INFORMACIONES TÉCNICAS APLICACIONES RURALES I–H1
ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN PARA IRRIGACIÓN
Las estructuras destinadas a obras de irrigación construidas con hormigón o bloques de hormigón de calidad, poseen la durabilidad e impermeabilidad necesarias para asegurar el control del agua para riego de chacras, y requieren menor tiempo y trabajo para el manejo y conservación de los sistemas de irrigación. Estas estructuras incluyen acequias revestidas o canales, y dispositivos para control de distribución. El tipo y tamaño de la estructura a emplear depende de la magnitud del caudal y del método de distribución. Compuertas Principales Las compuertas principales de distribución se utilizan para derivar agua de un canal o acequia principal hacia secundarios individuales o acequias. Se emplean generalmente equipadas con dispositivos de medición de caudales. La compuerta principal de hormigón que muestran las figuras 1 y 2, es del tipo de orificio sumergido, provisto de pozos de aforo. Para determinar el caudal que pasa por el orificio sumergido, remitimos a la Tabla 1. TABLA 1. Escurrimiento a través de un orificio rectangular sumergido Altura Área de la sección del orificio A de carga cm2 h 200 300 500 700 900 1400 2000 (m) 0,05 0,012 0,018 0,030 0,042 0,054 0,084 0,120 0,15 0,021 0,031 0,052 0,073 0,094 0,146 0,209 0,25 0,027 0,040 0,068 0,095 0,123 0,189 0,270 De la fórmula Q = 0,61
2 gh
(Q en m3 /seg.)
Fig. 1 – Perspectiva de la compuerta principal de un orificio sumergido instalado en el talud de un canal principal
Fig. 2 – Planta de la compuerta principal del tipo de orificio sumergido mostrando la ubicación del mismo y de los pozos de aforo
Revestimiento de acequias En las zonas en que escasea el agua o donde el caudal de infiltración constituye un problema, las acequias revestidas con hormigón son de una necesidad absoluta. Las pérdidas por infiltración en acequias sin revestir suelen exceder de la mitad del caudal total. Registros efectuados por un regante de Wyoming indican que dispuso del 25% al 50% más de agua para regar sus sembradíos, luego de revestir sus acequias con hormigón.
En aquellos lugares en que el agua de riego proviene de pozos, las acequias revestidas han reducido en muchos casos a la mitad el costo del bombeo. Las acequias revestidas requieren menor servidumbre de paso, pueden disponerse siguiendo trazados de mayor pendiente y más directos, sin peligro de erosión y requieren menor conservación. La figura 3 muestra la sección transversal típica de una acequia con revestimiento de hormigón. Los caudales y velocidades correspondientes a acequias revestidas y sin revestir, de sección trapecial, se indican en Tabla 2. Para conducir igual cantidad de agua, una acequia revestida de hormigón requiere sólo la mitad del área de la sección transversal, que otra sin revestimiento. TABLA 2. Velocidad del agua V y caudal Q en acequias de sección trapecial Revestidas con hormigón. Pendientes de los taludes 1:1 n = 0,014 Ancho del fondo = 0,45 m
Ancho del fondo = 0,60 m
Sin revestir. Pendientes de los taludes 1,5:1 n = 0,035 Ancho del fondo = 0,60 m
Prof. del agua 0,30 0,45 0,60 0,30 0,45 0,60 0,30 045 0,60 (m) Sección de la 0,225 0,405 0,630 0,270 0,472 0,720 0,315 0,572 0,900 acequia 2 (m ) Pendientes V Q V Q V Q V Q V Q V Q V Q V Q V Q (m/m) 0,0001 0,22 0,050 0,27 0,110 0,32 0,199 0,23 0,063 0,29 0,135 0,33 0,237 0,09 0,029 0,11 0,066 0,13 0,122 0,001
0,69 0,157 0,78 0,316 0,99 0,627 0,74 0,198 0,90 0,426 1,04 0,750 0,29 0,093 0,36 0,209 0,57 0,470
0,01
2,22 0,498 2,70 1,100 3,16 1,990 2,34 0,630 2,86 1,350 3,29 2,370
Velocidad excesiva para canales sin revestir
A Valores deducidos de la Fórmula de Manning Q = ---- r 2/3 i ½ 3
n
donde Q = m /seg.; n = coeficiente de rugosidad; A = sección transversal de la acequia; r = radio hidráulico ; i = pendiente de la acequia
Fig. 3 – Sección transversal típica de una acequia revestida con hormigón
Presas de hormigón Una presa de hormigón es una simple pared construida normalmente a la corriente o canal; una abertura rectangular en el centro permite el pasaje del agua. Ranuras dispuestas en las caras laterales de la abertura permiten colocar tablones de madera para elevar o controlar el nivel de agua, para su derivación a los terrenos adyacentes. En la mayor parte de los casos estas presas se moldean in-situ (ver fig. 4).
Fig. 4 – Las presas de hormigón permiten un control eficiente del escurrimiento del agua en las acequias
En ciertas zonas, se producen y venden presas de hormigón premoldeado, similares a los que muestra la figura 5. La Tabla 3 contiene las cantidades de materiales requeridos por presas de distintas dimensiones. TABLA 3. Cantidades de materiales requeridos por una presa de hormigón moldeada in – situ Materiales Hormigón (m3) Armadura (m lineales de barra Ø 10)
Largo B de la cresta del vertedero 0,60 m 0,75 m 0,90 m 1,05 m 0,485 0,512 0,537 0,566 32
34
35
38
Fig. 5 – Presa prefabricada con hormigón. Este tipo de presa permite quitarla cuando sea necesario
Combinación de salto y presa El salto facilita los cambios bruscos de nivel de la superficie del agua, reduciendo al mismo tiempo la velocidad de escurrimiento. En Tabla 4 figura la capacidad de descarga de una estructura típica con un vertedero cuya cresta tiene una longitud de 0,60 m. La parte de aguas abajo de la estructura, que aparece en fig. 6, disipa la energía creada en el agua por el cambio de nivel. Cuando el agua debe circular por una fuerte pendiente, es recomendable emplear conductos de hormigón, acequias revestidas o saltos. El salto debe proyectarse de modo que la cresta del vertedero quede a nivel con el fondo de la acequia. TABLA 4. Gastos correspondientes a una presa y salto tipo Largo de la cresta del vertedero B = 0,60 m d (m)
0,30
0,45
0,60
0,75
Q (m3 /seg)
0,63
0,284
0,284
0,538
Calculados con la fórmula Q = 1,84 ( B – 0,2 d) d 3/2 Donde d = profundidad del agua en la acequia B = largo de la cresta del vertedero Q = gasto en m3 /seg
Fig. 6 – Combinación de salto y presa, construida con bloques de hormigón
En la Tabla 5 se indican las cantidades normales de materiales, requeridas por la combinación de salto y presa. TABLA 5. Cantidades de materiales requeridos por una combinación de salto y presa Largo de la cresta del vertedero B Dimensiones (ver Fig. 6)
Bloques de hormigón
h
l
Hormigón m3
0,15 m
0,90 m
0,30 m 0,45 m
Armadura m lineales de Ø 10
Mortero m3
2
20x20x40 extremos planos 10
0,0113
3,70
2
2
15
0,0141
4,90
2
2
20
0,0197
6,10
20x20x20 de esquina
20x20x20 con ranura
20x20x40 con ranura
0,442
3
2
1,05 m
0,533
4
1,20 M
0,640
5
h = Altura de la cresta del vertedero encima del umbral l = Largo de las paredes laterales
Derivaciones Las estructuras de derivación se usan para desviar el agua de la acequia principal hacia la zona a irrigar. Las derivaciones de hormigón con compuertas, sean de orificio sumergido (fig. 7) o libre (fig. 8) se utilizan generalmente para riego por inundación. Las mismas deben ubicarse de 7,5 cm a 10 cm por debajo del nivel del terreno, con el objeto de conferir al agua un movimiento hacia arriba cuando sale de la estructura.
Fig. 7 – Un caño de hormigón provisto de un collar, constituye una derivación simple para riego por inmersión
Fig. 8 – Derivación de orificio libre. Permite el pasaje de un gran caudal de agua para ser derivado al terreno en un período corto de tiempo
En la Tabla 6 se indican los gastos de las derivaciones constituidas por caños de hormigón, mientras que los correspondientes a orificios figuran en la Tabla 7. TABLA 6. Gastos de derivaciones constituidas por caños de hormigón Carga m 0,050 0,075 0,100 0,125 0,150 0,175 0,200 0,225 0,250 0,275 0,300
Diámetro interior del caño 0,15 m 0,0114 0,0139 0,0161 0,0180 0,0197 0,0213 0,0228 0,0242 0,0254 0,0267 0,0279
0,20 m 0,0202 0,0246 0,0285 0,0319 0,0349 0,0377 0,0404 0,0429 0,0450 0,0473 0,0494
0,25 m 0,0317 0,0386 0,0447 0,0500 0,0547 0,0591 0,0633 0,0671 0,0705 0,0741 0,0775
0,30 m 0,0456 0,0556 0,0644 0,0720 0,0788 0,0852 0,0912 0,0968 0,1016 0,1068 0,1116
Valores de Q en m 3 /seg, obtenidos con la fórmula Q = C A √ 2g h; siendo A = área de la sección del caño; C = 0,65 para caños de superficie lisa, y h = altura efectiva de carga
TABLA 7. Gastos de las derivaciones a orificio libre Largo de la abertura (m) 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80
Profundidad de la corriente (m) 0,025
0,050
0,075
0,100
0,125
0,150
0,175
0,200
0,0013 0,0015 0,0017 0,0019 0,0022 0,0024 0,0026 0,0028 0,0030 0,0033 0,0035
0,0037 0,0043 0,0049 0,0055 0,0061 0,0067 0,0073 0,0080 0,0086 0,0092 0,0098
0,0068 0,0079 0,0091 0,0102 0,0113 0,0125 0,0135 0,0147 0,0158 0,0170 0,0181
0,0104 0,0121 0,0139 0,0156 0,0173 0,0191 0,0208 0,0225 0,0242 0,0260 0,0277
0,0145 0,0170 0,0194 0,0218 0,0242 0,0267 0,0291 0,0315 0,0339 0,0363 0,0388
0,0191 0,0223 0,0255 0,0287 0,0319 0,0351 0,0383 0,0415 0,0447 0,0478 0,0510
0,0241 0,0297 0,0396 0,0346 0,0395 0,0395 0,0445 0,0445 0,0495 0,0495 0,0545 0,0545 0,0594 0,0594 0,0643 0,0643 0,0693 0,0693 0,0742 0,0742 0,0791 0,0791
0,225
0,250
0,0354 0,0412 0,0471 0,0530 0,0589 0,0648 0,0707 0,0766 0,0825 0,0883 0,0942
0,0413 0,0482 0,0550 0,0619 0,0688 0,0758 0,0825 0,0895 0,0964 0,1035 0,1100
Valores obtenidos en base a la fórmula Q = 1,1 l. H 3/2 siendo Q = caudal en m 3 /seg; H = profundidad de la corriente en m y l = largo de la cresta en m
Aforadores Parshall Los aforadores Parshall se utilizan para medir los caudales que pasan a los sistemas de riego, y operan sobre el mismo principio que los medidores Venturi, con su sección contraída especialmente diseñada y con secciones de entrada convergente y de salida divergente. La profundidad de la corriente se mide en la entrada mediante un hidrómetro. Las lecturas de carga se efectúan en un punto ubicado aguas arriba de la sección contraída o a una distancia de la misma igual a 2/3 del largo de la sección convergente de entrada. La fig. 9 muestra el diseño característico de un aforador Parshall y en la Tabla 8 se indican las dimensiones necesarias y los caudales correspondientes.
Fig.9 – Dimensiones de un aforador Parshall, de suma importancia para su correcto funcionamiento
TABLA 8. Características hidráulicas del aforador Parshall Capacidad nominal m3 /s
Dimensiones (m) (Ver Fig. 9)
Capacidad de escurrimiento libre Para una Para una Descarga Descarga carga carga 3 m /s m3 /s mínima máxima
A
B
C
D
E
0,142
0,30
0,85
0,60
1,30
0,45
0,06 m
0,010
0,35 m
0,140
0,284
0,30
0,85
0,60
1,30
0,65
0,06 m
0,010
0,55 m
0,290
0,426
0,60
1,20
0,90
1,45
0,55
0,06 m
0,020
1,45
0,426
0,710
0,60
1,20
0,90
1,45
0,75
0,06 m
0,020
0,65
0,720
de
de
Combinación de cámara de descarga de bomba con partidor Cuando el agua para el riego proviene de pozos, es necesario incluir, formando parte del sistema, una cámara de descarga de bomba o pozo de amortiguación. En muchos sistemas dicha estructura se combina con un partidor, como muestra la figura 10.
Fig.10 – Combinación de cámara de descarga de bomba con partidor. Esta estructura funciona como cámara de amortiguación y distribución
La cámara de descarga se proyecta para reducir la turbulencia causada por el agua que fluye de la bomba. Una reja de madera ubicada cerca de la salida de la estructura de hormigón, sirve de regulador. El partidor anexo puede construirse en forma de proveer dos o tres derivaciones para el agua de riego, según sea la disposición del sistema. La Tabla 9 contiene las dimensiones aconsejadas y las cantidades de material requeridas para una combinación de cámara de descarga de bomba con partidor. TABLA 9. Dimensiones de la cámara de bombeo y cantidades de materiales Capacidad de descarga m3 /min
A
2,3 – 3,8
2,60
0,60
1,10
0,45
0,30
0,45
5,50
4,0 – 6,1
3,00
0,75
1,35
0,52
0,43
0,52
6,90
Dimensiones (ver Fig. 10) D C d+F e
J
Madera (m) 1”x4” 1”x4”
Armadura Ø 10 m
Hormigón m3
2,00
56,5
1,45
2,00
67,5
1,82
Sifón invertido Ocasionalmente es necesario hacer pasar una acequia de riego por debajo de un camino. Ello exige utilizar un conducto enterrado para transferir el caudal. Tales conductos se suelen denominar sifones invertidos. Los sifones para acequias de chacras son generalmente cortos, de 15 m o menos. El sifón invertido, fig. 11, puede ser considerado como un conducto que funciona a sección llena, con ambos extremos sumergidos. La velocidad a través del caño debe ser por lo menos la misma que en la acequia, a fin de evitar la formación de sedimentos en el fondo de la estructura.
Fig.11 – Sifón invertido simplificado, para conducir el agua de rie go por debajo de un camino u obstáculo similar. La entrada y salida de sifón invertido deben construirse en forma de asegurar una transmisión suave y gradual de la acequia al caño
Un ejemplo característico lo constituye un sifón de hormigón de 9,00 m. de largo que debe conducir un caudal de 0,46 m3 /s por debajo de una carretera. La velocidad V en el canal antes y después del sifón es de 1,16 m/s y se desea conocer la diferencia h entre los niveles de agua a la entrada y salida de un caño de hormigón de 0,60 m de diámetro. de la fórmula para los orificios sumergidos, se tiene que el gasto Q es igual a C a √2 g h siendo h la diferencia de nivel del pelo de agua entre la entrada y la salida, a el área de la sección, y C el coeficiente de gasto. De la Tabla 10, el coeficiente de gasto C para caños de hormigón con borde biselado de 0,60 m de diámetro y 9,00 m de largo resulta 0,83. La sección transversal del caño tiene un área de 0,283 m2. Luego, Q2 despejando h de la fórmula, se tiene h = = 0,195 m Solución:
2gC 2a2
Si las condiciones son tales que la carga de 0,195 m no es factible, se hace necesario entonces probar con un caño de otra dimensión. Despejando de la fórmula Q V
=
la velocidad en el caño, ésta resulta ser de 1,63 metro por segundo,
a
mayor que la de 1,16 m/s en la acequia, siendo satisfactoria desde el punto de vista de la sedimentación. Como muestra la fig. 11, es necesario disponer en la entrada del conducto, de una carga mínima hi . Este valor es igual a la suma de la altura debida a la V2 V2 velocidad más la pérdida de cargas en la entrada h, 2g 2g Para las condiciones establecidas hi = 0,096 m. TABLA 10. Coeficiente C de descarga, para alcantarillas de caños de hormigón con bordes biselados Largo del caño (m)
0,15
0,30
0,45
0,60
0,75
0,90
1,05
1,20
3 6 9 12
0,77 0,66 0,59 0,54
0,86 0,79 0,73 0,68
0,89 0,84 0,80 0,76
0,91 0,87 0,83 0,80
0,92 0,89 0,86 0,83
0,92 0,90 0,87 0,85
0,93 0,91 0,89 0,87
0,93 0,91 089 0,88
Diámetro del caño (m)
15
0,49
0,65
0,73
0,77
0,81
0,83
0,85
0,86
INFORMACIÓN GENERAL PARA LA CONSTRUCCIÓN Las estructuras para riego requieren un planteamiento cuidadoso de su ubicación y construcción. Cada unidad debe construirse de modo que contribuya al éxito del funcionamiento del sistema completo de riego. Excavación y terraplenamiento Debe planificarse en forma de remover un mínimo de suelo y excavar hasta obtener las dimensiones exactas requeridas. En algunos casos las estructuras pueden construirse utilizando la tierra como encofrado. De ser necesario terraplenar, la tierra debe ser humedecida y perfectamente compactada en capas de no más de 10 cm de espesor. Usar hormigón de calidad La resistencia, durabilidad e impermeabilidad del hormigón dependen fundamentalmente de la cantidad de agua por bolsa de cemento que se emplee. Por cada bolsa de cemento no se debe emplear más de 22,5 l de agua. Utilizando agregados corrientes, las proporciones de la mezcla son de aproximadamente 1:2 ¼: 3. Si en el primer pastón de prueba dicha mezcla no resulta satisfactoria, deben variarse las proporciones de arena y grava pero sin modificar las cantidades de cemento y agua. En aquellas zonas donde las estructuras, una vez terminadas, se encuentran sujetas a procesos de congelación y deshielo, se recomienda el empleo de hormigón con aire incorporado. Este tipo de hormigón se obtiene usando cemento portland con aditivo incorporador de aire o agregando en la hormigonera una pequeña cantidad de un agente incorporador de aire. Cuando se emplee hormigón preparado en planta central, es muy importante tener los moldes listos y suficiente mano de obra disponible, para poder moldear el hormigón cuando se recibe. En este caso debe especificarse una mezcla con 335 kg/m3 de cemento y no más de 27,5 l de agua por bolsa de cemento, incluida la humedad de los agregados. Conviene especificar hormigón con un contenido de aire del 4 % al 7 %. Colocación del hormigón
El hormigón fresco debe colocarse en los moldes en capas uniformes de un espesor aproximado de 15 cm. No debe hacerse correr al hormigón distancias largas dentro del encofrado, debe compactarse perfectamente y fratasarse para asegurar la obtención de un hormigón denso y de superficie lisa.
Terminación Luego de colocado el hormigón, debe nivelárselo con la parte superior del encofrado. Un fratás de madera permite eliminar las grandes irregularidades de las superficies planas. La terminación final debe posponerse hasta tanto el hormigón haya endurecido lo suficiente; luego debe usarse una llana metálica para obtener un terminado liso. La llana se pasará sólo lo necesario como para obtener una superficie lisa, sin defectos. Un excesivo alisado, especialmente mientras el hormigón se encuentra blando y plástico, hará exudar agua y material fino, haciendo que la superficie posea menor resistencia al desgaste. Para alcanzar la máxima resistencia y durabilidad debe curarse el hormigón, sea aplicando un producto para curado, membrana plástica o cubriéndolo con arpilleras húmedas, paja o arena. El hormigón requiere humedad para endurecer y curar en forma adecuada. El hormigón nuevo debe mantenerse húmedo por lo menos durante 5 días permaneciendo en posición el encofrado. Ello ayuda a conservar húmedo al hormigón.
