Curso: Tecnología del Riego PUC.

Fac. Agronomía e Ingeniería Forestal

Profesor: Luis Gurovich
Alternativas en la Construcción de Sistemas de Drenaje para suelos Agrícolas antes de plantar Huertos Frutales

ZANJAS COLECTORAS

Las zanjas corresponden a colectores trazadas en el terreno conformando una red de drenaje.  Para el diseño y construcción de esta red de zanjas es importante considerar  lo siguiente:

a)   Trazado de la red de zanjas colectoras.

b)  Dimensionamiento de la zanja.

c)   Construcción de zanjas. 

  Trazado de la red de zanjas colectoras

Consiste en el diseño y determinación de la dirección del flujo de la red de colectores.  Para este propósito es recomendable contar con material cartográfico (mapas, planos, croquis, otros); siendo lo óptimo un levantamiento topográfico del terreno a drenar.  Para realizar este trazado, deben considerarse los siguientes aspectos:

a)     Topografía :   Las zanjas deben ubicarse en sentido de la pendiente del terreno, en la medida que el apotreramiento, la forma de los potreros y el trazado seleccionado lo permita.

b)     Apotreramiento y deslindes :   Dentro de  lo posible, las zanjas deben quedar ubicadas contiguas a los cercos principales.

c)      Secciones de facilidad constructiva : Las dimensiones resultantes deben ser de un tamaño tal, que permita optimizar el rendimiento de la construcción, ya sea manual o mecanizado.

d)     Evitar erosión :  Evitar conducir caudales muy altos o en pendientes excesivas, que produzcan velocidades erosivas

e)     Punto de descarga :  Deben ser de fácil acceso, y en lo posible, distribuir el caudal en varios puntos de descarga.

     Dimensionamiento de la zanja

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

   Parámetros de una zanja

Para calcular estas dimensiones se utilizan las siguientes ecuaciones:

Q         =          A  *  V

A         =          b  *  d  +  Z  * d²

V         =          (1 / n)  *  (A / P)^2/3  *  So^1/2               Fórmula de Manning

P         =          b  +  2  *  d  *  (1 + Z²) ^1/2

H         =          d  +  r

B         =          b  +  2  *  Z   *   H

Donde :

Q         =          Caudal de drenaje (m³/s)

A         =          Area transversal de conducción (m²)

V         =          Velocidad del flujo (m/s)

b          =          Base (m)

d          =          Tirante hidráulico (m)

Z          =          Talud de la pared (adim).

n          =          Coeficiente de rugosidad de Manning (adim).

P         =          Perímetro mojado (m).

So       =          Pendiente de la rasante (m/m).

H         =          Profundidad  de la zanja (m).

r           =          Revancha o altura libre (m).

B         =          Ancho superior de la zanja (m).

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

                       Q          =       A  x  V

                       Q          =       A  x  (1/n)  x  (A/P)^2/3  x  So^1/2

(Q  x  n)  /  So^1/2           =       A^5/3   /  P^2/3

((Q  x  n)  /  So^1/2) ³     =       A⁵  /  P²

((Q  x  n)  /  So^1/2) ³     =       (b  x  d  +  Z  x  d²) ⁵  /  (b  +  2  x  d  x  (1  +  Z²) ^1/2) ²

Al realizar el cálculo, son conocidos los siguientes valores:

Q         :           Calculado de acuerdo a un estudio hidrológico y de precipitaciones.

n          :           Se obtiene del Cuadro 2.

So       :           Se obtiene en el plano topográfico, o se asume.

Z          :           Se obtiene del Cuadro 3.

Para calcular d y b, debe asumirse un valor para alguno de estos parámetros, y calcular el otro iterando en la ecuación.  También existen tablas para obtener estos valores, para valores de Q, n, So y Z dados, o es posible calcularlos computacionalmente.

    Valores de coeficiente de rugosidad  n

Fuente :            Grassi, Carlos J.  1991.  “Drenaje de Tierras Agrícolas”

     Talud  Z  (1 : Z) en drenes abiertos

Fuente :            Ven Te Chow.  1959.  “Open Channel Hydraulics”

Desde el punto de vista constructivo, es muy importante respetar los taludes de diseño, para evitar derrumbes como el que se muestra en la Fotografía 1.

Fotografía            Derrumbe de la pared de una zanja por falta de talud.

En relación al valor de la pendiente de la zanja, se recomienda un valor mínimo de 0,1%, para evitar sedimentación y secciones demasiado grandes.  Por otro lado, deben evitarse pendientes excesivas, que generen velocidades muy altas que ocasionen erosión y socavación del dren, por lo cual, existen valores de velocidad máxima no erosiva según el tipo de material del dren, presentados en el Cuadro 4.

    Velocidad (m/s) máxima no erosiva en drenes abiertos

Fuente :            Fortier and Scobey.  1926.  Trans.  ASCE Vol 89 pág. 940

En relación al valor de la base (b), existe un valor mínimo de acuerdo a la modalidad de construcción.  En caso de construcción manual, el valor mínimo será aquel que pueda realizarse de acuerdo a la facilidad de operación de la mano de obra, valor que generalmente se asume igual a 0,5 m.  En caso de construcción mecanizada, este valor mínimo de zanja corresponde al ancho de la cuchara de la excavadora.

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

Ejemplo de cálculo de las dimensiones de una  zanja colectora.

Se requiere calcular las dimensiones de una zanja de drenaje, considerando los siguientes antecedentes:

Caudal (Q)                            =         250 l/s            =          0,25 m³/s

Pendiente del suelo             =         0,2%

Suelo de textura franca.

Construcción manual.

Solución :

Seleccionamos n = 0,04 para dren limpio, según el Cuadro 2.

Como pendiente del dren asumimos la misma del terreno.

Seleccionamos Z = 1, por suelo franco, según el Cuadro 3.

Asumimos b = 0,5 m, por construcción manual.

Aplicamos estos valores en la fórmula:

((Q x n)/So^1/2)³                      =               (b x d + Z x d²)⁵  

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

obtenemos :

((0,25 x 0,04) /(0,002)^1/2)³   =          (0,5 x d + 1 x d²)⁵

                                                           (0,5 + 2 x d x (1 + 1²)^1/2)²

0,01118                                 =             (0,5 x d + d²)⁵

                                                           (0,5 + 2 x d x 2^1/2)²

Para calcular el parámetro d, se van probando sucesivamente diferentes valores, hasta obtener el valor más cercano a 0,01118, lo que en este caso se consigue con d= 0,53, lo cual se comprueba a continuación:

(0,5 x 0,53 + (0,53)²)⁵                      =          0,048480319                        =          0,01213

(0,5 + 2 x (0,53) x 2^1/2)²                                     3,996266376

Al calcular la velocidad obtenemos 0,47 m/s, que es menor a la velocidad máxima no erosiva, (Cuadro 4).

La profundidad total H = d + r = 0,53 + 0,5 = 1,03 m.

El ancho superior B, entonces es igual a B = 0,5 + 2 x 1 x 1,03 = 2,56 m.

      Etapas de construcción de zanjas

Las etapas que existen en la construcción de zanjas son :  

·      Roce, despeje y limpieza de faja.

·      Excavación de la zanja.

·      Retiro del material

·      Cercado de zanjas.

 Roce, Despeje y Limpieza de Faja

Consiste en la eliminación de todos los árboles y matorrales sobre el área a ocupar, en el ancho del dren, más las bermas correspondientes.  En el Cuadro 5 se presentan los estándares y características de esta etapa.

    Estándares de roce, limpieza y despeje de faja.

Excavación de la zanja

Esta labor puede realizarse ya sea manualmente o con maquinaria.

En el caso de construcción manual, los estándares son los siguientes:

Rendimiento excavación en suelo                  =     9 m³/Jornada

Rendimiento excavación en ripio                   =     2 m³/Jornada

Vida útil pala en excavación                           =     0,1 km/pala

Vida útil picota en excavación                        =     0,5 km/picota

En el caso de construcción mecanizada, se utilizan excavadoras y mano de obra.  La excavadora cumplirá la labor de excavación propiamente tal, en tanto que la mano de obra se utilizará para el repase o terminación del sello y los taludes de las zanjas.  En el Cuadro 6 se presentan los estándares y características de esta etapa, para excavación mecanizada.

Estándares de excavación mecanizada de zanjas

Estos valores dependen del tipo de excavadora, de las condiciones de trabajo y de la destreza del operador.

En la Fotografía 2 se muestra la construcción de una zanja de drenaje utilizando retroexcavadora.

       Construcción de zanja con retroexcavadora  

Retiro del material

Es recomendable que la excavación de las zanjas, ya sea mecanizada o manual,  considere la separación del suelo y del material que exista bajo éste, ya sea ripio o arcilla.

El suelo excavado puede  ser aprovechado para rellenar sectores de pequeñas depresiones  al interior de los potreros, o simplemente, ser desparramado en éstos. En el caso de que bajo suelo exista ripio, éste constituye un excelente material para construcción de caminos (el cual puede ser construido inmediatamente al lado de la zanja) o ser utilizado para el relleno de caminos y callejones existentes en el predio.

En el caso de las estratas de arcilla, este material no constituye ningún beneficio, y por lo tanto, debe eliminarse trasladándose a un lugar de botadero.

Lo ideal y recomendable es realizar la faena de excavación y traslado del material en forma simultánea.  En el Cuadro 7 se indican algunos estándares para el retiro del material.

Estándares de retiro del material excavado

Para las cubicaciones finales, debe considerarse el esponjamiento del material al ser excavado, que corresponde a 30% para el ripio y un 50% para el suelo.

Cercado de zanjas.

Para facilitar las labores de mantención, en toda la extensión de la red de drenes colectores se deben instalar cercos a ambos lados de la zanja, a una distancia de 3,5 m desde el borde del dren.

El cerco se construye utilizando estacones de pellín de 2,2 a 2,5 m de longitud, y de 4 a 5 pulgadas de diámetro.  Se instalan espaciados cada 3,5 m, con 4 corridas de alambre de púa clavado con grampas de 1 ½”.  Los estacones se pintan totalmente con una mano de aceite quemado, y en su extremo superior se pintan 25 cm con dos manos de óleo blanco.

Para todo el proceso de construcción de los cercos, desde el pintado de los estacones, hincado en el terreno, colocación y tensión de los alambres, se utiliza mano de obra semi-calificada, estimándose un requerimiento de 100 jornadas para la construcción de 1 km de cerco doble de estas características (5 jornadas/100 m cerco simple).

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Copyright © 2005 Facultad de Agronomía e Ingeniería Forestal Pontificia Universidad Católica de Chile
Última modificación: 07 de octubre de 2005