Obras Hidráulicas y Viales: Diseño y Construcción

REPRESAS

1. Tipos de Estructuras

a. Presa y Represa: Barrera fabricada con piedra, hormigón o materiales sueltos, que se construye habitualmente en una cerrada o desfiladero sobre un río o arroyo con la finalidad de embalsar el agua en el cauce fluvial para luego aprovecharla en abastecimiento o regadío, o para elevar su nivel con el objetivo de derivarla a canalizaciones de riego. Son las construcciones que desvían o detienen una corriente de agua.

b. Dique: Pared que frena el paso del agua. Puede ser una construcción humana o un producto de la naturaleza. Esta pared, que puede formar parte o no de una represa, se ubica en paralelo o perpendicular a la corriente del agua que contiene.

c. Embalse: Se trata del agua que queda acumulada como consecuencia de la construcción de una presa, o el resultado de la existencia de un dique natural. Esta agua estancada tiene poca profundidad y su fondo es cenagoso.

2. Propósito y Localización de Represas de Retención

Propósito: Reducir el volumen de agua pluvial que fluye durante las tormentas, dar tiempo a que los sedimentos suspendidos se depositen, y tratar biológicamente los compuestos orgánicos y nutrientes excesivos. También sirven para retener basura, que debe limpiarse regularmente. Cuando están secas, sirven como campos de recreación o para algunas actividades deportivas.

Localización ideal: Son útiles para los segmentos de los ríos y arroyos en la parte superior de la cuenca, antes de que entren a la ciudad. La cuenca de la presa debe construirse a una distancia de por lo menos 3 m de la pared más cercana, y por lo menos 30 m del pozo más cercano de abastecimiento de agua, para evitar hundimientos y dar tiempo a que el agua se filtre.

3. Clasificación de Represas

PRESAS DE FÁBRICA: Estructuras relativamente esbeltas construidas principalmente con hormigón.

• Presas de Hormigón: Las más comunes debido a su durabilidad, resistencia y costo relativamente bajo. Pueden ser de hormigón convencional o compactado con rodillo.
• Presas de Mampostería: Construidas con piedra, arena y cemento. Estas presas tienen una estructura que controla la velocidad del escurrimiento del agua y son menos comunes en comparación con las de hormigón.

PRESAS DE MATERIALES BLANDOS: Estas presas son más versátiles y se construyen utilizando diversos materiales.

• Presas Homogéneas: Utilizan un único material impermeable en toda su estructura, siendo adecuado para alturas pequeñas y medias.
• Presas de Núcleo: Tienen un núcleo impermeable rodeado por un material resistente.

4. Tipos de Represas según su Función

• Presas de Almacenamiento: Retienen el agua para su uso regulado en irrigación, generación eléctrica, abastecimiento a poblaciones, recreación o navegación, formando grandes vasos o lagunas artificiales. Son las de mayor capacidad de embalse y mayor altura de cortina.
• Presas de Relaves: Estructuras de retención de sólidos sueltos y líquidos de desecho, producto de la explotación minera, los cuales son almacenados en vasos para su decantación. Tienen cortina, vertedero, y en vez de tener una obra de toma o bocatoma poseen un sistema para extraer los líquidos.
• Presas de Derivación: Elevan la cota del agua para hacer factible su derivación, controlando la sedimentación del cauce de forma que no se obstruyan las bocatomas de derivación. Este tipo de presas son de poca altura ya que el almacenar el agua es un objetivo secundario.
• Presas de Control de Crecidas: Su finalidad es laminar el caudal de las crecidas torrenciales, con el fin de que no se cause daño a los terrenos situados aguas abajo de la presa en casos de fuerte tormenta.
• Presa Filtrante: Tienen la función de retener sólidos, desde material fino, hasta rocas de gran tamaño, transportadas por torrentes en áreas montañosas, permitiendo el paso del agua.

5. Beneficios Adicionales de las Represas

• Generación de energía hidroeléctrica: Utilizan el agua almacenada para mover turbinas y producir electricidad, proporcionando una fuente de energía renovable y limpia.
• Control de inundaciones: Ayudan a regular el flujo de agua durante periodos de lluvias intensas, reduciendo el riesgo de inundaciones en áreas cercanas.
• Riego agrícola: Proveen agua para sistemas de riego, asegurando un suministro constante para la agricultura, incluso en épocas de sequía.
• Suministro de agua potable: Garantizan un suministro continuo de agua para consumo doméstico, industrial y municipal.
• Recreación y turismo: Los embalses creados por las represas pueden ser utilizados para actividades recreativas.
• Navegación: Mejoran la navegabilidad de los ríos, facilitando el transporte fluvial.
• Protección ambiental: Pueden ayudar a proteger ecosistemas sensibles y hábitats de vida silvestre al regular el flujo de agua y prevenir la erosión.

Estos beneficios hacen que las represas sean infraestructuras clave para el desarrollo sostenible y la gestión de recursos hídricos.

CANALES

1. Definición

Un canal es una estructura artificial que permite el libre escurrimiento de agua por gravedad, aprovechando los desniveles propios del terreno en el que se la emplaza. Tiene diversas utilidades, entre ellas, conducir el agua de riego para los campos y desaguar el agua superficial de las lluvias.

2. Clasificación de Canales de Riego

• Canal de primer orden: Se traza siempre con pendiente mínima, normalmente es usado por un solo lado ya que por el otro lado da con terrenos altos.
• Canal de segundo orden: Son aquellos que salen del canal madre y el caudal que ingresa a ellos es repartido hacia los sub-laterales. El área de riego que sirve un lateral se conoce como unidad de riego.
• Canal de tercer orden: Nacen de los canales laterales. El caudal que ingresa a ellos es repartido hacia las propiedades individuales a través de las tomas del solar. El área de riego que sirve un sub-lateral se conoce como unidad de rotación.

3. Factores a Considerar en el Diseño de Canales

• Fotografías aéreas, para localizar los poblados, caseríos, áreas de cultivo, vías de comunicación, etc.
• Planos topográficos y catastrales, elementos topográficos, secciones, velocidades permisibles, entre otros.
• Estudios geológicos, salinidad, suelos y demás información que pueda conjugarse en el trazo de canales. Levantamientos topográficos en los terrenos de todos los detalles desde el punto inicial al final del trazo.

4. Trazo de Canales

Trazo preliminar: Se levanta la zona con una brigada topográfica, clavando en el terreno estacas de la poligonal preliminar y luego el levantamiento con teodolito. Luego se nivelará la poligonal y se hará el levantamiento de secciones transversales. Estas secciones se harán de acuerdo a si es un terreno con una alta distorsión de relieve (sección cada 5 m), o si el terreno no muestra muchas variaciones y es uniforme (sección máximo a cada 20 m).

Trazo definitivo: Con los datos de preliminares se procede al trazo definitivo, teniendo en cuenta la escala del plano, que depende básicamente de la topografía de la zona y de la precisión que se desea.

• Terrenos con pendiente transversal mayor a 25%, se recomienda escala de 1:500
• Terrenos con pendiente transversal menor a 25%, se recomienda escalas de 1:1000 a 1:2000.

Fórmula de cálculo de caudal: Q = caudal (m3/s), n = rugosidad, A = área (m2), R = radio hidráulico = área de la sección húmeda/perímetro húmedo

Radios mínimos en canales: En el diseño de canales, el cambio brusco de dirección se sustituye por una curva cuyo radio no debe ser muy grande, y debe escogerse un radio mínimo (existen tablas para su elección).

5. Nociones de Defensa en Riberas

Las riberas de los cursos de agua se deben proteger de los daños que pueden provocar las crecientes en las épocas de lluvias intensas, haciendo que los ríos y arroyos salgan de su cauce y afecten a obras o campos cultivados. Además de estabilizar los márgenes, pueden ser de dos tipos:

DEFENSAS ARTIFICIALES: Son muy variadas, las más usuales son:

• Defensas de hormigón: Son excepcionales por su elevado costo, requieren grandes volúmenes de material, se hacen con hormigón pobre en contenido de cemento, pero deben tener como mínimo 20 cm de espesor.
• Defensas de gaviones: Son canastos de alambre grueso, con armadura de hierro de forma rectangular, que se rellenan con piedra bola; trabajan por gravedad. La ubicación incorrecta puede provocar su desplazamiento y consiguiente desaprovechamiento.
• Rip-rap: Son revestimientos de áridos que se colocan por gravedad en las riberas, en un espesor que permita su mantenimiento en los emplazamientos, de manera de evitar que el agua afecte puentes y otras obras de ingenierías ubicadas en las orillas de los ríos y cursos de agua importantes.

DEFENSAS NATURALES: Consisten en la colocación de vegetación en las riberas. Se dividen en dos tipos:

• Cañizales y arboleadas: Evitan el paso del agua a zonas ubicadas fuera de las riberas; las variedades tanto de unas como de otros son de diversos tipos.
• Vegetación de gramíneas o arbustos: Las gramíneas, tipo césped, forman una capa impermeable, que permite que el agua se desplace por su superficie, pero no penetre en el suelo ribereño. Son utilizadas en lugares que no necesitan contener el agua, sino que permiten su paso. Algo similar ocurre con los arbustos que permiten el paso de las riadas, pero no la penetración en el subsuelo.

ESTACADAS: Consisten en colocar estacas en las riberas de los cursos de agua. Las mismas pueden ser vivas (en cuyo caso se colocan estacas de plantas que se van a desarrollar), o pueden colocarse estacas de manera cortada que no brotarán (en cuyo caso, se debe hacer un mantenimiento periódico para evitar su deterioro: en general el mantenimiento consiste en reemplazar las piezas que fallaron y colocar otras en mejores condiciones). Es una solución menos eficaz, pero mucho más barata que las otras.

EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN

1. Definición de Suelo

El suelo es un conjunto de partículas separables por medios simples, es decir, que no están sujetas a fuerzas entre ellas. En cambio, la roca que los origina está formada por un conjunto de partículas fuertemente unidas mediante fuerzas poderosas y permanentes. La composición química y la estructura física del suelo varían mucho de un lugar a otro; estos dependen del tipo de roca que los origina, etc.

2. Modificación del Terreno

En toda obra se deben respetar los niveles de proyecto, por lo tanto, habrá que modificar el terreno natural de manera que las cotas de la obra terminada sean las correspondientes al proyecto. En ese sentido, habrá zonas del terreno natural en las que será necesario excavar y otras en las que corresponderá rellenarlo. Tanto la excavación como el relleno deben hacerse en forma racional y cuidadosa, de manera tal que no resulten excesivos, y solo se necesite una pequeña corrección para lograr las cotas.

La excavación es el primer paso en la preparación del terreno. Consiste en remover el suelo para crear la base de una estructura. Los aspectos clave son:

• Tipos de Excavación: Pueden ser superficiales o profundas.
• Métodos: Se utilizan máquinas como excavadoras, retroexcavadoras y bulldozers. La elección depende de la cantidad de tierra a mover y la naturaleza del suelo.
• Control de Aguas: Es importante gestionar el agua subterránea y de lluvia, ya que puede afectar la estabilidad del terreno.

3. Desmonte y Terraplén

Desmonte: Suelo que se retira de su emplazamiento natural para ser colocado en un lugar predeterminado, ya sea dentro de la obra o fuera de ella.

Terraplén: Suelo que se coloca en obra para elevar el nivel del terreno natural y debe tener la compactación adecuada para la ejecución de la obra.

4. Colocación y Compactación del Relleno

El material que se usa como relleno debe ser colocado en la obra de manera adecuada, para que resulte eficiente y económica. En general, se transporta el material de relleno desde la zona de extracción hasta la obra en camiones que lo descargan en el lugar donde sea necesario; luego se lo distribuye con la motoniveladora, para luego agregarle agua y compactarlo con el o los rodillos adecuados. La compactación debe responder al Ensayo Próctor realizado para ese suelo, por ello es importante utilizar la maquinaria adecuada (rodillo patas de cabra si el suelo es cohesivo, o el rodillo liso en suelos granulares). Se debe hacer por capas de hasta 30 cm de espesor hasta completar la cota que figura en el proyecto. Una vez que el suelo ha sido excavado, se procede a la colocación en obra, que puede involucrar terraplenes, sistemas de drenaje y materiales mixtos.

5. Trazado de la Rasante y Perfil Edafológico

Para trazar la rasante del futuro camino necesitamos conocer, con cierta exactitud, el tipo de suelos que debemos mover, muy importante en montañas. Se hacen perforaciones a cielo abierto, de esta manera se determinarán los horizontes del suelo; estas prospecciones se harán cada 500 m (si la topografía es quebrada, cada 250 m), y representamos en un gráfico del tipo de suelo en función de la distancia. Este gráfico se llama perfil edafológico, o perfil de suelos necesario para hacer el camino.

PAVIMENTOS

1. Definición y Condiciones

Recubrimientos que se realizan del terreno natural, formando una superficie artificial, cuya función es facilitar el tránsito de personas y/o vehículos. Los pavimentos deben de cumplir con ciertas condiciones para poder considerarse adecuados para su correcto uso, tales como:

• Proporcionar una superficie de rodamiento eficiente, con anchos que satisfagan las necesidades del tránsito.
• Debe permitir una circulación cómoda y segura de los vehículos.
• La resistencia a las cargas debe permitir buena durabilidad.
• Debe existir una buena adherencia entre las cubiertas de los vehículos que circulan y la superficie de rodamiento.

2. Tipos de Pavimentos

Pavimentos flexibles: Son más económicos que los pavimentos rígidos, pero su periodo de vida varía entre 10 y 15 años; además, requieren un mantenimiento constante.

Pavimentos rígidos: Esencialmente consisten en la construcción de losas de hormigón (que en casos excepcionales es armado, pero, en la mayoría de los casos carece de armadura). Su costo inicial es muy superior al de los pavimentos flexibles, pero su vida útil es de entre 30 y 40 años, y requiere un mantenimiento mínimo, generalmente en las juntas.

3. Construcción de Pavimentos Rígidos

Estos pasadores siempre van en el mismo sentido y la ubicación de los mismos es a media altura de la losa, con una separación de entre 50 cm y 1 m. Cada junta posee un ancho entre 1 y 2 cm, las cuales van cubiertas de alquitrán para permitir los movimientos de las losas. Y solo en casos especiales, donde se transite con grandes cargas, será necesario colocarle armadura al hormigón. Para el llenado de las losas, se puede elaborar el hormigón en el lugar de construcción o en planta, lo que requerirá el transporte del mismo, lo que puede afectar la calidad del material, por lo que puede empezar su proceso de fraguado durante el trasporte del mismo. Luego se deberá de volcar el hormigón en el sitio a rellenar y con ayuda de reglas podremos alisar el material. Debemos procurar que el hormigón no pierda demasiado pronto su humedad, lo que lleva a la contracción del hormigón que provoca una pérdida en su volumen y en su resistencia. Es por ello que debemos comenzar con el curado del hormigón, que consiste en rociar con agua, durante periodos, cada parte del hormigón hasta que consiga su máxima resistencia.

4. Deformación de la Carpeta de Rodamiento

La carpeta de rodamiento se deforma adaptándose a las cargas que transitan sobre ella y les transfiere las tensiones a las capas inferiores en forma de cono.

5. Tipos de Pavimento Flexible

• Distintos tipos de Pavimento Asfáltico
• Pavimentos de colocación en frío
• Asfalto
• Asfaltos Diluidos
• Emulsiones Asfálticas
• Pavimentos de colocación en caliente

HIDROLOGÍA

1. Definición y Aplicaciones

Ciencia que estudia la disponibilidad y distribución del agua sobre la Tierra. Cuenta con un papel muy importante en el planeamiento del uso de los recursos hídricos, entre otros elementos.

Algunas de sus Aplicaciones:

• Ingeniería civil: Construcción de represas, sistemas de alcantarillado, embaulamiento de un río.
• Control de inundaciones: En el diseño de planes de contingencia ante la erosión hídrica.
• Generación de energía hidroeléctrica: En el diseño de plantas hidroeléctricas.
• Riego: En el riego de plantas, huertos y cultivos.

2. El Ciclo Hidrológico

El ciclo hidrológico es el proceso natural por el cual el agua se evapora de la superficie de la Tierra, se condensa en forma de nubes, precipita y vuelve a la superficie terrestre en forma de lluvia o nieve. En la construcción civil, es importante entender el ciclo hidrológico para poder planificar las obras de infraestructura y las medidas de prevención de inundaciones y erosión.

3. Frecuencia de las Precipitaciones

La frecuencia de las precipitaciones se determina a través de la repetitividad de eventos de características similares en intensidad y duración. Cuanto más elevada sea una precipitación, se presentará con una menor frecuencia. Es importante conocer su frecuencia, es decir, el tiempo que transcurre entre dos lluvias seguidas: mientras menor sea el tiempo, mayor será la frecuencia, por lo que más afectará a una obra.

4. Hidrología Urbana

La hidrología urbana se enfoca en el estudio de las aguas superficiales en las áreas urbanas y su relación con la construcción civil. En las ciudades, las superficies impermeables, como calles, aceras y techos, impiden que el agua de lluvia se infiltre en el suelo, generando caudales de escorrentía que pueden inundar calles y edificios. Por ello, es fundamental llevar a cabo un diseño urbano que tenga en cuenta la gestión del agua de lluvia.

5. Tipos de Precipitaciones

Son todas aquellas formas de hidrometeoros que caen del cielo. La lluvia es la precipitación más común en todo el planeta, y se genera cuando el vapor de agua presente en las nubes se condensa, alcanza una masa crítica haciéndose más pesada que el aire y precipita. Existen años secos donde las precipitaciones son insuficientes, mientras que otros donde puede generar inundaciones.

Tipos de precipitaciones:

• Precipitación Frontal: Ocurre cuando dos masas de aire de diferentes presiones, tales como la fría (más pesada) y la cálida (más liviana), chocan una con la otra.
• Precipitación Convectiva: Se produce generalmente en regiones cálidas y húmedas cuando masas de aire cálidas, al ascender, se enfrían generando de esta manera la precipitación.
• Precipitación Orográfica: Cuando una masa de aire húmedo circula hacia una masa montañosa se eleva hasta llegar a la cima de la montaña; al ascender se enfría, donde el agua que contiene se condensa, por lo que producen las precipitaciones y la masa de aire pierde humedad. Al pasar a la otra ladera de la montaña, el aire seco desciende y se calienta, produce un viento seco el cual puede producir deshielo.

ALCANTARILLAS

1. Alcantarillas Ejecutadas In Situ

Las alcantarillas ejecutadas in situ son estructuras de drenaje construidas directamente en el lugar de la obra, utilizando materiales como hormigón armado o mampostería. Se utilizan principalmente en proyectos de gran escala, o cuando las condiciones del terreno requieren estructuras personalizadas que no se pueden resolver con elementos prefabricados.

2. Alcantarillas de Caja

Son estructuras rectangulares o cuadradas de hormigón armado que se construyen directamente en el lugar. Se utilizan para manejar grandes caudales de agua y permiten el paso de vehículos o caminos por encima.

3. Alcantarillas Circulares de Hormigón Armado

Aunque se utilizan prefabricadas, en algunos casos las alcantarillas circulares grandes se construyen in situ debido a las características del proyecto o limitaciones de transporte.

Proceso constructivo:

1. Excavar una zanja lo suficientemente amplia para trabajar.
2. Colocar una base de hormigón para nivelar la zona.
3. Instalar armaduras circulares y preparar el encofrado para el vertido del hormigón.
4. Vertido del hormigón en secciones y curado.
5. Realizar las juntas y conexiones necesarias.

4. Alcantarillas en Dovelas

Las alcantarillas de gran diámetro también pueden construirse utilizando elementos de dovela que se montan y ensamblan en el sitio. Este método suele utilizarse cuando el terreno es complicado o el diámetro de la alcantarilla es grande y requiere un diseño estructural reforzado.

5. Alcantarillas en Mampostería o Piedras

Este tipo de alcantarillas se construye con bloques o piedras, y se utiliza principalmente en zonas rurales o en proyectos de bajo costo, donde el uso de hormigón armado es innecesario o costoso.

Ejemplo: Alcantarillas en caminos rurales, donde se necesita un drenaje básico, y no hay grandes caudales de agua o cargas pesadas.