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“SECRETARÍA DE AGRICULTURA,
GANADERÍA,
DESARROLLO RURAL,
PESCA Y ALIMENTACIÓN”
Subsecretaría de Desarrollo Rural
Dirección General de Producción Rural Sustentable
en Zonas Prioritarias
Presas Filtrantes
de Piedra
Acomodada
i
CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 1
2. DEFINICIÓN .......................................................................................................... 1
3. CARACTERÍSTICAS ................................................................................................. 2
4. OBJETIVOS ............................................................................................................ 2
5. VENTAJAS ............................................................................................................. 3
6. DESVENTAJAS ....................................................................................................... 3
7. CONDICIONES PARA ESTABLECER UNA PRESA DE PIEDRA ACOMODADA .............. 4
7.1 Diseño de la presa filtrante de piedra acomodada ......................................................................... 4
7.2. Selección de los sitios para establecimiento. ................................................................................ 5
7.3 Calculo del espaciamiento entre presas ......................................................................................... 6
7.4 Sección transversal.......................................................................................................................... 7
7.5 Cálculo del gasto máximo sobre el cauce ....................................................................................... 8
7.6 Cálculo de la carga sobre el vertedor .............................................................................................. 9
7.7 Diseño del vertedor ....................................................................................................................... 14
7.8 Consideraciones de diseño ........................................................................................................... 15
8. NECESIDADES DE MANTENIMIENTO ................................................................... 15
9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................... 16
1
PRESAS FILTRANTES DE PIEDRA ACOMODADA
1. INTRODUCCIÓN
La erosión en cárcavas es una forma avanzada
de la erosión en surcos, donde el lecho del
surco está más profundo y no puede borrarse
con las operaciones tradicionales de labranza.
Es una forma especializada de erosión, para la
que las medidas de control son más difíciles de
establecer y costosas si se le compara con
otras formas de erosión.
El crecimiento de las cárcavas obedece a los
escurrimientos superficiales, pero también está
relacionado con las características del suelo,
tanto de la capa superficial como de la
resistencia de los estratos inferiores.
Las medidas de control deben tomar en cuenta
estas características y considerar tanto
estructuras y/o obras dentro de la cárcava,
como la atención integral al resto del área
afectada, de manera que se controle el
volumen y la velocidad de los escurrimientos
superficiales, con estructuras y/o prácticas que
reduzcan la velocidad del flujo y favorezcan la
infiltración del agua en el suelo.
Las medidas de control deben ser preventivas y
planearse para detener el crecimiento lateral y
longitudinal de las cárcavas. Entre estas
medidas se encuentran las presas filtrantes
para el control de azolves (ramas, costales,
piedra, entre otras).
La piedra generalmente está disponible en las
inmediaciones de las cárcavas y es el material
utilizado por excelencia para la construcción de
presas de control de azolves. Las estructuras
pueden utilizarse como medida preventiva, sin
necesidades de un diseño específico.
Las presas de piedra acomodada se consideran
las obras más eficientes para el control de
cárcavas por la facilidad en diseño,
establecimiento y disponibilidad de materiales
para su construcción, así como su
adaptabilidad para el tratamiento tanto de
cárcavas de formación incipiente como de
tamaño mediano.
2. DEFINICIÓN
Las presas filtrantes de piedra acomodada, son
estructuras construidas con piedras colocadas
transversalmente a la dirección del flujo de la
corriente.
Se pueden utilizar tanto para controlar la
erosión en cárcavas como para establecer
2
áreas de almacenamiento e infiltración, en las
que además de almacenar el escurrimiento,
retinen azolves y se mejora la calidad del agua
que llega a los almacenamientos establecidos
aguas abajo.
La presas de piedra acomodada, debido a la
resistencia de los materiales, se recomienda en
cuencas de tamaño mediano (el área de
aportación de cada presa no debe ser mayor a
10 ha) y cárcavas con pendiente moderada
(máximo 10%).
3. CARACTERÍSTICAS
a. Para su construcción, se requiere de la
apertura de la zanja transversal a la
cárcava, con una profundidad de
empotramiento acorde con la altura de la
presa. Esta zanja se rellena
paulatinamente con piedras de tamaño
mediano para formar la cimentación, y el
empotramiento debe extenderse hasta los
taludes de la cárcava para evitar que la
estructura sea flanqueada por los
escurrimientos.
b. Posteriormente se colocan las piedras
sobre la cimentación hasta lograr la altura
de diseño, que por regla general no debe
rebasar los 3.0 m. c. Para evitar la socavación del lecho de la
cárcava y debilitamiento de la estructura,
es recomendable el establecimiento de un
delantal1 incrustado a una profundidad
1 El delantal es un enlozado que se construye aguas abajo de la
presa para minimiza la energía de caída del agua que pasa por el vertedor.
mínima de 20 cm y longitud mayor de 1.5
veces la altura efectiva de la presa. d. La parte central transversal de la
estructura, deberá quedar más baja que
los extremos, para poder darle la
capacidad necesaria del vertedor y evitar
que los escurrimientos erosionen sus
flancos o viertan sobre la corona de la
presa. e. Los mejores resultados se obtienen
cuando se dispone de piedras planas o
lajas. f. En caso de usar piedra bola (redondeada),
esta se deberá colocar en base a su ángulo
de reposo2, para obtener mayor
estabilidad de la estructura. g. Asimismo, de acuerdo con las
características de la piedra, es conveniente
considerar el zampeado seco que recubra
la corona del vertedor y se extienda al
menos 0.3 m a cada lado del mismo.
Las presas de piedra acomodada se
recomiendan como estructuras preventivas del
crecimiento de las cárcavas (lateral, en el lecho
y en la parte alta donde inicia la cárcava), y
para control la velocidad del flujo y su
capacidad de transporte y de socavación, el
volumen y calidad de los escurrimientos
superficiales.
4. OBJETIVOS
2 El ángulo de reposo de la piedra, es la forma como se
encuentra en forma natural la piedra. Generalmente coincide con la parte más ancha de la piedra que le da estabilidad y resistencia al movimiento.
3
Detener el crecimiento longitudinal y
lateral de las cárcavas.
Reducir la velocidad de los escurrimientos
en el cauce o en la cárcava.
Propiciar la sedimentación y retención de
azolves.
Reducir la velocidad del flujo concentrado.
Mejorar la calidad del agua que llega a los
vasos de almacenamiento localizados
aguas abajo u obras de abastecimiento de
agua.
5. VENTAJAS
Son de bajo costo y fácil construcción.
Los requerimientos de diseño son
mínimos.
Pueden utilizarse como medidas
preventivas para minimizar el crecimiento
de las cárcavas y/o como prácticas
complementarias previas al
establecimiento de vegetación que
estabilice el lecho y los taludes de las
cárcavas.
Mejoran la calidad del agua, al reducir la
carga de sedimentos que llegan a
estructuras aguas abajo y/o favorecen la
infiltración del agua y la percolación
profunda para la recarga de acuíferos.
Retienen suelo y cambia el perfil longitud
de la cárcava formando terraplenes.
Reducen la capacidad de remoción y
transporte del flujo de los escurrimientos
superficiales y promueven la aireación del
agua escurrida.
Pueden utilizarse en cárcavas de
formación incipiente, como una medida
preventiva para evitar el crecimiento
lateral y longitudinal de las mismas.
Cuando la localización y diseño de la presa
son pertinentes, pueden constituirse en
estructuras permanentes que requieren de
poco mantenimiento.
Una vez que la presa ha cumplido la
función de retención de sedimentos,
puede constituir la base de una
sobreelevación de la misma.
De acuerdo con la altura de la presa,
pueden considerarse como áreas de
acumulación de sedimentos que
favorezcan el establecimiento de
vegetación o en su defecto, como una
zona de acumulación de los sedimentos
que salen del área de aportación.
De acuerdo con la granulometría de los
materiales utilizados en la formación de la
estructura, puede ser un excelente filtro
que remueva contaminantes del agua de
escurrimiento.
La zona de deposición de sedimentos,
puede convertirse en un banco de
materiales para la construcción y generar
beneficios económicos para los usuarios
de estas obras.
6. DESVENTAJAS
No pueden emplearse en arroyos
permanentes, o en condiciones donde el
flujo se mantiene constante a través del
tiempo.
4
Por su naturaleza temporal, con el tiempo
se cubren de sedimentos y cumplen su
función, por lo que debe evaluarse la
posibilidad de utilizar su base para sobre
elevarlas y convertirlas en presas
permanentes.
Sólo son adecuadas para pequeñas áreas
de drenaje, ya que generalmente el área
de captación de la cuenca no debe rebasar
la 10 ha. En cuencas de mayor tamaño,
deben diseñarse en batería de manera que
se combine el efecto de las diferentes
presas a lo largo de la cárcava.
Si el nivel del agua permanece alto
después de una tormenta, puede provocar
problemas de sobrevivencia a la
vegetación aguas arriba de la presa.
Puede reducir la capacidad hidráulica de la
sección transversal.
Pueden crear turbulencias que erosione el
lecho de la cárcava.
7. CONDICIONES PARA ESTABLECER
UNA PRESA DE PIEDRA
ACOMODADA
Las presas de piedra acomodada se deberán
construir al final de una serie de estructuras de
control de los escurrimientos y azolves y en un
sitio apropiado, tratando de maximizar el vaso
de almacenamiento y la vida útil de la presa, ya
que de lo contrario se corre el riesgo de que se
llenen de azolve en muy poco tiempo.
Este tipo de presas puede construirse en zonas
donde existe piedra de buena calidad, sin
problema de intemperismo, lo cual asegura su
buen funcionamiento.
Durante su construcción, es conveniente
utilizar piedras lo más uniforme posible, de tal
manera que el ángulo de reposo de las mismas
facilite la formación de la cortina de la presa y
se mantenga la máxima estabilidad en general.
Para asegurar el éxito de la estructura, hay que
darle especial atención a los empotramientos y
a al ancho de la base, cuidando que éstos sean
lo suficientemente grandes para asegurar la
estabilidad de la presa y se pueda construir un
delantal de protección con las características
adecuadas.
También es importante considerar la
profundidad del cauce o de la cárcava, ya que a
partir de ésta se define la altura de la presa, el
volumen de la obra y su costo.
Por lo general, las presas de piedra acomodada
se construyen con la finalidad de cubrir la
totalidad de la profundidad de la cárcava, o en
el caso donde las cárcavas tienen un
crecimiento muy acelerado, cubrir al menos el
1.5 de la altura de las huellas máximas.
El diseño del vertedor de la presa es de gran
importancia, ya que permite la salida de los
escurrimientos sobre la estructura, en caso de
avenidas extraordinarias de escurrimiento.
7.1 Diseño de la presa filtrante de piedra
acomodada
5
Para realizar el diseño de una presa de piedra
acomodada se deben considerar los siguientes
puntos:
a. Estimar el espaciamiento entre presas
consecutivas, que depende de la
pendiente de la cárcava.
b. Determinar el sitio más adecuado para la
construcción de la presa.
c. Determinar la pendiente del cauce en el
sitio seleccionado.
d. Obtener en campo la configuración de la
sección transversal de la cárcava o del
cauce en el sitio donde se desea construir
la presa.
e. Calcular el gasto de diseño.
f. Estimar el escurrimiento máximo esperado
en la sección transversal levantada, a fin
de diseñar la capacidad máxima del
vertedor.
g. Diseñar el vertedor a fin de satisfacer la
capacidad de descarga del escurrimiento
máximo.
h. Realizar el cálculo estructural de la presa,
que constituye el análisis de las fuerzas
que actúa sobre el muro y que determinan
la estabilidad.
i. Diseñar el delantal para minimizar la
energía de la caída del agua que pasa por
el vertedor, y evitar la socavación del lecho
de la cárcava y el deterioro de las paredes
laterales que debiliten la estabilidad de la
obra.
j. Considerar los empotramientos mínimos
requeridos en ambas márgenes de la
cárcava, con el fin de evitar posibles
filtraciones que debiliten la seguridad de la
obra, así como en el lecho para evitar
socavaciones o deslizamiento de la cortina.
k. Determinar volúmenes de excavación y
obra que la construcción demande, de
acuerdo con la dureza del suelo y las
condiciones físicas del lecho del cauce o de
la cárcava.
7.2. Selección de los sitios para
establecimiento.
En la selección de los sitios para el diseño y
construcción de estas obras, se recomienda
tomar en cuenta los siguientes aspectos:
a. La pendiente de la cárcava en los sitios de
establecimiento no debe ser mayor al 10%.
b. La profundidad del suelo en el sitio de
construcción debe ser mayor a 50 cm, de
manera que la profundidad sea suficiente
para desplantar (cimentar o empotrar) y
anclar lateralmente la estructura y en su
caso de los alerones. Cuando no se cumpla
esta condición, deberá evaluarse la
pertinencia de cimentar la base de la
estructura, utilizando mortero y protegerla
aguas arriba con zampeado seco o un
terraplén de tierra.
c. Los lugares más apropiados para
establecer las presas son las secciones más
anchas de la cárcava, para evitar una
fuerza de empuje excesiva del agua sobre
el muro de la presa. Esto puede implicar
mayor volumen de obra, pero tiene la
ventaja de mayor estabilidad y prorratear
la inversión en diferente tiempo.
6
d. La separación de presas consecutivas,
deberá determinarse de acuerdo a la
altura de la presa (conforme a la Ecuación
1), y estará sujeta a la elección del sitio con
las mejores características, no debiendo
colocarlas en recodos de las corrientes que
provoquen cambios importantes en la
dirección y velocidad de flujo, así como
tener una profundidad adecuada del suelo
para los empotramientos, entre otras.
7.3 Calculo del espaciamiento entre presas
El espaciamiento es función de la pendiente de
la cárcava (Pc), la pendiente de los sedimentos
aguas arriba de la presa (Ps) y del tratamiento
que se pretenda en el control. De acuerdo al
Manual de Conservación del Suelo y del Agua
(SARH, 1977), para determinar el
espaciamiento más adecuado entre presas
deben tomarse las siguientes consideraciones:
a. El espaciamiento más eficiente se obtiene
cuando una presa se construye en la parte
donde terminan los sedimentos
depositados por la presa anterior.
b. Para obtener un espaciamiento adecuado,
deberá conocerse el volumen de
sedimentos transportados por el
escurrimiento que circulan por la cárcava,
a fin de determinar la capacidad de azolves
de la presa.
En función de lo anterior se considera que los
criterios de espaciamiento se determinan
como sigue: Espaciamiento unitario o doble
espaciamiento (Figura 1).
Figura 1. Espaciamiento entre presas de control de
azolve.
Tanto el espaciamiento unitario como el doble,
presentan una superficie inclinada formada por
los sedimentos retenidos aguas arriba de la
presa. Esta superficie se conoce como
pendiente de compensación o aterramiento,
que generalmente es menor que la pendiente
de la cárcava. Su valor se determina en función
del tamaño de los materiales transportados
por los escurrimientos y las características
hidráulicas de la cárcava.
El espaciamiento entre presas se calcula de
acuerdo con la altura efectiva de la presa y la
pendiente de la cárcava. Por lo general, se
recomienda construir una presa con
separación cabeza–pie.
La fórmula para estimar el espaciamiento entre
presas es la siguiente:
(1)
Donde:
E es el espaciamiento entre presas (m).
h es la altura efectiva de la presa (m).
Espaciamiento unitario
Espaciamiento doble
7
Pc es la pendiente de la cárcava (%).
La distribución de presas dependerá de las
características topográficas del terreno, tipo de
suelo, pendiente y grado de erosión presente
en el sitio donde se construirá la obra.
La distribución espacial calculada no se debe
aplicar estrictamente con las medidas
estimadas, ya que en campo se deben localizar
en tramos rectos que son los sitios más
apropiados para su construcción y en algunos
casos se debe recorrer la ubicación de la presa
a un lugar con mejores condiciones, para
captar la mayor cantidad de azolves y asegurar
la estabilidad de la estructura.
7.4 Sección transversal
El conocer las características de la sección
transversal, es parte de las actividades que
deben hacerse en campo; en el levantamiento
de las secciones transversales de la cárcava se
dimensiona la amplitud del cauce y las
profundidades asociadas a la forma de la
cárcava; con esto se dimensiona la presa y se
aseguran empotramientos pertinentes.
Un método sencillo para tomar las
dimensiones de secciones pequeñas, consiste
en apoyarse con una cuerda de 5 m o más (de
acuerdo al tamaño de las secciones por
levantar); la cuerda se marca a cada metro, se
extiende al ras de ambas márgenes de la
cárcava (es necesario identificar la margen
izquierda y derecha de la cárcava de acuerdo
con la dirección del flujo), se tensa lo mejor
posible para disminuir los errores de medición
del ancho de la sección; enseguida con un
estadal (o con otra cuerda), se toma la medida
que hay desde la cuerda que tiene marcas
hasta el fondo de la cárcava. El registro de las
medidas verticales (tirante), a distancias
horizontales iguales conforme a la graduación
de la cuerda, proporciona la información
necesaria para configurar la sección trasversal
de la cárcava (Figura 2).
Figura 2. Levantamiento de la sección transversal de la
cárcava o cauce.
En cada sección es importante observar y
medir la altura de las huellas máximas; estas
son evidentes por el cambio en la densidad de
la vegetación. Además, hay que observar y
anotar en la información del levantamiento de
campo las características físicas de la sección.
Para conocer la pendiente de la cárcava, se
emplea un clisímetro o clinómetro (nivel
Abney) o un nivel montado. Se miden las
pendientes (por tramos) desde el inicio de la
cárcava hasta el final de ésta. La pendiente
final será la media de las pendientes parciales
(Figura 3).
Cuerda con marcas a cada metro
o cada medio metro para medir el
ancho de la sección
Cuerda para medir distancias
verticales de la sección
Terreno natural de la sección
8
Figura 3. Levantamiento de las secciones longitudinal
de la cárcava o cauce.
7.5 Cálculo del gasto máximo sobre el cauce
Para calcular el gasto máximo de la sección, se
utiliza el método de las huellas máximas
(Ecuación 2).
(2)
Donde:
Q es el escurrimiento máximo (m3/s).
A es el área hidráulica de la sección
(m2).
v es la velocidad del flujo (m/s).
a. El área hidráulica se determina
dibujando el perfil de la sección con los
datos obtenidos en campo del
levantamiento de la sección y el valor de
la huella máxima de mojado en ambos
márgenes del cauce (Figura 4).
Figura 4. Elementos de una sección transversal.
b. Velocidad del flujo. Para calcular la
velocidad de flujo o de la corriente, se
utiliza la fórmula de Manning (Ecuación
3):
(3)
Donde:
v es velocidad del flujo (m/s).
r es el radio hidráulico de la sección
(m).
s es la pendiente de la cárcava en la
sección (m/m).
η es el coeficiente de rugosidad
(adimensional).
c. El radio hidráulico (r), es la relación que
existe entre el área hidráulica de la
sección y el perímetro de mojado
(Ecuación 4).
(4)
Donde:
A es el área de la sección (m2).
P es el perímetro de mojado (m).
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340
Alt
ura
(m
)
Distancia (m)
9
El perímetro de mojado se determina de la
Figura 4 y considera la línea de mojado de a a b
a través de las paredes del cauce.
d. Pendiente de la sección. Se determina la
pendiente media del cauce o de la
cárcava en donde se pretende ubicar la
estructura y se estima como el desnivel
entre la longitud del tramo y se expresa
en metro/metro; se puede utilizar un
nivel de manguera para este fin (Figura
5).
Figura 5. Estimación de la pendiente de la de la cárcava.
e. Coeficiente de rugosidad. Se define
como la resistencia que presenta un
canal al flujo de un fluido y
generalmente está en función de las
características del lecho de la cárcava,
tales como la rugosidad del lecho, la
vegetación, la sinuosidad del canal,
entre otros (estos valores se han
generado empíricamente y existen
muchas referencias tabulares de acuerdo
con las características del canal y las
paredes del mismo, pero en general los
valores de n varían de 0.03 para lechos
lisos con poca rugosidad hasta 0.08 para
lechos rugosos con piedras o vegetación).
7.6 Cálculo de la carga sobre el vertedor
El gasto de descarga de los vertedores de las
presas de control se calcula mediante la
Ecuación 5:
(5)
Donde:
Q es el gasto de descarga (m3/s).
Cv es el coeficiente del vertedor (adim).
L es la longitud efectiva del vertedor (m).
H es la carga sobre la cresta del vertedor
(m).
La longitud efectiva del vertedor se considera
de al menos un tercio del ancho del cauce o de
la cárcava y el coeficiente del vertedor varía
entre 1.45 y 1.75, ya que se trata de vertedores
de cresta ancha y sección trapezoidal.
Como se conoce el gasto máximo del cauce, la
carga sobre la cresta del vertedor, se despeja
de la Ecuación 5 dejándolo en función de la
longitud efectiva del vertedor para su diseño,
(Ecuación 6).
(6)
a. Estabilidad estructural
Al igual que las presas de mampostería, en las
presas de piedra acomodada se considera
como factor crítico para su diseño resistir el
volcamiento, por los que la resultante de las
10
fuerzas actuantes sobre la cortina del muro
debe pasar por su tercio medio de la base.
Estas presas se consideran de gravedad, por lo
que el peso de la estructura para darle
estabilidad, debe equilibrar las fuerzas de
empuje hidrostático, dándole estabilidad
(Figura 6).
Figura 6. Diagrama de fuerzas actuantes en una presa
de piedra acomodada.
Los componentes de la presa que se muestran
en la Figura 6, son:
e ancho de la corona.
h, altura efectiva de la presa.
Hd, carga de diseño sobre la cresta del
vertedor.
l longitud del delantal.
B, base de la presa.
BL, bordo libre que en la mayoría de los
casos no debe ser mayor de 0.20 m.
F fuerza del empuje hidrostático.
W1 y W2 conforman el peso de la
estructura (Wt).
b. Cálculo de la corona
La corona de la presa está en función de la
carga sobre el vertedor, el peso de la presa y el
empuje hidrostático. Se calcula a través de la
siguiente expresión.
W)(
ch'We (7)
Donde:
W es el peso específico del agua más
sedimentos (1,200 kg/m3 o 1.2 t/m3).
δ es el peso específico de la roca (2,400
kg/m3 o 2.4 t/m3).
h’ es la altura de la lámina vertiente (m).
c es el coeficiente de seguridad,
(adimensional).
μ es el coeficiente de fricción
(adimensional).
Los valores del coeficiente de seguridad (c)
están en función de la altura del muro. De
acuerdo con la experiencia se pueden utilizar
los valores mostrados en el Cuadro 1 que son
de relativa seguridad.
Cuadro 1. Valores del coeficiente de seguridad de
acuerdo con la altura.
h’(m) c (adimensional)
0.5 0.2
2.0 0.3
3.0 0.5
4.0 0.7
5.0 0.9
6.0 1.1
7.0 1.3
11
h’(m) c (adimensional)
8.0 1.5
c. Coeficiente de Fricción (μ)
Este coeficiente expresa la oposición al
movimiento de dos cuerpos en contacto.
Depende no solo de las características de los
materiales en contacto, sino que está
determinado por otras propiedades no
necesariamente intrínsecas a los materiales en
contacto.
Los valores que se muestran en el Cuadro 2,
pueden utilizarse con un buen margen de
seguridad para el diseño de este tipo de
estructuras.
Cuadro 2. Valores del coeficiente de fricción en función
de los materiales en contacto.
Material-Material μ (adim)
Piedra sobre piedra 0.75
Piedra sobre arcilla expansiva 0.67
Piedra sobre grava 0.55
Piedra sobre arena 0.50
Piedra sobre arcilla 0.40
d. Calculo de la base
De acuerdo con los datos mostrados
anteriormente, se puede calcular la base de la
estructura, conforme a la siguiente expresión
2
e2H
W)2(
3W2e
4
5B (8)
Donde:
W es el peso específico del agua más
sedimentos (1,200 kg/m3 o 1.2 t/m3.
δ es el peso específico de la roca (2,400
kg/m3 o 2.4 t/m3).
e es el ancho de la corona (m).
H es la altura efectiva de la presa (m).
Las ecuaciones 7 y 8 resuelven la estabilidad
del muro y pueden emplearse con
confiabilidad para el diseño de presas de hasta
de 6 metros de altura, sin que sea necesario
comprobar el deslizamiento ni el volcamiento
ni las cargas de trabajo en la base del muro, ya
que nunca sobrepasarán los valores admitidos
con alturas inferiores a 6 metros.
Para el caso de las presas filtrantes de piedra
acomodada se pueden simplificar algunos
cálculos para definir la estabilidad de las
cortinas utilizando especificaciones de diseños
tipos que pueden utilizarse para presas de
hasta 6 metros de altura.
El Cuadro 3, sintetiza las dimensiones
recomendadas para muros hasta de 6 metros
de altura.
Cuadro 3. Dimensionamiento para muros de piedra
acomodada.
h
(m)
Hd
(m)
e
(m)
B
(m)
z’
(m)
l
(m)
X
(m)
2 0.5 0.70 1.80 0.30 1.0 0.20
2 1.0 1.35 1.85 0.30 1.0 0.20
3 0.5 0.85 2.70 0.30 1.0 0.20
3 1.0 1.65 2.70 0.30 1.0 0.20
4 0.5 1.00 3.65 0.50 1.0 0.20
4 1.0 2.00 3.60 0.50 1.0 0.20
5 0.5 1.35 3.90 0.50 1.5 0.20
12
h
(m)
Hd
(m)
e
(m)
B
(m)
z’
(m)
l
(m)
X
(m)
5 1.0 2.70 4.10 0.50 1.5 0.20
6 0.5 1.40 4.00 0.50 1.5 0.20
6 1.0 2.85 4.35 0.50 1.5 0.20
Las literales que aparecen en el cuadro 3 son:
e ancho de la corona.
h altura efectiva de la presa.
Hd carga de diseño sobre el vertedor.
L longitud del vertedor.
l longitud del delantal.
B es la base de la presa.
BL es el bordo libre que en la mayoría de
los casos no debe ser mayor de 0.20 m.
b es en ancho del delantal, que en la gran
mayoría de los casos corresponde a la
amplitud del lecho de la cárcava más el
empotramiento para la protección.
z es el empotramiento.
X es el espesor del delantal.
Al igual que en las presas de mampostería, se
considera como factor crítico de diseño la
seguridad para resistir el volcamiento,
debiendo por tanto pasar la resultante de las
fuerzas que actúan en la presa por el tercio
medio de su base (Figura 6).
De acuerdo al material existente en los sitios
de construcción, para el diseño de estabilidad
se consideran las siguientes constantes:
Relación de vacíos = 1/3.
Peso específico de la piedra = 2.4 ton/m3.
Peso específico del agua con sedimentos
= 1.2 ton/m3.
Coeficiente de fricción: piedra sobre
piedra = 0.75 piedra sobre grava = 0.5.
De acuerdo con los coeficientes anteriores, es
posible calcular el dimensionamiento de presas
de piedra acomodada de acuerdo al tipo de
piedra disponible y para ello se han reportado
Cuadros para que a partir de la altura de la
presa (no mayor de 3 m) se pueda obtener la
base de la presa, el ancho de la corona, el
bordo libre en el vertedor y los taludes.
Para la construcción de presas con piedra laja
en el Cuadro 4 se presentan las
especificaciones de diseño, y en la Figura 7 se
muestran las vistas en planta, frontal y la
sección transversal de la presa por diseñar y
para la construcción de presas con piedra en el
Cuadro 5 se presentan las especificaciones de
diseño y en la Figura 8 la sección transversal y
la planta de la presa.
Cuadro 4. Especificaciones para la construcción de
presa de piedra laja.
Material Altura
(H)
Dimensiones (m) Vol./ml
(m3)* H2 B L b e
Piedra
laja
Pala
Pico
0.50 0.30 1.80 0.75 0.20 0.45 1.05
1.00 0.30 2.20 1.50 0.20 0.50 2.06
1.50 0.50 3.00 2.20 0.30 0.50 4.16
2.00 0.50 3.50 3.00 0.30 0.75 6.21
2.50 0.75 4.20 3.50 0.30 0.75 9.09
3.00 1.00 5.00 4.00 0.40 1.00 13.60
13
Figura 7. Secciones para presas de piedra laja.
Donde:
B es el ancho de la base (m).
e es el ancho de corona (m).
H es la altura total de la presa (m).
BL el bordo libre que en todos los casos
será de 0.20 m.
B el ancho del zampeado, que se
excederá en 0.60 m a la longitud (L) del
vertedor (0.30 m a cada lado).
T1 y T2 son los taludes aguas arriba y
abajo, respectivamente.
Figura 8. Sección y especificaciones para presas de
piedra bola.
Cuadro 5. Especificaciones para la construcción de
presas filtrantes de piedra acomodada (piedra bola).
Material Altura
H1
Dimensiones (m)
B1 B2 B3 H2 L B e
Piedra
bola
Pala
Pico
0.50 1.50 0.50 0.80 0.30 0.75 0.20 0.20
1.00 2.80 1.00 1.50 0.30 1.50 0.20 0.30
1.50 4.30 1.30 2.50 0.50 2.20 0.30 0.50
2.00 5.50 2.00 3.00 0.50 3.00 0.30 0.50
2.50 6.70 2.20 4.00 0.75 3.50 0.40 0.50
3.00 8.00 3.00 4.50 0.75 4.00 0.40 0.50
e. Ejemplo de aplicación
En campo se levantaron datos de la
profundidad de la cárcava a diferentes
distancias para determinar la sección
transversal (Cuadro 6).
Cuadro 6. Datos de campo.
Estación Distancia (m) Profundidad (m)
1 0.000 0.000
2 1.000 0.181
3 2.000 1.181
4 3.000 1.830
5 4.000 3.250
14
Estación Distancia (m) Profundidad (m)
6 5.000 4.250
7 6.000 4.320
8 7.000 3.699
9 8.000 3.000
10 9.000 1.600
Al graficar las profundidades medidas a
diferentes distancias se obtiene la sección
transversal donde se planea establecer una
presa de control de azolves de piedra
acomodada (Figura 9).
Figura 9. Sección transversal.
Las características de las sección de la sección
transversal permitieron obtener un área (A =
3.75 m2); un perímetro de mojado (P=5.32 m);
una pendiente de la cárcava (S=0.005); y por
las condiciones del lecho rugoso de la cárcava
se propone un coeficiente de rugosidad (n=
0.060).
Con los datos anteriores se calcula el caudal
máximo de diseño:
El radio hidráulico se calcula con la Ecuación 4:
Una vez calculado el radio hidráulico se estima
la velocidad de flujo, utilizando la Ecuación 3 y
sustituyendo valores queda:
Se calcula el gasto máximo de diseño, de
acuerdo con la Ecuación 2:
Una vez calculado el gasto máximo se puede
calcular la carga sobre el vertedor.
7.7 Diseño del vertedor
Con la Ecuación 6 se calculan las dimensiones
del vertedor, para ello se propone una longitud
del vertedor de 3 m, que equivale a un tercio
del ancho de la sección transversal.
La altura de la lámina vertiente es de 0.87 m y
se propone una altura libre de bordo de 0.13
m, por lo que la altura máxima del vertedor es
de 1 m. Con estos datos se calcula el ancho de
la corona, de acuerdo con la Ecuación 7.
0.5m0.4m)1.4.75(
011e
2.20
3.**2.
Para el cálculo de la base y considerando que la
huella máxima alcanza una altura de 2.5
metros del fondo del cauce, se propone que la
altura efectiva de la presa sea la misma de la
huella máxima, por lo que se procede a
calcular la base de la presa
15
mm 0.389.25.2.2
5.2
0.522
)1.42(
1.2*320
4
5B
Una vez que se han calculado los parámetros
de diseño de las presas, se estima el
espaciamiento de entre presas consecutivas de
acuerdo con la Ecuación 1.
Con estas consideración de pendiente la
separación entre presa consecutivas es de 500
m.
Para construir el delantal, se deben utilizar
piedras grandes y relativamente planas con la
finalidad de formar un enlozado semincrustado
en el fondo de la cárcava y a una profundidad
mínima de 20 cm. La longitud del delantal será
de 3.75 m que equivale a 1.5 veces la altura de
la presa.
7.8 Consideraciones de diseño
En algunos casos la construcción de las presas
se planea considerando solo la construcción de
un cuarto o un tercio de la altura de diseño,
con la finalidad de reducir los costos de
construcción y mantener una estructura base
para su sobre-elevación en años subsecuentes.
Si la cantidad de sedimentos rebasa la
capacidad de la presa construida, es
conveniente considerar el establecimiento de
líneas adicionales de piedra, de manera que se
asegure la vida útil de la presa y se promueva
la sedimentación en diferentes partes de la
cárcava.
Se debe tener cuidado para adicionar y/o
remplazar piedras que requieran
mantenimiento, para asegurar la altura de
diseño de la presa, el gasto del vertedor y las
condiciones de flujo.
En el caso de disponer de piedra bola, es
conveniente que la estructura de la presa
tenga talud tanto aguas abajo como aguas
arriba de la presa, manteniendo las relaciones
de talud 1:1 y 1:1.5 aguas arriba y abajo,
respectivamente (Figura 8).
En el caso de piedra laja, la colocación de la
piedra debe darle estabilidad a la estructura,
de manera que puede o no tener talud aguas
arriba, en el caso de optar por mantener talud
aguas arriba de la presa debe mantenerse la
relación 1:0.5-0.75.
Para fines prácticos se pueden utilizar los
Cuadros 4 y 5 para definir las dimensiones de
las presas de piedra laja y de piedra bola
respectivamente ya que la altura de huellas
máximas es de 2.5 m.
8. NECESIDADES DE
MANTENIMIENTO
Por la naturaleza temporal de estas
estructuras, generalmente las necesidades de
mantenimiento son mínimas, sin embargo, es
conveniente revisar su estabilidad y
funcionamiento después de un evento de
escurrimiento extraordinario, de manera que
16
se hagan las correcciones necesarias, en caso
de algún daño en la estructura.
En algunos casos será necesario remover los
sedimentos de aguas arriba de la estructura, de
manera que continúe con el funcionamiento
para el que fue diseñada y/o se pueda utilizar
el material para el establecimiento de
vegetación y/o algún otro uso acuerdo con las
necesidades de los beneficiarios.
9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
SARH-CP, 1991. Manual de
Conservación del Suelo y Agua. Tercera
Edición.
CONAFOR-SEMARNAT. 2007.
Protección, restauración y
Conservación de Suelos Forestales.
Manual de Obras y Prácticas. Tercera
edición. Zapopan Jalisco, México.
ELABORARON:
M.C. Erasmo Rubio Granados
Dr. Demetrio S. Fernández Reynoso
Dr. Mario R. Martínez Menes
Para comentarios u observaciones al presente documento contactar a la
Unidad Técnica Especializada (UTE) COUSSA
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M. C. Félix Alberto LLerena Villalpando [email protected] y [email protected] Teléfono: (01) 595 95 2 15 58
Universidad Autónoma Chapingo Dr. Mario R. Martínez Menes [email protected] Dr. Demetrio S. Fernández Reynoso [email protected] Teléfono: (01) 595 95 5 49 92
Colegio de Postgraduados, Campus Montecillo, México.
