce, como suelos de buen drenaje natural, por lo que permite descender la napa freática en un tiempo bastante rápido de una situación indeseable a otra aceptable. En el ambiente donde se desarrolla las raíces el agua debe ser evacuada rápidamente, la permanencia de este depende del tipo de cultivo. ESTRATO SEMIPERMEABLE En este estrato las propiedades de transmisión de agua son relativamente desfavorables. La velocidad del flujo horizontal, en una distancia significativa es insignificante pero la del vertical
11 no puede ser despreciado aunque la resistencia hidráulica, al mismo, es reducida debido al pequeño espesor de los estratos. ESTRATO IMPERMEABLE En este estrato las propiedades de transmisión de agua son tan desfavorables, que solo fluyen cantidades mínimas de agua ya sean verticales u horizontales. Es una capa del suelo a cierta profundidad, cuya textura es muy fina y su conductividad hidráulica es muy lenta. NAPA FREATICA Es el lugar geométrico en los puntos de la masa de agua que tiene la misma presión atmosférica. A la Napa freática se le llama también superficie freática, capa freática, superficie libre de agua. La napa freática presenta fluctuaciones a través del tiempo debido a las recargas y descargas o sea a las precipitaciones y sequías. El espesor de agua entre la napa freática y la Capa impermeable, se conoce con el nombre de acuífero libre. h
t CONSDUCTIVIDA HIDRAULICA Y PERMEABILIDAD CONDUCTIVIDAD HIDRAULICA. Expresa la facilidad con que el suelo permite el flujo de un fluido según el gradiente. Esta propiedad del suelo no solo depende de las propiedades del medio poroso sino también de la viscosidad y densidad del liquido; la conductividad hidráulica representa el coeficiente K de la Ley de Darcy. PERMEABILIDAD. Se puede definir como la propiedad del medio poroso para dejar pasar el fluido, sin tener en cuenta el tipo y la viscosidad del mismo. La permeabilidad y la conductividad hidráulica tienen numerosas aplicaciones en proyectos de diques, presas, explotación de acuíferos, etc. En cuanto al drenaje se emplea para cuantificar el flujo subterráneo y proyectar la red (específicamente, profundidad, y diámetro de los drenes). La conductividad hidráulica no solo depende de las propiedades del medio poroso sino también de la viscosidad y densidad del líquido. CONDUCTIVIDAD HIDRAULICA HORIZONTAL Y VERTICAL
12 En la naturaleza los suelos, dadas sus condiciones de formación, presentan frecuentemente un perfil estratificado es decir son heterogéneos y anisotropitos, por lo que la conductividad hidráulica depende de la dirección del flujo. Así tenemos que la conductividad hidráulica horizontal es mayor que la vertical Kh > Kv. CONDUCTIVIDAD HIDRAULICA HORIZONTAL Q
Q Δh
H1 H2 L q1 = K1iD1 q2 = K2iD2 q3 = K3iD3 i=∆h/L i = es el mismo para los 3 estratos q1 + q2 + q3 = K1i1D1 + K2i2D2 + K3i3D3 q1+q2+q3 = Q Q= K1i1D1 + K2i2D2 + K3i3D3 i1 = i 2 = i 3 = i Q=i(K1D1 + K2D2 + K3D3)
(1)
Por Darcy el flujo horizontal será: Q=KhiD Q=Kh(hL/L)D Q=KhiD
(2)
Igualando (1) y (2) KhiD=i(K1D1 + K2D2 + K3D3) D1+D2+D3 = D Kh = Kh =
K 1 D1 + K 2 D2 + K 3 D3 D
∑K
D
D
CONDUCTIVIDAD HIDRAULICA VERTICAL
13 Si tenemos un suelo que en su perfil presenta varios estratos, en el cual se han ubicado piezómetros en cada uno de los estratos, tenemos lo siguiente:
D Plano de referencia
V1 =
K1 (h1 − h2 ) VD ⇒⇒ h1 − h2 = 1 1 D1 K1
V2 =
K 2 (h2 − h3 ) V D ⇒⇒ h2 − h3 = 2 2 D2 K2
V3 =
K 3 ( h3 − h4 ) VD ⇒⇒ h3 − h4 = 3 3 D3 K3
hL1+hL2+hL3 = hL V1 D1 V2 D2 V3 D3 + + = hL K1 K2 K3
Si hacemos: V1 = V2 = V3 = V V(
D1 D2 D3 + + ) = hL K1 K 2 K 3
V=
hL D1 D2 D3 + + K1 K 2 K 3
V=Ki V=Kvi
(2)
Igualando (1) y (2)
K Vi =
hL D1 D2 D3 + + K1 K 2 K 3
(1)
14
KV
KV
hL hL = D D1 D2 D3 + + K1 K 2 K 3 hL D = hL D1 D2 D3 + + K1 K 2 K 3
KV =
K =
D D ∑K KV * K h
Conductividad hidráulica promedio
METODO PARA DETERMINAR LA CONDUCTIVIDAD HIDRAULICA Se agrupa de la siguiente forma: a) Métodos que calculan la K en función de alguna característica del suelo. Estos métodos suelen ser poco precisos y no se utilizan para cálculos de drenaje. Estos métodos son: -
Método de la curva de retención de humedad
-
Método de la superficie especifica o curva granulométrica
b) Método de laboratorio, que utilizan permeámetros adoleciendo de los siguientes inconvenientes: -
Las muestras de suelo deben ser inalteradas lo que es difícil de conseguir.
-
Las muestras son siempre de tamaño reducido, por lo que no son representativas.
c) Método de campo. Métodos de gran escala y métodos puntuales. Los primeros se utilizan para hidrogeología, haciendo sondeos, o bombeando el agua. Vamos a estudiar solamente los métodos puntuales que son: •
Método de Auger Hoole
•
Método del Piezómetro
•
Método inverso del Auger Hoole
PERMEAMETRO DE CARGA CONSTANTE
15 Son aquellas en los que el nivel del agua se mantiene constante, bien por una continua aportación del líquido, bien por frecuentes adiciones de agua en los que se consigue que el agua pase a través del suelo a una velocidad constante. Se aplican generalmente para suelos muy permeables. Q = Av = V/t v=
K ( h1 − h2 ) L
AK (h1 − h2 ) v = L t K =
VL ( h1 − h2 )tA
K =
VL ( hL )tA
K= cm/seg. h1 = altura total h2 = altura del agua L = longitud de muestra A = sección transversal (cm2) T = segundos Q1 = caudal de entrada Q2 = caudal de salida PERMEAMETRO DE CARGA VARIABLE En este tipo de permeametros se mide la cantidad de agua que atraviesa una muestra de suelo por diferencia de niveles en un tubo alimentador, este tipo de permeametro se utiliza para suelos finos y gruesos. a h h
h A
L
A = área de muestra L = longitud de muestra h1= carga hidráulica al principio de la prueba.
16 h2 = carga hidráulica al final de la prueba t = tiempo requerido para que la carga hidráulica pase de h 1 a h2. a = área del tubo El agua en el tubo vertical habrá tenido un descenso (dh) en un tiempo dt Por lo que lo expresamos de la siguiente manera. dq = a
dh dt
………….(1)
Por Darcy dq = K
h A ………….(2) L
Igualando (1) y (2) a
dh h =K A dt L
Pasando h del primer miembro al segundo miembro: KA dh dt = a L h h1 dt KA t dt = a ∫ ∫ h2 h L 0
ln =2.3 logN KA h t = a ln 1 L h2 K=
La h1 ln At h2
K=
La h 2.3 log 1 At h2
K= Cm/seg.
METODO DE CAMPO METODO DEL AUGER HOOLE Este método también se conoce con el nombre de Hooghoudt o de la barrena, es el mas utilizado en estudios de drenaje, tiene el inconveniente que solo mide la conductividad hidráulica por debajo del nivel freático. Consiste en ubicar un área representativa y perforar un hoyo utilizando barrena tipo holandés, hasta 60 u 80 cm. Por debajo del nivel freático, luego esperar la recuperación del agua en el hoyo hasta alcanzar su nivel natural y con un bailer (extractor de agua) deprimir violentamente el nivel freático en el hoyo, finalmente tan rápido como sea posible iniciar las lecturas de recuperación.
17 Estas lecturas serán ∆h y ∆t y utilizando las formulas de Hooghoudt y de Ernest se determina la conductividad hidráulica (K) en m/día. FORMULA DE HOOGHOUDT Hooghoudt en 1936 estableció 2 formulas para S=0 y S≠0. Superficie del terreno Nivel freático
h=
h0 + hn 2
Condición
∆h ≤
h0 4
Asunciones: 1. Suelo homogéneo e isotropito 2. El flujo es horizontal a través de los paredes del pozo 3. No se produce abatimiento alrededor del pozo en el momento de la prueba. El ascenso del agua se determina haciendo el siguiente análisis a) Ascenso del agua por las paredes del pozo dh 2ΠrH h = K 2 dt R Πr dh 2 H h = K dt R r
(1)
R = factor de geometría
R = rH/0.19 (r, H, en m.) K=m/seg. R = rH/19 (r, H, en cm.) K=cm/seg. dh = velocidad de ascenso del nivel del agua, es directamente proporcional al área cilíndrica dt
a través de la cual filtra el agua hacia el pozo e inversamente proporcional a la sección transversal del mismo. b) El agua que filtra a través del fondo del pozo se puede expresar por la ecuación: dh π * r 2 h = K dt π * r 2 R dh Kh = dt R
Flujo por el fondo
Si sumamos el flujo radial y vertical a través del fondo.
18 dh 2 H h = K dt R r
(1)
dh Kh = dt R
(2)
Sumando: dh 2 HK h Kh = + dt R R r dh Kh 2 H = ( + 1) dt R r dh Kh 2 H + r = ( ) dt R r dh K 2 H + r = ( ) dt h R r
∫
dh K 2H + r t = ( ) ∫ dt 0 h R r
ln
h0 K 2 H + r = ( )t hn R r
h0
hn
h K 2H + r ( )t = ln 0 R r hn K = ln K=
h0 Rr hn (2 H + r )t
h Rr ln 0 (2 H + r )t hn
Cuando S=0 dh 2 HK h = dt r R
∫
dh 2 HK t = ) dt h rR ∫0
ln
h0 2 HK = t hn rR
h0
hn
h 2 HK t = ln 0 rR hn K = ln
K =
h0 rR hn 2 Ht
h rR ln 0 2 Ht hn
Para S≠0;
S≥H/2
19 ECUACION DE ERNEST (1950) Ernest al examinar el problema del pozo barrenado y con ayuda del análisis numérico, desarrollo las siguientes ecuaciones empíricas.
Y1 H
y2 yo
s La formula de Ernest es la siguiente: K =c
∆y ∆t
y=
y0 + y n 2
K = conductividad hidráulica en m/día. C = factor de geometría ∆y = velocidad del ascenso del nivel de agua (cm/seg.) ∆t
a)
S=0
C=
b) C=
3600r 2 ( H + 10r )(2 −
y )y H
S≥H/2 4000r 2 ( H + 20r )(2 −
y )y H
c) S
1 y0 4
METODO DEL PIEZOMETRO
20 Este método fue desarrollado por Kirham y es similar al pozo barrenado directo con la diferencia de que se introduce un tubo en el suelo dejando una cavidad en el fondo. El piezómetro es tubo de pared delgada de 2.5 a 5 cm. De diámetro con la parte inferior en forma de punta. hn H
ho
l s
2c
PROCEDIMIENTO: 1. Preparar un hoyo en el terreno hasta cierta profundidad por debajo de la napa freática. 2. Introducir en el hoyo un tubo, dejando una pequeña cavidad sin entubar. 3. Esperar que el agua se filtre dentro de la cavidad y ascienda por el tubo hasta alcanzar el equilibrio con la napa freática. 4. Deprimir el agua en el tubo e iniciar las lecturas y medir el ascenso igual que el Auger Hoole. 5. Aplicar la formula siguiente: K=
y Πr 2 ln 0 A(t n − t 0 ) y n
K = conductividad hidráulica en cm/seg. r
= radio interior del tubo en cm
y0 = profundidad del nivel del agua en el tubo al inicio de la prueba. yn = profundidad del nivel del agua en el tubo correspondiente a la ultima lectura valida. tn-t0= intervalo de tiempo durante la medición. A = factor de geometría que esta en función de (H, C, l, s). METODO DE AUGER HOOLE INVERTIDO O PORCHET Se utiliza cuando la napa freática es muy profunda, el procedimiento consiste en abrir un agujero en el suelo por medio de una barrena y llenarlo de agua hasta una altura de h 1 momento en que se pone en marcha el cronometro (t 1=0). Cuando el nivel ha descendido a hn. Se lee el tiempo (tn)
21
H
h1 hn 2r
El valor de la conductividad hidráulica viene dado por cualquier de los formulas siguientes: K = 0.5r
ln ( h1 + 0.5r ) − ln ( hn + 0.5r ) tn − t1
H y r se miden en Cm. t en segundo K = Cm/seg. También se puede expresar mediante la formula siguiente. K = 432r
ln(h1 + 0.5r ) − ln(hn + 0.5r ) tn − t1
h y r se mide en Cm. t en segundo K en m/día
Problemas 1) Supóngase que la masa de suelo permeable de la figura adjunta tiene 1m.de alto y 2m. de largo, la diferencia de carga o potencial es 4m. y que la conductividad hidráulica es de 4.5 Cm/hora. Determinar el gasto de filtración haciendo uso de la ecuación de los tubos de corriente y ecuación de Darcy.
22
H H1
H2 100 m 200 m
En la figura hay 5 tubos de flujo. 100 cm / 20 cm = 5 = N2 10 equipotenciales: 200 cm / 20 cm = 10 = N1 Aplicando la formula
Q = Kh
N2 = 900 cm3/ hora N1
Según Darcy Q = KiA= 4.5 cm/hora * 2 * 100 cm * 1 cm = 900 cm 3/ hora 2)
Supongamos que tenemos un área de 100X500 m. con los siguientes características, K= 2m/día NF, a 1.00m. de profundidad, a un costado del terreno existe un dren de 2.5 m. de altura total que llega hasta la capa impermeable, tiene taludes 1:1, calcular el caudal de agua que capta este dren, sin considerar evapotranspiración ni precipitación. 100 Q = Av = KAi 500
i=
80 − 73 = 0.014 500
Q =2*1500*0.014 Q = 42 m3/dia Dren
3) La figura es el esquema de un acuífero de forma rectangular de 500mX1000m, en donde aparecen indicadas las cotas de terreno en los puntos A, B, C, D y las cotas de los niveles freáticos en cada punto. se ha estimado que el acuífero es homogéneo e isotropito, donde la K = 2m/día, determinar el caudal de agua en m 3/día que sale del área por el lado AD. Q = KAi 21.5 – 16.5 = 5
23 22.5 – 16.5 = 6 X =
5+6 = 5.5 2
500 * 5.5 = 2750 m2 i=
25 − 22.5 = 0.0025 1000
Q = 2*2750 *0.0025 = 13.75 m3/dia 4) En un suelo arenoso se instala los piezómetros A y B como se muestra en la figura, determinar el caudal para una longitud de 300m y una profundidad de 6m, si la conductividad hidraulica es de 360 m/año.
arena H1 = 15 m
6m
N.F h2 = 12 m
Arcilla compacta de baja conductividad 20 m K = 1 m/dia 15 − 12 Q = 6 * 300 * 1 * = 180 m3/dia = 0.0020 m3/s 30
5) La figura representa un dique que preserva los inundaciones de un rió. El dique esta constatando por material impermeable sobre material permeable pre existente. A 5m. de profundidad respecto a la superficie del rió hay un estrato impermeable. Para eliminar las filtraciones se ha construido una zanja a lo largo del dique, en la que mediante bombeo se mantiene el nivel del agua 1m. mas bajo que la superficie del terreno. La conductividad hidráulica del estrato permeable es K = 0.5m/dia, encontrar el caudal infiltrado por metro lineal y si la zanja tiene una longitud de 5000m. que caudal se elimina por día.
24 Terreno T = KD= 0.5*2.5 =1.25 m2/ d Q = KiA 5m
2.5 m
3m
4m
i=
5 −3 = 0.1 20
A = 2.5 *1 =2.5 m2 20 m
Q = 0.5 * 2.5 * 0.1 = 0.125 m3/dia Q eliminar = 0.12 * 5000 = 625 m3/dia
6) Se realizo un ensayo con una muestra de arcilla en un permeametro de carga variable, el diámetro de la muestra es de 6 cm. Y sin esperar (longitud) 2.5cm, al comenzar el ensayo el agua, alcanzaba en el tubo piozometrico de diámetro es de 1.7mm una altura de 32cm. Seis minutos y treinta y cinco segundos mas tarde bajo a = 30cm. Calcular la conductividad hidráulica de la arcilla. solución 7) En una prueba de conductividad hidráulica por el método de Pozo barrenado directo se encuentra la siguiente información. T(seg.)
Y´(cm)
ΔY(cm)
0
153.5
0
10
152.3
1.2
20
151.1
1.2
30
149.9
1.2
40
148.7
1.2
50
147.5
1.2
60
146.3
1.2
70
145.1
1.2
80
144.1
1.0
90
143.1
1.0
Suponiendo D’ = 208 cm; W’ = 121 cm; r = 5 cm ; S = 100 cm
25
D = W + H ; H = D’ – W’ ; Yo = Y’o – W’ ; ΔY = Y’o = Y’n ; Y = Y0 − Condición ∆Y ≤
Y0 ; 4
∆Y 2
Yn = Yn' −W '
8) En una prueba de campo se ha encontrado la siguiente información. H=1 m, C = 5 cm , l = 25 cm , r = 5 cm , D = 200 cm, W’= 100 cm 9) Determinar la conductividad hidráulica por el método de Auger Hole invertido, con los siguientes datos. 10) Se introduce en el suelo un piezómetro con un radio interior de 5cm, hasta 1m por debajo de la capa freática por debajo del piezómetro se hace una cavidad de 25cm de profundidad y de 5cm de radio, después que se alcanza el equilibrio se bombea el agua fuera del piezómetro, las mediciones de la velocidad ascenso son las siguientes. 11) En la figura se aprecia un lago con un dique natural de tierra de 4.50m de longitud, que es el lugar por donde se producen las filtraciones ocasionando problemas de empantanamiento en las áreas adyacentes. Para solucionar dicho problema se construyó un dren interceptor paralelo al dique y a 50m de distancia. Asumiendo que el fondo del lago y el fondo del dren alcanzan la base impermeable, la carga hidrostática en el lago es de 3.20 m y el tirante de agua en el dren es 0.50m, la conductividad hidráulica del suelo es de 14m/día, la base impermeable es horizontal. Determinar la cantidad de agua intercepta en m 3/día.
12)
La figura es le esquema de un acuífero de 2250m. de longitud y con los características indicadas, descarga un caudal de 16000m 3/día, calcular la conductividad hidráulica e indicar el sentido del flujo.
26
13)
En el permeametro de carga variable, si los intervalos de tiempo para perdidos de carga desde h1 hasta h2 y desde h2 hasta h3 son iguales, demuestre que h2 = √(h3h1).
a) Cuando se produce la perdida de carga de h 2 a h1 (transcurre en tiempo t). c) 14)
Cuando se produce la perdida de carga de h2-h3 (transcurre en tiempo t) En una zona bajo riego la napa freática inmediatamente después del riego se encuentra a 60 cm. De profundidad, se espera que después de 3 días de ejecutado el riego la N.F. debe estar a 1.10 m. de profundidad. Calcular el espaciamiento de los drenes parcelarios a 3 días y después si se conoce que la CI = 7m., Pd = 0.05, K=1 m/día, diámetro exterior de los tubos es 20 cm. Y profundidad de instalación es de 1.80 m.
15) En una área de 2000 por 500 m. el nivel piezometrico tiene una pendiente de 1% que se encuentra a 50 cm. De la superficie del suelo. Se ha comprobado que esta situación es debido a filtraciones externas por lo que es necesario interceptar un flujo subterráneo instalando un dren en la frontera de dicha área. El acuífero es uniforme y la C.I. se encuentra a 3 m de profundidad. La K = 30 m/día. Determinar el caudal en litros/segundo. El dren interceptor para una longitud de 2000m. Teniendo cuidado que la napa freática baje un metro de su posición anterior. 16) La figura es el esquema de un acuífero de 2250 m. de longitud y con las características indicadas, descarga un caudal de 16000 m 3/día. Calcular la Conductividad Hidráulica e indicar el sentido del flujo.
a. En una zona problema, un acuífero esta constituido por varios estratos, tal como se muestra en la figura, se pide determinar la conductividad hidráulica promedio. b. Se introduce en el suelo un piezómetro con un radio interior de 5 cm. Hasta 1 m. por debajo de la N.F. Por debajo del Piezómetro se hace una cavidad de 25 cm. De profundidad y de 5 cm. De radio. Después que se alcanza el equilibrio se bombea el agua fuera del piezómetro luego se hace las siguientes mediciones de la velocidad del ascenso.
27 c. En un estudio de reconocimiento de drenaje en un área problema se encontró la siguiente información: D’ = 130 cm. W’ = 60 cm r = 4 cm. Altura de ref. = 30 cm. Aplicando la formula de Hooghoudt determinar la conductividad hidráulica. INVESTIGACION DEL PROBLEMA DE DRENAJE En toda investigación de drenaje se debe tratar de encontrar respuestas a los siguientes preguntas: 1. Existe realmente o potencialmente problemas de empantanamiento y/o salinidad. 2. Cual es el origen de los problemas. 3. Existen condiciones adecuadas para evacuar el exceso de agua y sales. 4. Cuanta agua deberá ser removida. 5. Que tipo de sistema de drenaje dará los mayores resultados. Las respuestas a estas preguntas nos darán una idea clara del problema, su magnitud y extensión y las posibilidades de recuperación. Los estudios en drenaje comprenden tres niveles: -
Reconocimiento
-
Factibilidad
-
Diseño
1.- ESTUDIO DE RECONOCIMIENTO En esta fase se evalúa condiciones generales del área para determinar sus problemas existentes o potenciales. El reconocimiento es generalmente una inspección del área, complementada con las opiniones e impresiones de las personas que habitan en esos lugares. OBJETIVOS QUE PERSIGUE ESTA FASE a) Determinar la extensión del área que necesita recuperación. b) Determinar el tipo de drenaje c) Definir las salidas adecuadas para el área a ser mejorada d) Desarrollar un plan de recuperación e) Hacer un estimado de costos y beneficios de las mejores propuestas. 2.- ESTUDIO DE FACTIBILIDAD
28 Esta fase esta dirigida a factores que no han sido suficientemente aclarados en la fase anterior, básicamente su finalidad es comprobar las conclusiones y recomendaciones del reconocimiento. OBJETIVOS: a) Localizar áreas especificas con necesidades de mejoramiento (control de inundaciones, drenaje superficial, o sub superficial) b) Desarrollar un buen plan de mejoramiento. -
Selección de criterios de diseño
-
Hacer el diseño preliminar
c) Preparar varios estimados de costos y beneficios PROCEDIMIENTO: Para el desarrollo de los planes, deben incluir los siguientes puntos: 1. Planos y mapas del proyecto que abarca la siguiente información: a) Localización del área drenada por todos y cada uno de los drenes principales y laterales que han sido estudiados. b) Limites del área drenada por los drenes principales y laterales. c) Uso de la tierra, caminos, centros poblados, los servicios públicos, métodos de riego, puentes y alcantarillas a construirse o reubicarse, etc. d) Bombas, diques, compuertas y otras obras que pueden afectar los planes de drenaje. 2. Perfiles y secciones transversales, ubicar cotas del terreno, cotas de puentes, profundidad de canales existentes. 3. Trazado de los sistemas de drenaje recomendados. 4. Diseño de las estructuras necesarios. 5. Diseño hidráulico 6. Metrados y costos. ESTUDIO DEFINITIVO O DE DISEÑO En este estudio se deben suministrar la información necesaria para el diseño de toda la infraestructura requerida. Es necesario evaluar la información existente en el estudio de factivilidad y luego determinar los datos adicionales. Los datos requeridos para el diseño se enumeran de la siguiente manera: -
Delimitar el área problema, para lo cual deben usarse mapas de suelos si existe, si no prepararlos.
29 -
Para grandes proyectos se debe mostrar en mapas la variación estacional de los niveles de agua subterránea y de los niveles piezometricos.
-
Determinar las inundaciones estacionales del área problema, su extensión y frecuencia.
-
Establecer el uso de la tierra, tipos de cultivos propuestos.
-
Ubicación de los drenes en un plano a curvas de nivel.
-
Determinar las áreas de influencia de los drenes.
-
Estudiar y plantear las secciones y perfiles transversales adecuados.
-
Hacer las investigaciones geológicas y de aguas subterráneas.
-
Determinar la ubicación de obras adicionales: Puente, alcantarillas, estructuras de control.
-
Desarrollar las especificaciones de construcción.
-
Estimar las necesidades de materiales, equipos y costos. INVESTIGACION EN DRENAJE SUBTERRANEO
Los estudios e investigaciones para drenaje subterráneo son los siguientes: -
Estudios topográficos
-
Investigaciones de suelos a. Estudios de mapas de suelos b. Datos de salinidad y alcalinidad
-
Exploraciones sub superficiales a. Materiales constituyentes del suelo y subsuelo b. Medida de conductividad hidráulica
-
Investigación de agua subterránea a. Posición relativa de la tabla de agua con relación a la superficie del suelo b. Fluctuación de los niveles de la tabla de agua c. Salinidad del agua subterránea
-
Practicas y requerimientos de riego
Estudios topográficos Estos estudios son esenciales para determinar la configuración superficial, incluyendo pendientes superficiales En el caso del drenaje sub superficial es necesario un mapa topográfico, fotografías aéreas y planos catastrales Los planos catastrales son útiles en este tipo de estudios, porque proporcionan información sobre limites parcelarios, caminos existentes, áreas cultivadas y desnudas e información sobre drenes y canales.
30 Estos planos topográficos deben ser hechos a las escalas que permitan realizar y hacer fácil el trabajo dependiendo del nivel de estudio así tenemos que: Reconocimiento a escala 1/50000 – 1/25000 Factibilidad 1/25000 – 1/10000 Diseño 1/2000 – 1/2500 – 1/5000 Las curvas de nivel para las etapas de factibilidad y diseño deben ser de 20-25-50 cm. Cuando se usa fotografías aéreas las escalas deben ser 1/20000, 1/10000, 1/5000. Estudios Geológicos Se hacen estudios de este tipo no muy detallados, simplemente se trata de conocer los grandes horizontes: Este estudio indicara las características de formación del área, tipo de material que se encuentra, características de la cuenca y curso de agua, permeabilidad de los materiales, etc. Estudio de Suelos El estudio de suelos es importante para conocer la ubicación y descripción de las características físicas y químicas de los suelos, sobre todo hasta donde se desarrollan las raíces, pero también hay que tener en cuenta que estos estudios del perfil del suelo son realizados hasta profundidades que generalmente no llegan mas allá de 1.20 a 1.50 m, lo cual no es suficiente para los fines de drenaje. En los suelos se debe de determinar: Textura, estructura, porosidad, densidad aparente, densidad real, densidad de mapeo, constantes hidricas, etc. Densidad de mapeo La densidad de mapeo no tiene una regla rígida pero es conveniente que sea arreglado un sistema de cuadricula, se dice densidad de mapeo al numero de perforaciones por hectárea. Así por ejemplo cuando un suelo esta formado por material aluvial, donde los suelos son heterogéneos se deben hacer perforaciones cada 30 m. mientras en suelos residuales homogéneos cada 300 m Como una pauta para un estudio a nivel definitivo se puede recomendar: 1 punto de sondeo cada 4 hectáreas. GUIA PARA HACER MUESTREOS Área de estudio
Nivel de estudio
Reconocimiento
Distancia
entre Superficie
puntos (m)
representada
2000 – 3000
c/punto Ha. 400 -900
por
31 Región
Semi detallado Detallado Reconocimiento Semi detallado Detallado
Parcela
1000 – 2000 500 – 1000 > 300 200 – 300 < 200
100 -400 25 – 100 >9 4–9 <4
SUB SUELO Comprende la parte del suelo desde 1.20 hasta por lo menos 3 m. de profundidad, se debe determinar un perfil estratigráfico o sea conocer los estratos desde la superficie hasta el subsuelo. PROFUNDIDAD MUESTREO a) El servicio de conservación de suelos de EE.UU. recomienda: La perforación de muestreo debe ser la mitad del espaciamiento de los drenes parcelarios. b) Bureau of Reclamation, establece las siguientes profundidades: 1 de cada 10 perforaciones hasta la capa impermeable 3 de cada 10 perforaciones hasta 9 – 12 metros. 6 de cada 10 perforaciones hasta los 3 metros. CARACTERISTICAS DEL SUELO A EVALUAR •
Textura
•
Estructura
•
Consistencia (características mecánicas del suelo)
•
Color
COLORACION La coloración del suelo permite deducir el grado de afectación del problema de drenaje, especialmente los fenómenos de moteado y Gley.
32 Suelos con gley, tienen un color grisáceo, este color puede cambiar rápidamente a un color pardo por exposición al aire. Los suelos con gley no se forman en periodos cortos de encharcamiento y a temperaturas muy bajas. Rojiso uniforme, porque tiene buen drenaje natural. Grises amarillentos, nos indica fluctuación de la napa freática. Rojos, pardos, grises, indican alto, medio y bajo contenido de hierro respectivamente. Blanco, indican presencia de carbonatos y yeso. Colores azules verdosos, indican estados reducidos de fierro, quiere decir que la napa freática esta permanente. Estudios de Salinidad En general la presencia o no de problemas de salinidad debe formar parte de los estudios de reconocimiento o preliminares, se sabe que un exceso de sales y/o sodio intercambiable afectan el rendimiento de los cultivos. ESTUDIO DEL REGIMEN FREATICO Consiste en estudiar la posición y fluctuación de la napa freática a través del tiempo para observar la profundidad de la napa freático, basta abrir un pozo y esperar que se estabilice el nivel del agua, sin embargo cuando se quiere realizar una serie de observaciones durante un periodo de larga duración es posible instalar un pozo de observación. En un estudio de niveles de agua subterránea, las observaciones deben hacerse a través de: a) Pozos existentes b) Superficies de agua ( lagos , ríos, canales, drenes, etc) c) Pozos de observación d) Piezómetros
POZOS DE OBSERVACION Son pequeñas estructura que permiten medir la posición y fluctuación de la napa freática a través del tiempo. TIPOS DE POZOS DE OBSERVACION
33
-
Permanentes
-
Temporales
-
Eventuales
Permanentes, se utilizan por un largo periodo de tiempo, los materiales utilizados son PVC, fierro y losa de concreto. Temporales, para un periodo corto (proyecto de riego y drenaje). Eventuales, solo para unas cuantas lecturas no necesariamente entubados, pueden ser a tajo abierto. UTILIDAD DE LOS POZOS DE OBSERVACION -
Para conocer la extensión y naturaleza del problema.
-
Para conocer el origen del agua subterránea.
-
Para evaluar el funcionamiento del sistema de drenaje.
-
Para evaluar parámetros hidronímicos.
CUIDADOS EN LA INSTALACION DE POZOS DE OBSERVACION -
Debe instalarse en lugares representativos del área.
-
Deben instalarse en lugares seguros para evitar la destrucción, así mismo no deben ser visibles.
-
Deben instalarse en zonas con napa freática alta.
34 -
La parte perforada debe ser entre 1 – 1.5 m. y que se encuentra por debajo de la napa freática esta zona debe ser recubierto con funda y material filtro protector.
-
Las perforaciones del tubo deben ser lo suficientemente densas y estar ubicadas a una distancia de 5 cm. y alternadas.
-
El diámetro de las perforaciones del tubo debe ser entre 1-3 mm.
-
En zonas donde existe riego la parte superior del pozo debe tener una altura de 30 cm.
EQUIPOS Y MATERIALES QUE SE UTILIZAN -
Wincha con boya, barrena tipo holandesa de 8-10 cm. de diámetro.
-
Tubos de PVC, de fierro, con diámetros de ¾’’, ½’’ y 1’’
-
Arena gruesa o grava
-
Funda o filtro (material sintético, tocuyo)
-
Concreto simple
-
Cajas metálicas de luz
-
Herramientas de albañilería.
LECTURA DE NIVEL FREATICO Las lecturas se toman siempre de un punto de referencia. -
Método de la cinta humedecida
-
Sonador mecánico
-
Sonda electrónica
-
Flotador
-
Regla graduada
INSTALACION DE LOS POZOS DE OBSERVACION Para instalar un pozo de observación se realiza una perforación con barrena tipo holandés, los cuales son de 2 tipos, uno de hoja cerrada para suelos arenosos y otro de hoja abierta para suelos pesados. Cuando el pozo requiere tubería esta debe estar fija mediante una base de concreto de 20-30 cm. de espesor desde la superficie del terreno.
NIVELACION DE LOS POZOS DE OBSERVACION Para la elaboración de planos de contorno de las aguas subterráneas requieren de cotas absolutas o relativas. La nivelación de la red de pozos de observación deberá basarse en lo posible a una red de BMS (Bench Mark Sea) para referir las lecturas obtenidas al nivel medio de las aguas del mar.
35 OPORTUNIDAD DE MEDIDA Si la condición es estática, o sea no hay mucha fluctuación del nivel freática en estos casos la medición se hace a intervalos de tiempo pre-establecidos esto puede ser cada 15 días, cada mes, generalmente se presenta en zonas donde no hay riego. Condición dinámica, cuando existe gran fluctuación con el tiempo la medición guarda relación con las recargas instantáneas, esto es generalmente en zonas irrigadas, las mediciones se hacen después del riego a 3 días, 5 días, 15 días y antes del siguiente riego. DENSIDAD DE PUNTOS DE OBSERVACION EN FUNCION DEL AREA BAJO ESTUDIO PIEZOMETROS Son pequeñas estructuras que se instalan donde se sospecha que existe presión artesiana con la finalidad de determinar el sentido del flujo ya sea vertical u horizontal. Su construcción es similar a la de los pozos de observación, diferenciándose de este por lo siguiente: -
El piezómetro esta en intimo contacto con el suelo no lleva funda ni material filtro protector.
-
Que solamente el extremo inferior de 5 a 10 cm. de longitud se encuentra perforado.
-
Que generalmente se instala con la zona perforada por debajo de la capa impermeable.
-
El piezómetro mide el potencial en un punto determinado, es decir la presión que existe en ese punto.
-
Generalmente se instala en baterías y a diferentes profundidades.
ILUSTRACION DE LA CARGA HIDRAULICA EN UN PIEZOMETRO
36
Z = carga de elevación en el punto P P/γ = carga de presión en el punto P. RED DE OBSERVACION Debe planificarse de manera que proporcione la mayor información al menor costo posible, se basara en la información topográfica, geológica, hidrogeológica, etc. Localizándolo de acuerdo a los siguientes principios: a)
A lo largo y en forma perpendicular a las líneas donde se espera un flujo de agua subterránea.
37
Preferible en lugares donde se espera cambios en la pendiente de la tabla de agua o de la superficie piezometrica. b)
En áreas donde se espera que ocurran cambios significativos en la elevación de la tabla de agua.
c)
En los márgenes de las corrientes de agua y a lo largo de líneas perpendiculares a ellos a fin de determinar la curvatura real de la tabla de agua cerca de dichas corrientes.
d)
En áreas donde existe niveles de agua poco profundas.
POROSIDAD DRENABLE O POROSIDAD EFECTIVA Este término se define como la cantidad de agua drenada de un volumen de suelo saturado bajo el efecto de la fuerza de gravedad o sea es la cantidad de agua que existe en los macro poros que tiene ese suelo.
Volumen de agua liberada Pd = ----------------------------Volumen de acuífero Vw Vw Pd = ---------- = -------- x 100 A(h2-h1) A ∆h | Pd = √(K/100)
38 DETERMINACION DE LA POROSIDAD POR EL METODO DE CAMPO Y LABORATORIO O METODO GRAVIMETRICO a)
Después de seleccionar un lugar adecuado para la investigación se instala un pozo de observación de por lo menos hasta un metro de profundidad por debajo de la napa freática.
b)
Medir la profundidad de la napa freática siendo este d 1.
c)
A un costado del pozo de observación, excavar calicata hasta una determinada profundidad por debajo de la napa freática.
d)
Efectuar el muestreo de suelos por capas de 10 a 20 cm. De espesor para determinar el 100% de humedad. Esto se hará sacando muestras de cada lado de la calicata y determinar el 100% de w.
e)
Transcurrido 1, 2 o 3 días se regresa al mismo lugar, medir nuevamente la profundidad de la napa freática, ese valor medido sera d 2.
f)
A otro costado del pozo de observación otra calicata hacer un nuevo muestreo por capas teniendo cuidado que esta calicata sea mas profunda, se determina la humedad.
g)
Calcular la porosidad drenable aplicando la siguiente ecuación: h Pd = 100 d 2 − d1
h = lamina drenada en la calicata d2-d1 = lamina
Pd = √(K/100)
39 Problema 2)
Un área bajo riego de forma rectangular de 1000 por 2000 m. se encuentra rodeado por zanjas de drenaje de 2 m. de ancho, cuyo fondo coincide con la capa impermeable que se encuentra a 5 m. de profundidad. Esta zanja tiene talud (0), se aplica agua de riego abundante y unifórmenle distribuida en todo el área a las 2 horas después de finalizado el riego se medio la profundidad de la napa freática y esta resultó 50 cm. Se medio también la profundidad del espejo de agua en los drenes y resulto 4.5 m. Exactamente a las 20 horas después de la primera lectura se volvió a realizar nuevas lecturas P.N.F. = 60 cm. Y profundidad del espejo de agua igual a 1.5 m. Asumiendo que el área es plana no existen flujos laterales, desde otro lugar y siendo la evaporación despreciable determinar la porosidad drenable.
PRESENTACION DE LA INFORMACION MAPAS FREATICOS A partir de los datos de los pozos de observación o de los piezometros se construyen las mapas freáticos, estos son los siguientes: Isohypsas Isobatas Hidrograma de pozos Perfil del nivel freatico 1)
MAPA DE ISOHYPSAS O DE NIVELES FREATICOS
Estos mapas son preparados para una época específica o para una estación del año. Para confeccionar este mapa se parte de un plano topográfico en el que se sitúan todos los pozos de observación y sus niveles absolutos de agua. Al unir todos los puntos de igual elevación de la superficie de agua se obtienen las líneas izo freáticas o isohypsas. Las mapas de niveles freáticos permiten determinar la configuración de la superficie freática, la dirección y el gradiente hidráulico del agua subterránea y las areas de recarga y descarga. Las isohypsas deberán tener una equidistancia entre 0.20 y 1.50 m. según el estudio. 2)
MAPA DE PROFUNDIDAD DE LA TABLA DE AGUA O DE ISOBATAS O DE ISOPROFUNDIDAD Estos mapas sirven para delimitar la extensión de las áreas que necesitan drenaje.
40 Se elaboran por el siguiente método: a)
Preparar un plano altimétrico y un plano isohypsas (isopiezometrico) o de niveles freáticos a la misma escala y a la misma precisión de curvas.
b)
Superponer los 2 planos.
c)
En los puntos donde se interceptan las curvas altimétricas y las curvas isopiezometricas se obtienen la diferencia de las cotas y se anota.
d)
Unir la curva de izo profundidad con las diferencias anotadas.
HIDROGRAMA DE UN POZO Al haberse establecido una red de observación las mediciones del nivel de agua deberán hacerse por un periodo de algunos años incluyendo preferentemente los años secos y húmedos. El hidrograma de un pozo es obtenido simplemente ploteando la lectura del nivel del agua observado contra el tiempo. Nivel del terreno
Nivel de los drenes Tiempo(dias) Estos hidrogramas son adecuados para evaluar las condiciones del agua subterránea y pueden suministrar la siguiente información. -
Elevación o descenso del nivel de agua.
-
La profundidad del nivel de agua por debajo de la superficie del suelo.
-
Se puede comparar con otros elementos del balance como son, precipitación, riego, bombeo, etc. y explicar las causas de fluctuación.
-
Los hidrogramas que cubren varios años dan una idea de recarga o descarga de los acuíferos.
DISEÑO DE SISTEMAS DE DRENAJE En un sistema de drenaje se puede distinguir: -
Drenes de parcela o laterales, que son drenes generalmente paralelos cuya misión es controlar la profundidad del agua freática.
-
Drenes colectores, cuya función es recoger el agua de los drenes de parcela y transportarla a los drenes principales.
41 -
Drenes principales, cuya función es transportar fuera de la zona con problemas.
SISTEMA DE DRENAJE ABIERTO O ZANJA DE DRENAJE Se usa para drenes colectores y principales mas no para drenes parcelarios. CRITERIO DE DIEÑO a) a.1)
Ubicación Se ubica en la zona mas baja, por tener mejor efecto drenante, menor costo de excavación, mayor seguridad de funcionamiento.
a.2) Se debe buscar en dividir el terreno afectado en partes más o menos iguales. a.3) Se debe aprovechar al máximo de los drenes existentes. a.4) Debe tener aptitud de recepcionar otros drenes. b)
Criterios de profundidad
b.1) La cota del espejo de agua de un dren abierto debe ser menor que la cota de otro dren afluente. b.2) La cota del espejo de agua de un dren colector debe ser menor en por lo menos 10 cm. Que la cota del fondo de dren parcelario entubado. b.3) La cota de la razante de un dren abierto se calcula restando de la cota del espejo de agua, el tirante hidráulico. CRITERIO DE TALUD De acuerdo a las características fisicas del suelo del suelo: Textura del perfil del suelo y estabilidad se tiene los siguientes taludes: TALUDES RECOMENDABLES -
Suelos de textura fina (cohesivos)
0.75 – 2
-
Suelo de textura franca
1.5 – 2.5
-
Suelo arenoso (arena fina)
2.0 – 4.0
-
Suelo arena gruesa
1.5 – 5
PENDIENTE Generalmente la pendiente no se mantiene uniforme varia de acuerdo a la textura del suelo: -
Suelos de textura gruesa
1-2 ‰
-
Suelos de textura media
2-4 ‰
-
Suelos de textura fina
4-6 ‰
VELOCIDAD MAXIMA PERMISIBLE S.T.G. ≤ 0.5 m/seg. S.T.M. ≤ 0.75 m/seg. S.T.F. ≤ 1.00 m/seg.
42 DISEÑO HIDRAULICO Consiste en determinar la sección adecuada con capacidad de transportar el máximo caudal dentro de la velocidad permisible y por debajo de la cota del espejo de agua. V =
1 2 / 3 1/ 2 R S n
Para zanjas muy limpios
K = 45 a 30
Para zanjas limpias
K = 35 a 20
Para zanjas ligeramente vegetadas K=25 a 15 Para zanjas vegetadas Para zanjas muy vegetadas
K = 25 a 10 K= 15 a 20
Para construcción de los drenes deberá tomarse en cuenta los siguientes criterios: -
Época de la construcción de los drenes: generalmente cuando la napa freática es baja.
-
La excavación debe hacerse de abajo hacia arriba.
-
El material excavado será dispersado y hay que tomar en cuenta la descarga normativa desde el punto de vista hídrico y el balance de sales.
ESTIMACIONES DE LA DESCARGA NORMATIVA La descarga normativa es el caudal unitario que tiene que transportar un dren, también se conoce como el coeficiente de drenaje. Se estima que para suelos de textura arenosa y franco regados con agua de buena calidad que tenga CE<0.4 mmhos, puede tomarse la descarga normativa = 1 mm/día ≈ 0.12 lit/seg/ha. Para suelos de textura arcillosa CE= 1 mmohos/cm.d n = 2.25 mm/día = 0.26 lit/seg/Ha.
Q = A * dn Q = 20000 Has * 0.20 l/seg/ha. Q = 400 lit/seg. Capacidad para diseñar el troncal DISEÑO DE DRENES PARCELARIOS El objetivo del drenaje parcelario es disminuir los excesos de humedad del perfil del suelo y evacuarlos hacia los colectores, para que estos a su vez se encargen de eliminarlo fuera del área.
43 ELEMENTOS DE DISEÑO DE DRENES PARCELARIOS 1. UBICACIÓN Debe tal que intercepte el flujo subsuperficial teniéndose los siguientes sistemas: Sistema simple Es aquel donde los drenes parcelarios desembocan directamente a un dren colector. Sistema compuesto o complejo Tanto los drenes parcelarios y drenes colectores son entubados, este sistema puede dividirse en: -
Sistema tipo parrilla
-
Sistema tipo espina de pescado
-
Sistema randonizado
Parcelario Tipo parrilla
Tipo Espina de pescado
2. PROFUNDIDAD DE INSTALACION Esta en función: a)
Cultivo, profundidad de raíces
b)
Suelo, profundidad de la capa impermeable
c)
Tipo de recarga, lateral, subsuperficial
d)
Profundidad que puede instalar la maquina:
-
Maquina hasta 2.50
-
Maquina hasta 2.00
-
Maquina hasta 1.50
e)
Nivel de agua en el colector.
Sistema randomizado
44 3. ESPACIAMIENTO DE DRENES PARCELARIOS Es un parámetro de diseños sumamente importantes por lo tanto se le debe dar gran importancia considerando todos los parámetros de diseño, suelo, agua, cultivo, clima, profundidad de raíces, macro porosidad. Las formulas de diseño del espaciamiento de drenaje se pueden agrupar en dos clases: -
Formulas de régimen permanente o estático
-
Formulad de régimen variable o dinámico
1. Régimen permanente De las fórmulas existentes vamos a estudiar solo 3; la de Hooghoudt, la de Ernest y de Donan. FORMULA DE DONANN Asumió que: 1. Que la recarga igual descarga por lo tanto, la posición de la napa freática es invariable a través del tiempo. 2. Que el suelo es homogéneo hasta la capa impermeable. 3. Que el flujo hacia los drenes es horizontal y se extiende en una distancia L/2. 4. Que existen drenes paralelos y de longitud infinita. 5. Que la recarga esta homogéneamente distribuida en toda el área y en el tiempo.
D
x
Qx
B
L Qx = KiA Qx = K
dy ZY dx
(1)
El flujo que pasa por el plano es alimentado por la recarga (ABCD) por lo tanto L QR = RZ − X 2
Qx es alimentado por QR Luego Qx = QR
(2)
45 Igualando (1) y (2) K
dy L ZY = RZ − X dx 2
L KYdy = R − 2 dx 2 L 2 0
L K ∫ Ydy = R ∫ − X dx D 2 B
Resolviendo el integral se tiene − 4K B D = R 2
L
2
2
L = espaciamiento de los drenes en m. K = conductividad hidráulica en m/día. R = Recarga B = distancia entre CI y la superficie de la NF en el punto medio. D = distancia de la CI hasta los drenes. Problema: 1)
Una zona húmeda será drenada con zanjas abiertas donde debido a la recarga de 5 mm/día la NF debe encontrarse como mínimo a 70 cm. De profundidad, la CI se encuentra a 6.20 m. de profundidad. La conductividad hidráulico es: K=1.5 m/día, las zanjas tendrán un ancho de plantilla de 50 cm., Z=1, profundidad de la zanja 1.40 m y el tirante del agua a 0.20 m. Calcular el espaciamiento entre drenes.
6.20
0.2
B
D D = 6.20 - 1.20 = 5 m B = 6.20 – 0.70 = 0.5 m L2 =
4 K ( B 2 − D 2 ) 4 *1.20(5.5 2 − 5 2 ) = R 0.005
L = 71 m.
46 2)
Un campo esta diseñado con zanjas cuyo espaciamiento es 100m. la superficie libre de agua en la zanja se encuentra a 1.50 m. la K=2m/día, calcular la profundidad de la NF en el punto medio o entre los drenes, conociendo que la recarga es 1 mm/día. Y la CI=4.5 m. de profundidad. D = 4.5 – 1.5 = 3 m
L2 =
(
4K B 2 − D 2 R
100 2 =
(
8 B2 − 9 0.001
)
)
B 2 = 10.25 ……………… B = 3.20 m
h = 4.5 – 3.20 = 1.3 m Q = A* R Q = 3000*100*0.001 = 300 m3/día FORMULA DE HOOGHOUDT Considera: -
El flujo horizontal en una zona y radial en otra zona.
-
Dos capas de suelo de textura diferente y los drenes se ubican en la interfase de los dos capas.
P H
K1 h D
K2 C.I
L
L = 8K 2 hd + 4 k 1 h R R 2
2
47 Siendo: L = espaciamiento entre drenes (m) R = Recarga o parcelación (m/día) K1= Conductividad hidráulica del estrato situado sobre los drenes
(m/día)
K2= Conductividad hidráulica del estrato situado bajo los drenes (m/día) h = Altura de la capa freática a su punto medio respecto al nivel de los drenes (m) d = Espesor equivalente de Hoogoudt, que depende de L D y r (radio de los drenes) En la aplicación de la formula se presentan los siguientes casos: a) Si solo existe un estrato por encima de la capa impermeable En este caso K1= K2, la formula es la siguiente: L2 =
4 Kh ( 2d + h ) R
b) Dos estratos sobre la capa impermeable (este es el caso de la formula general) c) Dos estratos sobre la capa impermeable con los drenes situados en le estrato profundo.
K1 K2 En este caso se puede seguir aplicando la formula general, aunque no se puede asegurar su precisión. c)
Dos estratos sobre la capa impermeable, con los drenes situados en el estrato superior. K1 K2
En este caso no se puede aplicar la formula de Hooghoudt, se aplica la formula de Ernest Hooghoudt también establece que el flujo puede ser radial es la cercanía a los drenes.
48
X1
L-2X1
X1
D
L En la región X1 el flujo es radial. En la región L-2X1 el flujo es horizontal. X1 =
2 D = 0.7 D 2
CONCEPTO DE ESTRATO EQUIVALENTE. Se puede considerar que los líneas de flujo son horizontal hasta llegar a una zona situada a 0.7D del dren a partir de esa zona adoptan una forma radial dirigiéndose hacia el dren y a medida que la distancia a este es menor, la concentración de líneas de flujo es mayor aumentando la resistencia al movimiento del agua. Dado a esta resistencia Hooghoudt establece que hay una disminución del espesor D, por lo tanto la transmisibilidad de ese estrato no es expresado por KD sino por un valor menor Kd. d=
L 8( Rh + Rr )
Rh = Rr =
L −1.4 D 8 DL 1
π
ln
0.7 D r
Cuando D = ∞ Ejemplo 1) Se tiene una zona con NF. cerca a la superficie del suelo en donde se hicieron algunas investigaciones de campo, encontrando la siguiente información K de la capa superior igual 0.5m/día, K de la capa inferior 1m/día, recarga constante de 5mm/día, profundidades de raíces en el cultivo 100cm; profundidad de la capa impermeable 4.8m, interfase entre las dos capas se encuentra a 1.80m. la norma de drenaje nos indica que la NF, debe ser como máximo 1.20cm de profundidad; el sistema constrade tubos de 20 cm de diámetro instalados a una profundidad de 1.80m, ¿calcular el espaciamiento del sistema de drenaje?
49
1.8
1.20
K1
0.6 D
K2
L2 =
8 K 2 dh 4 K 1 h + R R
L2 = 960d + 144
el espesor equivalente “d ”, se puede resolver por tanteos haciendo uso de tabla D = 4.8 – 1.8 = 3 m a) Suponiendo L = 45 m L2 = 960d + 144 45 2 = 960( 2.23) +144
2025 = 2284.8 ( No es el valor escogido) b) Si L = 50 m 50 2 = 960( 2.29) +144
2500 = 2342.4 ( no es el valor escogido) c) Si L = 48 m 48 2 = 960(2.266) +144
2304 = 2319.36 (Se acepta) También se puede utilizar nomogramas FORMULA DE ERNEST Ernest en su formula considera dos o mas capas de suelo de conductividades hidráulicas diferentes En especial se utiliza estas formulas cuando las capas que están por encima de los drenes que tienen conductividades hidraulicas menores que las capas que están por debajo del nivel de los drenes. Considera además que existe tres componentes de flujo: vertical horizontal y radial, a cada uno de estos movimientos el suelo opone una resistencia y la carga h se consume en vencer esas resistencias. h = hr + hH + hv
50
h L A cada uno de estos flujos se opone una resistencia del suelo y las pérdidas de carga se dan en vencer estas resistencias. RESISTENCIA VERTICAL (hv) Q=RLZ
(1)
Q=KIA =
Kv
L hv LZ Dv
(2)
Z
(1) = (2) RLZ = K v
hv h D LZ → R = K v v → hv = R v Dv Dv Kv
Donde Hv = Resistencia vertical R = Recarga por lo tanto es caudal a eliminar Dv = Espesor de la zona del movimiento vertical Kv = Conductividad hidráulica de la capa superior. El valor de Dv puede adquirir dos resultados, según que el dren, sea una zanja abierta: Dv = h+p o una tubería: Dv = h.
H
Dv
RESISTENCIA HORIZONTAL (hh)n hh =
L2 R 8( KD ) h
El flujo horizontal ocurre en el espesor: D1 = D0 + 0.5h , KD = Transmisibilidad del acuífero donde se da el movimiento horizontal RESISTENCIA RADIAL (hr)
51 1 Dr hr = RL ln a µ πK r
R = recarga L = espaciamiento entre drenes Wr = constante, su determinación ofrece dificultades Kr = conductividad hidráulica del estrato donde tiene lugar el movimiento radial. a = factor de geometría del movimiento radial (sin robar unidades) Dr = espesor del estrato (m) u = perímetro mojado del dren (m) El valor de µ para zanjas abiertas.
D 0 = Dr
µ = b + 2 y Z 2 +1
Para tuberías enterradas: µ = b + 4r h=R
Dv L2 L aDr +R +R ln Kv 8 KD πK 1 µ
Casos donde se pueden aplicar la formula de Ernest. Primer caso: suelo homogéneo (K1 = K2) a =1 La formula es la siguiente: h =R
Dv L2 L Dr +R +R ln K 8 KD πK µ
D1 = D0 +
h 2
Segundo caso: suelo estratificado Hay que distinguir los sub casos siguientes: a)
Drenes en el estrato inferior
b)
Drenes en el limite de los dos estratos
c)
Drenes en el estrato superior
DRENES EN EL ESTRATO INFERIOR. Tambien en este caso el factor a = 1, la formula es la siguientre:
52
2 D h − 2 D1 L2 L Dr + R h = R 1 + +R ln K2 8( K 1 D1 + K 2 D2 ) πK 2 µ K1
Cuando K1
2 D1 L2 L Dr +R +R ln K1 8 K 2 D2 πK 2 µ
DRENES EN EL LÍMITE DE LOS DOS ESTRATOS Hay que distinguir tres casos: 1)
K1<< K2 h=R
2 D1 L2 L Dr +R +R ln K1 8( K 1 D1 + K 2 D2 ) πK 2 µ
2)
K1<> K2 h=R
2 D1 L2 L Dr +R +R ln K1 8 K 2 D2 πK 2 µ
3)
K1>> K2
En este caso se recomienda el uso de la formula de Hoogoudt DRENES EN EL ESTRATO SUPERIOR Hay que distinguir tres casos: 1) K2 > 20 K1 h=R
Dv L2 L 4 Dr +R +R ln K1 8( K 1 D1 + K 2 D2 ) πK 1 µ
2) 0.1K1< K2 < 20 K1 h=R
Dv L2 L aDr +R +R ln K1 8( K 1 D1 + K 2 D2 ) πK 1 µ
El valor de a se obtiene del siguiente abaco.
53
3) 0.1K1> K2 h=R
Dv L2 L Dr +R +R ln K1 8 K 1 D1 πK 1 µ
Ejemplo 1) En una extensa área irrigada se ha comprobado problemas de empantanamiento que ha causado una progresiva disminución de la productividad agrícola. Esta zona durante la época de riego dispone de abundante agua desde el 1 de enero hasta mayo 31, la precipitación pluvial en la zona es 36mm/año distribuido uniformemente, el riego es por surcos donde las aplicaciones son a intervalos frecuentes y abundantes. El modulo de riego es 15,000 m3/Ha/año. Las pérdidas por escorrentía superficial se estima en 10% del agua total aplicada. La eficiencia de aplicación es del 50%, las investigaciones sobre suelos nos dan la siguiente información.
Profundidad (cm)
Textura suelo
Conductividad
54
0-50 50-190 190-680 680- mas
Arenoso Franco arcilloso Franco arenoso Limo compactado
Hidráulica (m/día) 5 0.4 0.8 0.001
En épocas de riego la napa freática se encuentra a 50 cm. De profundidad, pero se considera que para tener una buena producción y evitar la salinizacion del suelo la N.F. debe mantenerse a 1 m. de profundidad en época de riego y 1.90 durante el resto del año. ¿Calcular el espaciamiento de drenes subterráneos considerando tubos de 20 cm. De diámetro y zanjas de 30 cm. De plantilla. -
Calculo de la recarga.
-
Perdidas por escorrentía (10%)
Pe =0.10 x 1500 = 150 mm/año -
Perdidas por eficiencia
P.ef. = 0.50 x 1500 = 750 mm/año Perdidas totales = 150 + 750 = 900 mm/año Agua que debe eliminarse por drenaje = 1500–900= 600mm/año Recarga: 600 mm/año ----------- = 4 mm/día 150 dias/año Identificación del caso: Caso suelo estratificado Los drenes estará en el limite de los 2 estratos. La formula a aplicar es K1 << K2
REGIMEN VARIABLE O CARGA INSTANTANEA Formula de Glover – Dumm
55
D
ht ho
Do
En un principio la napa freática debe estar a la altura del nivel de los drenes, pero dado a una recarga instantánea se eleva a h0 = R/Pd, al cabo de cierto tiempo descenderá hasta la altura h t. A partir de ciertas hipótesis Glover y después Dumm estudiaron el movimiento de la napa freática, deduciendo la siguiente formula: 1 2 ht =1.16ho ∑ e −n αt n
α=
n= 1, -3, 5
π 2 KD PdL2
ho = altura de la napa freática debido a la recarga instantánea (m.) ht = altura inicial de la napa freática (m.) t = tiempo transcurrido desde que comenzó a descender la N.F. en días. KD = transmisibilidad (m2/día) Pd = porosidad drenable L = espaciamiento de los drenes Cuando el valor αt > 0.2, el valor correspondiente a n=3 por lo que su valor es despreciable. Quedando la formula de la siguiente manera: ht = 1.16hoe −αt Π2 KDt
ht = 1.16h0 e L =π2
KDt * Pd
PdL2
1 ln 1.16 *
h0 ht
D = D1 + D2
D1 =
h0 + ht 2
D2 : Espesor equivalente de Hoogoudt Cuando D1 es pequeño en comparación de D2, se puede despreciar D1 y considerar D = D2
56
Ejemplo: 1) En una zona bajo riego la N.F. inmediatamente después del riego se encuentra a 50 cm. De profundidad. La condición para mantener el cultivo en optimas condiciones la N.F. después de 3 días de riego debe estar a 1 m. de profundidad. Calcular el espaciamiento del sistema de drenaje parcelario y el caudal que debe evacuar el canal de drenaje, a 3 días después del riego y a un día después del riego, con los siguientes datos: Profundidad de instalación = 1.8 m. Capa Impermeable = 6.8 m. Porosidad drenable = 0.05 Conductividad hidráulica = 0.80 m/día Diámetro exterior del tubo de drenaje = 20 cm.
6.8
1.8
ho ht
Do ho = 1.8 – 0.5 = 1.30 m ht = 1.8 – 1 = 0.8 m Do = 6.8 – 1.8 = 5 L2 = 747.3141D
1.3 + 0.8 L2 = 747.314 d + 2 L2 = 747.314( d +1.05)
Resolviendo por tanteos con la tabla de Hoogudt. Si
L = 55 m
Do = 5
55 2 = 747.314(3.114 +1.05)
3025 = 3111.81 Si L = 56m 56 2 = 747.314( 3.1328 +1.05)
3136 = 3125.86 L = 56 m. CALCULO DEL DIAMETRO DE TUBOS DE DRENAJE Tenemos que distinguir 2 tipos de tubos:
57 -
Los que cumplen la función de conducción (d c)
-
Los que cumplen la función de drenaje (d d)
Los primeros no tienen efecto drenante, ejemplo los colectores; en el segundo caso tienen efecto drenante en todo su recorrido. dc > d d CALCULO DEL DIAMETRO DE TUBERIAS DE CONDUCCION Q = AV =
d 8/3 =
1 1 d 2 2 / 3 1/ 2 AR 2 / 3 S 1 / 2 = π R S n n 4
R=
A ; P = πD P
Qn ; Para tubos de ceramica n = 0.0135 0.3081S 1 / 2
Q d = 0.3081 1 / 2 S
3/8
CAUDAL A ELIMINA POR LOS DRENES PARCELACRIOS Para régimen permanente: Q = RLI = RA R = recarga L = espaciamiento entre drenes I = longitud del dren Regimen variable: Carga instantanea Q = 0.000073
KD h0 I L
K = m/dia D, h0, I, L en m. Q = m3/seg. CALCULO DEL DIAMETRO DE LOS DRENES Una vez conocido el caudal a eliminar por los drenes, el paso siguiente es el calculo de su diámetro y pendiente. a)
Drenes lisos (cerámicos, hormigón, PVC liso)
d = 0.1913
Q 0.368 S 0.211
Q = 89d 2.714 S 0.572
b)
Drenes corrugados
d = 0.2557
Q 0.375 S 0.187
58 Q = 38d 2.667 S 0.5
d = Diámetro interior del dren en metros Q = Caudal a eliminar en m3/s S = Pendiente En la práctica S viene limitado por la topografía. El diámetro calculado se debe aumentar en un 10% dado a la colmatación de los drenes. GRADIENTE DE TUBOS Para drenes parcelarios de campo S = 2 - 4‰ Drenes colectores 4 - 6‰ TUBOS DE DRENAJE Tenemos 2 tipos de tubos. Tubos de cerámica Tiene una longitud de 300 a 333 mm siendo el mas común el de 300 mm, en las uniones de los tubos dejan una junta de 1 mm. Por donde ingresa el agua. En el mercado existe una variedad de diámetros: 50, 60, 65, 80, 100, 120, 130, 150, 180, 200, 300 mm. Los espesores es muy variable depende fabricante: e = 8 + 0.08 D mm. Formas de tubos: Tubos lisos rectos Lisos con campana Porosidad: No es importante Resistencia: Son tubos muy resistentes a las presiones y la salinidad. TUBOS DE PLASTICO Los más usados son los de PVC y polietileno, pueden ser lisos y corrugados. Los corrugados tienen ventaja frente a los lisos. -
Tienen mayor resistencia a las presiones
-
Muy flexible en la instalación
Las perforaciones deben practicarse en las depresiones del tubo en por lo menos en 3 filas sobre la superficie del tubo, la longitud máxima puede se de 5 mm. Y el ancho de 0.5 a 1.5 mm. Y de 0.8 a 2 mm. de diámetro. Desventajas de los tubos corrugados -
Alta resistencia a la entrada del agua
MATERIAL FILTRO PROTECTOR Desempeña 2 funciones:
59 -
De protección, no deja pasar sedimentos
-
Tiene alta conductividad hidráulica (K)
Formas: -
En volumen: grava, broza
-
En rollo: Lana de vidrio, esterillas de paja, fibra de coco.
-
Pre-fabricados: viene envuelta en los tubos o fajas para envolver.
Los buzones pueden ser aéreos y subterráneos, estos últimos pueden estar a 1 m. de profundidad. CONSTRUCCION DEL SISTEMA DE DRENAJE -
INSTALACION MANUAL
Excavar hasta la profundidad deseada -
Colocar material filtro protector en el fondo
-
Colocar y asentar los drenes chequeando la pendiente
-
Colocar material filtro protector a los costados y sobre el tubo
INSTALACION MECANICA -
Excavador continuo
-
Excavadora de cadena
-
Zanjadora entubadora, excava, coloca tubos, coloca filtro.
Se rellena después de la inspección. CARACTERISTICAS MÁS SALTANTES DE LA ZANJADORA ENTUBADORA -
Excava zanjas de 26 cm. De ancho hasta 2 m. de profundidad.
-
Coloca tubos ya sea de cerámica o de plástico.
-
Coloca material filtro protector
-
Puede trabajar en condiciones difíciles de humanidad.
-
Logra buena uniformidad de pendiente, siendo controlado por rayos láser.
-
Gran economía de mano de obra
-
Logra un avance de 250 – 300 m/hora.
ETAPAS DE INSTALACION USANDO EL SISTEMA LASER -
Replanteo de los drenes
-
Estacionamiento del láser emisor (radio de acción 300m.)
-
Probar que el láser se encuentre en la zanjadora entubadora lo cual es detectado por la intermitencia de luz en el tablero.
-
Ubicar la zanjadora entubadora en posición de operación bajando el cajón y accionando la cadena excavadora.
60 -
Iniciar la instalación de 2 a 3 m. de largo y colocar el tubo protector de salida.
-
Controles
Espesor del filtro por debajo del tubo. Ejemplo de aplicación Calcular el diámetro del dren en el caso siguiente. R = 0.015 m/día L = 20 m. I = 200 m. Desnivel total 30 cm.: i = a)
0.30 = 0.0015 200
Drenes lisos d = 0.1913Q 0.368 i 0.211
b)
Drenes corrugados d = 0.2552Q 0.375 i −0.187
Problemas. 1)
Una área irrigada tiene que ser drenada a una profundidad de 1.80 m., la profundidad de la capa impermeable es 6.80 m. y K=0.80 m/día. El sistema tiene que ser diseñado en tal forma que con una recarga del exceso de agua de riego que incrementa la N.F. en 1 mm/día no debe elevarse a un nivel superior a 1.50 m. por debajo de la superficie. Rpta. 99.40 m
2) Un área bajo riego tiene que ser drenada a una profundidad de 2 m. La profundidad de la capa impermeable es 10 m. La conductividad hidráulica arriba del nivel del dren es 1.50 m/día y debajo de este nivel 2 m/día. El radio exterior de los drenes es de 0.10 m. El sistema de drenaje tiene que ser diseñado de tal manera que la N.F. no se eleve a un nivel superior a 1.50 m por debajo de la superficie. La recarga es de 1 mm/día de los excesos de riego y 3 mm/día de filtraciones donde un área lejana. No hay agua sobre el tope de los tubos. Rpta. 103 m. 3) En un área bajo riego los estudios de campo da los siguientes valores: El perfil del suelo consiste en un estrato superficial de un espesor de 1.60 m. de arcilla con una baja
61 conductividad hidráulica de 0.30 m/día. Después sigue un estrato de arena fina hasta una profundidad de 3 m. con una K=2 m/día, la capa impermeable se encuentra a un profundidad de 5 m. De los estudios de exceso de riego y el proceso de salinidad sale que la N.F. debe estar a una profundidad de 1.30 m. bajo la superficie cuando la descarga es 2 mm/día. Se puede colocar los tubos de drenaje a una profanidad de 2 m. y la zanja de relleno tiene un ancho de 0.25 m. El radio exterior de los tubos es 0.10 m. Rpta. 124 m. 4)
Calcular el espaciamiento de los drenes si están ubicados por debajo de la interfase. El caudal a eliminar es 20 mm/día y los drenes de radio de 0.04 m., se han instalado en una zanja de 0.20 m. de plantilla, carga hidráulica 0.50 m. K 1 = 0.04 m/día, K2 = 2 m/día, Profundidad de la interfase a la capa impermeable: 3 m., profundidad de los drenes a la capa impermeable 2.70 m. Rpta. L = 27 m. a.
El plano nº 01 es un área con problema de empantanamiento donde se aprecia zonas bien diferenciadas respecto a sus características hidrodinámicas tal como se presenta en los cudros nº 1 y 2 de la zonas A y B respectivamente. Para solucionar el problema existente primeramente se traza el dren colector AB y se nivelaron las estacas colocados cada 50 m., cuyos cotas se presentan en el cuadro nº 3. El sistema de drenaje constara además de drenes parcelarios entubados que se instalaron a una profundidad de 2m. en la zona A y para calculado en la zona B, y estos desembocaran en el dren colector AB. Los tubos de Drenaje serán de cerámica con n=0.0135 de 33 cm. de largo y serán instalados con pendiente de 0.002, orientados lo mejor posible; el material filtro protector será grava de 1/8” colocados alrededor con un espesor de 5 cm. Considerando que las curvas isopiezometricas son casi paralelos a las curvas de nivel:
5) Diseñar el dren colector (entubado para la zona A y zanja abierta para la zona B) con n = 0.040, n = 0.0125, Z = 1, Q A = 200 lit/seg, siendo QA = el caudal de agua que llega al punto A. proveniente de zonas mas altas.
62 a. Diseñar el sistema de drenaje parcelario para la respectiva zona que deberá contener el espaciamiento, ubicación, calculo del diámetro de tubos de drenaje. La ubicación debe ser la más económica. b. Realizar el medrado de los sistemas de drenaje proyectado: cantidad de tubos, material filtro protector, buzones de mantenimiento, estructuras de salida y volumen de excavación. CUADRO Nº 1 Características hidrodinámicas de la zona A: Profundidad permisible del N.F. = 1.20 m., K=6 m/día Profundidad capa impermeable = 4 m. Recarga constante 8.64 mm/día CUADRO Nº 2 Características hidrodinámicas de la zona B: Parcelación profunda = 55 mm. Intervalo de riego = 20 días K=1.2m/día, Pd=5% Profundidad de la capa impermeable = 5.65 m. La N.F. un día después del riego e instalado el sistema debe ser 0.80 m. y al 4 día después del riego será 1 m.; a 20 días después del riego coincidirá con el fondo de los drenes entubados.
CUADRO Nº 3 Est. 0 1 2 3 4 5 6
cota 62.0 61.9 61.7 61.8 61.7 61.4 61.4
Est 7 8 9 10 11 12 13
cota 61.4 61.2 61.1 60.9 61.0 60.9 60.6
Est 14 15 16 17 18 19 20
cota 60.6 60.7 60.3 60.2 60.3 60.2 60.49
Est 21 22 23 24 25 26 27
cota 60.0 59.9 59.6 59.7 59.4 59.4 56.65
63 NOTA: 56.65 es el fondo del otro dren 6) En una zona bajo riego se aplica 200 mm. De agua cada 15 días durante los meses de mayor uso consuntivo, la eficiencia de riego se estima en 60% y las perdidas por parcelación profunda significa 75% de las perdidas totales, la K del medio poroso es de 1.2 m/día, la porosidad drenable es de 5% en el estrato de 0.70 m a 2 m. de profundidad. La capa impermeable se encuentra a 4 m. por debajo del nivel de los drenes; para drenar esta área se instalaron drenes subterráneos entubados de 20 cm. De diámetro instalado a una profundidad “h” por debajo de la superficie del suelo, en el diseño se considera que la napa freática debe permanecer a 65 cm. De profundidad en épocas de mayores recargas. (Inmediatamente después del riego) 1.1.
Cual será la profundidad mínima de instalación de los drenes, cálculos.
1.2.
Si se produjera una obstrucción total de los drenes después del riego y se produce precipitación de 6.5 mm/día durante 10 días siguientes hasta que la N.F. alcanza la superficie del terreno, calcular la porosidad drenadle de los 65 cm. Del perfil del suelo.
7) Un sistema de drenaje consta de tubos de cerámica de 20 cm. De diámetro exterior, instalados a un espaciamiento de 62 m., según la formula de Hooghoudt, la descarga normativa es de 4 mm/día. En un pozo de observación instalado en un punto equidistante entre 2 líneas de drenaje, la napa freático fue medido y resulto 60 cm. De profundidad, la C.I. se encuentra a 4 m. por debajo de los drenes y estos se encuentran instalados a 2 m. de profundidad. a. Determinar la conductividad hidráulica del acuífero superficial. b. Expresar cuantitativamente zonas de flujo radial y flujo horizontal. 8) Debido a los excesos de aplicación de 6 mm/día de agua de riego en una zona casi plana, se produce la elevación de la N.F. que alcanza un nivel muy cercano a la superficie del terreno; para bajar este nivel hasta 4 m. de profundidad se instala un pozo de bombeo en el centro de dicha área, este pozo tiene un rendimiento de 100 lit/seg. Cuando la N.F. se estabiliza. a. Calcular el area drenada en Has. Por dicho pozo de bombeo. b. Si por desperfecto mecánico el equipo de bombeo deja de funcionar; cual es el tiempo que debe demorarse en reparar y poner en funcionamiento antes que el
64 nivel freático llegue a 1.20 m por debajo de la superficie, sabiendo que la K=4 m/día y la porosidad drenable estimar si es necesario…
