COMISION NACIONAL DE RIEGODepartamento de Proyectos

INSTITUTO DE INVESTIGACIONESAGROPECUARIAS

Normas

técnicas

para la

construcción

de obras de

drenaje

superficial

Zanja colectora construída en el

proyector “Huinqueco”, ubicado en

Río Bueno X° Región, y bonificado por

la Ley 18.450 de fomento a las obras de

riego y drenaje.

PROYECTO: ESTUDIO DE INVESTIGACIÓN Y VALIDACIÓNDE TECNOLOGÍA DE DRENAJE EN LA IX, X Y XI REGIONES

OSORNO, SEPTIEMBRE DE 1997

El Departamento de Proyectos de la ComisiónNacional de Riego (CNR) y el Centro Regional de

Investigación Remehue del Instituto deInvestigaciones Agropecuarias (INIA), presentanesta Cartilla Divulgativa N° 3 correspondiente a

una serie de documentos de este tipo, realizadoscon financiamiento del Proyecto:

"Investigación y Validaciónde Tecnología de Drenaje

en las IX - X - XI Regiones"

AutorLeopoldo Ortega Corrales

Ingeniero Agrónomo

EditorGiancarlo Bortolameolli Sepúlveda

Ingeniero Agrónomo

Diseño e impresiónImprenta Regional

Tiraje1.000 Ejemplares,

OSORNO, SEPTIEMBRE DE 1997

PREAMBULO

Las regiones IX, X y XI se caracterizan por presentar un porcentaje importante de sus

suelos con problemas severos de drenaje. Solamente la X Región presenta una superficie

cercana a las 500.000 hectáreas con tales limitaciones. Estas restricciones se transforman

en un freno al desarrollo agrícola ya que esos suelos presentan un bajo potencial

productivo.

La Comisión Nacional de Riego, consiente de esta situación y atendiendo a su principal

objetivo de mejorar y aumentar la superficie regada y drenada del país, esta llevando a cabo

desde 1994 un "Programa de Validación de Tecnologías de Drenaje en las Regiones

IX, X y XI" como una manera de impulsar la adopción de tecnologías de drenaje por parte

de los agricultores.

Dentro de este mismo programa se está investigando y difundiendo las mejores opciones

productivas una vez que los suelos han sido drenados, entre las que cabe destacar las

praderas mejoradas.

Como complemento de lo anterior, la Ley 18.450 de Fomento al Riego y Drenaje

permite financiar hasta un 75% de los costos de las obras de drenaje permitiendo de esta

manera que la agricultura regional se incorpore más prontamente a la dinámica agricultura

del resto del país.

La presente cartilla está destinada especialmente para extensionistas y profesionales de

las regiones IX, X y XI relacionados con el tema del manejo de empastadas en suelos con

obras de drenaje.

ERNESTO SCHULBACH B.

SECRETARIO EJECUTIVO

COMISION NACIONAL DE RIEGO

INDICE DE MATERIAS

1. INTRODUCCION 1

2. CALCULO DE CAUDALES DE EVACUACION. 2

3. PARAMETROS DE CONSTRUCCION DE OBRAS DE DRENAJE SUPERFICIAL, 5

4. ZANJAS 64.1 Trazado de la red de zanjas colectoras, 64.2 Dimensionamiepto de la zanja. 74.3 Etapas construcción de zanjas. 11

5. DRENES TOPO. 165.1 Definición. 165.2 Implemento usado para su construcción. 165.3 Parámetros de construcción de drenes topo. 19

6. LIMPIEZA Y AMPLIACION DE CAUCES. 226.1 Limpieza de cauces naturales. 236.2 Ampliación de cauces naturales. 24

7. DRENES EN V. 25

8. DRENES DE TUBERIA. 268.1 Diámetros y pendientes. 278.2 Envolventes. 298.3 Instalación de drenes de tuberia, 298,4 Estructuras auxiliares. 30

9. DRENES INTERCEPTORES, 32

10. PLANIFICACION DE CONSTRUCCION DE OBRAS. 34

11. MANTENCION DE OBRAS. 34

12. BIBLIOGRAFIA CONSULTADA, 36

NORMAS TECNICAS DE CONSTRUCCIONDE OBRAS DE DRENAJE SUPERFICIAL

Leopoldo J. Ortega CorralesIngeniero Agrónomo

1. INTRODUCCION

En la zona sur, especialmente en las regiones IX y X, el problemade mal drenaje que presentan los suelos es de tipo superficial, esdecir, se produce una sobresaturación del suelo por causa de unarecarga superficial de origen pluvial, y escurrimiento de áreasadyacentes a las depresiones del terreno.

Los problemas de mal drenaje presentan características muydiversas, tanto en envergadura, tipificación y grado de complejidad,lo cual implica que cada proyecto de drenaje agrícola presenteparticularidades que le confieren un carácter único. Por lo tanto, apesar de existir caractecisticas comunes, en la mayoría de loscasos no es posible copiar idénticamente un proyecto ejecutado yaplicarlo a otro caso.

• Las soluciones que se deben aplicar a los proyectos de drenaje,deben cumplir con las siguientes características:

• Deben ser obras, es decir, inversiones físicas de tipopermanente. Acciones paliativas, como prácticas de manejo u otras,sólo alcanzan a mitigar el problema.

• Generalmente, corresponden a un conjunto de obras,armónicamente relacionadas en un sistema de drenaje, por lo cual,se requiere necesariamente de la planificación en la etapaconstructiva.

• Las obras deben tender a ser simples, económicas y fáciles deimplementar.

• Para diseñar y construir obras, se deben utilizar normastécnicas.

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La norma técnica, es una convención basada en el conocimientoteórico y práctico, en que se indica una definición cuantitativa sobrealgún factor constructivo o de diseño.

Por ejemplo, la afirmación “el rendimiento de una excavadora orugaModelo 200, en condiciones de suelo duro, es de 30 a 40 m3/hr”, esuna norma técnica . Al contrario si solamente señalamos que “laexcavación de zanjas en suelos duros es de bajo rendimiento”, laafirmación carece de contenido técnico, y es insuficiente paraconstituirse en norma, siendo solo un comentario muy general.

2. CALCULO DE CAUDALES DE EVACUACION

Para dimensionar obras de drenaje, necesitamos saber cuantaagua van a conducir estas obras. En este tema debemos tenerpresente que:

• El origen de los caudales de drenaje es la precipitación.• El problema de drenaje de la zona sur es de tipo superficial,

entonces, lo importante es calcular la escorrentía superficial.• Se deben considerar los valores máximos de lluvia, en un

determinado número de días, ya que nos interesa que las obrasestén calculadas para esta situación crítica.

En síntesis, como se muestra en el siguiente esquema , mediantemodelos y ecuaciones que incorporan factores de suelo y coberturavegetal, se obtiene la Escorrentía a partir de la precipitación;posteriormente esta escorrentia se proyecta en una determinadasuperficie de influencia, generándose el valor de Caudal deDrenaje.

La ciencia que estudia la precipitación y su relación con laescorrentía, es la hidrología, que por ser un tema muy específico ybastante complejo, no es posible abordarlo en esta ocasión.

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Además, no existen estudios al respecto en la zona sur, y laaplicación de diferentes metodologias de cálculo generanresultados muy dispares, como se muestra en el Cuadro 1.

Cuadro 1. Valores de Escorrentia para una Cuenca Agrícola del Area de Frutillar,X Región, para una lluvia máxima de 44 mm/día, con distintos Métodos de Cálculo.

Por lo anterior, el autor de esta publicación recomienda el uso de unprocedimiento simplificado, para casos que no requieren de unestudio técnico acabado.

Cabe hacer presente que la metodología que se recomendará sóloconstituye una herramienta para realizar un cálculo rápido yestimativa de la escorrentía, y por lo tanto, no constituye un métodosuficientemente validado para su uso en proyectos de granenvergadura, en cuyo caso se recomienda analizar el tema con elprofesional idóneo que corresponda.

El método consiste en asumir que por cada mm de lluvia diaria, seconsidere una escorrentía de 0,1 lt./seg./ha, y para calcular elcaudal de drenaje, se multiplica la escorrentía, por la superficie deinfluencia del dren elevada al exponente 5/6.

Es decir: E = P x 0,1Q = E x (A)5/6

Donde: E = Escorrentia, en (I/s/ha)P = Lluvia máxima de diseño, en (mm/dia)

A = Area de influencia de¡ dren, en (ha)Q = Caudal de drenaje, en (I/s)

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Ejemplo:

De acuerdo al plano topográfico, calcular el caudal de drenaje deuna red de zanjas en los puntos A, B y C, para una lluvia de diseñode 40 mm/día.

Solución:

Si la lluvia es de 40 mm/día, entonces la Escorrentía es

E = 40 mm/día x 0,1 (I/s/ha)E = 4 (I/s/ha)

Para calcular el caudal de drenaje, medimos las áreas de aporte, ycon esos valores, calculamos el caudal de drenaje generado.

Al = 40 ha Q1 = 4 (I/s/ha) x (40 ha)5/6 = 86,5 (I/s)A2 = 25 ha Q2 = 4 (I/s/ha) x (25 ha)5/6 = 58,5 (I/s)A3 = 30 ha Q3 = 4 (I/s/ha) x (30 ha)5/6 = 68,1 (I/s)A4 = 40 ha Q4 = 4 (I/s/ha) x (40 ha)5/6 = 86,5 (I/s)A5 = 50 ha Q5 = 4 (I/s/ha) x (50 ha)5/6 = 104,2 (I/s)A6 = 60 ha Q6 = 4 (I/s/ha) x (60 ha)5/6 = 121,3 (I/s)______________ ________________________Total = 245 ha. Total = 525,1 (I/s)

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Finalmente :

QA = Q1 + Q2 = 145 (I/s)QB = QA + Q3 + Q4 = 299,6 (I/s)QC = QB + Q5 + Q6 = 525,1 (I/s)

3. PARAMETROS DE CONSTRUCCION DE OBRAS DEDRENAJE SUPERFICIAL

Las obras a las cuales nos referiremos son las que se definieroncomo obras tipo en la Cartilla Divulgativo N°1 del Proyecto“Investigación y Validación de Tecnología de Drenaje en las IX, X yXl Regiones", titulado “Técnicas de Drenaje para el Sur de Chile” yson las siguientes:

Suelos Ñadis: Sistema zanja colectora con drenes topo.Limpieza y ampliación de cauces.

Sectores "Hualves" Zanjas, Drenes en V, o drenes de tuberíaenterrada, en combinación con algunasestructuras.

Sectores "Vegas" Dren Interceptor.Sistema Zanja - Dren Topo. Diques decontención o canal interceptor de desbordes.

También es importante precisar que los estándares que sepresentarán, corresponden a valores promedio de obras ejecutadasen la Décima Región. Por lo tanto, se deben utilizar estos valorescon la prudencia que el caso amerite, y adecuarlos dependiendo delas características del terreno, el tipo de maquinaria, y lascondiciones de trabajo, más aún si se trata de condiciones muyparticulares, o de proyectos de otras regiones.

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4. ZANJAS

En los suelos ñadis, las zanjas corresponden a colectores que setrazan en el terreno, conformando una Red de Drenaje.

Para el diseño y construcción de esta Red de Zanjas, es importanteconsiderar lo siguiente :

a) Trazado de la Red de Zanjas Colectoras.b) Dimensionamiento de la zanja.c) Etapas de construcción de zanjas.

4.1 Trazado de la red de zanjas colectores

Consiste en ubicar en el terreno la red de colectores, y definir ladirección del flujo, para lo cual es recomendable contar con materialcartográfico (mapas, planos, croquis, etc.); siendo lo óptimo unlevantamiento topográfico del terreno a drenar.

Para realizar este trazado, deben considerarse los siguientesaspectos :

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

b) Apotreramiento y Deslindes : Las zanjas deben quedar ubicadoscontiguas a los cercos principales.

c) Tamaño de la zanja: Las dimensiones de la zanja debenaproximarse a los valores de mayor rendimiento de trabajo paracada modalidad de construcción, ya sea manual o mecanizada.

d) Resguardar erosión : Se debe evitar conducir caudales muy altoso en pendientes muy excesivas, que produzcan velocidades quesobrepasen la velocidad máxima no erosiva.

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

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4.2 Dimensionamiento de la zanja

Los parámetros de dimensionamiento de una zanja de seccióntrapezoidal, que se indican en la Figura 1, son los siguientes:

b = Base.B = Ancho superior.d = Tirante Hidráulico.r = Revanche o altura libre.z = Talud de las paredes.H = Profundidad.

Figura 1. Parámetros de dimensiones de zanjas.

Para calcular estas dimensiones se utilizan las siguientesecuaciones:

Q = AxVV = (1 /n) x (A/P)2/3 x So1/2 Fórmula de ManningA = b x d + Z x d2

P = b + 2 x d x (1 +Z2)1/2

H = d + rB = b + 2 x Z x H

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

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

Q = AxV

Q = A x (1 /n) x (A/P) 2/3 x So1/2

(Q x n) / So½ = (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 +Z 2)1/2)2

Al realizar el cálculo, son conocidos los siguientes valores:Q = Calculado considerando el valor de escorrentía y el áreade aporte.N = Se obtiene de tablas.So = Se obtiene en el plano topográfico, o se asume.Z = Se obtiene de tablas.

Para calcular d y b, debe asumirse un valor para alguno de estosparámetros, y calcular el otro iterando en la ecuación.

También existen tablas para obtener estos valores, para valores deQ, n, So y Z dados, o es posible calcularlos computacionalmente.

En el siguiente Cuadro, se entregan valores para el parámetro n.

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Cuadro 2. Valores de coeficiente de rugosidad n.

Fuente Grassi, 1991.

En el siguiente Cuadro, se entregan valores para el talud Z.

Cuadro 3. Talud Z en drenes abiertos.

Fuente: Ven Te Chow, 1959.

En relación al valor de la pendiente de la zanja, se recomienda unvalor mínimo de 0,1%, para evitar sedimentación y seccionesdemasiado grandes. Por otro lado, deben evitarse pendientesexcesivas, que generen velocidades muy altas que ocasionenerosión y socavación del dren, por lo cual, existen valores develocidades máxima no erosivas según el tipo de material del dren,que se presentan en el Cuadro 4.

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Cuadro 4. Velocidad (m/s) máximo no erosiva en drenes abiertos.

Fuente: Fortier and Scobey, 1926.

En relación al valor de la base, existe un valor mínimo de acuerdo ala modalidad de construcción. En caso de construcción manual, elvalor mínimo será aquel que se pueda realizar de acuerdo a lafacilidad de operación de la mano de obra, valor que generalmentese asume igual a 0,5 m. En caso de construcción mecanizada, estevalor mínimo de zanja corresponde al ancho de la cuchara de laexcavadora.

En el caso de suelos ñadis, el valor de la altura libre r, correspondea la profundidad de los drenes topo, que en este caso es 0,5 m.

Ejercicio :

Calcular las dimensiones de un dren, considerando los siguientesantecedentes:

Caudal Q = 250 I/s = 0,25 M3/sPendiente del Suelo = 0,2%Suelo FrancoConstrucción manual.

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Solución:

Seleccionamos n = 0,04 para dren limpio, según el cuadro 2.Asumimos para pendiente del dren, 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 21/2 x d)2

lterando, obtenemos d= 0,53, lo cual se comprueba:

(0,5 x 0,53 + (0,53)2)5 = 0,048480319 = 0,01213(0,5 + 2 x 21/2 x (0,53))2 3,996266376

Al calcular la velocidad V, obtenemos V = 0,47 m/s, que es menor ala velocidad máxima no erosiva, según el 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 = 2,56m.

4.3 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 materialCercado.

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Roce y Limpieza de Faja

Consiste en la eliminación de todos los árboles y matorrales sobreel área a ocupar, en el ancho del dren, más las bermascorrespondientes.

En una primera fase, esta faena se realiza con mano de obracorrespondiente a jornales no calificados, los cuales, premunidos derozones y horquetas como herramientas manuales, deberán realizarel corte o roce de la vegetación existente en la faja, luego acumularel material en montones o hileras, y finalmente, deberán trasladar elmaterial hacia un lado de la faja, y realizar el carguío del material encamión tolva, el que realizará el transporte a botadero.

El rendimiento para esta primera fase de la faena, correspondeaproximadamente a 100 m/jornada.

Luego, corresponde realizar el retiro del material a botadero, lo ,cualse realiza con camión, cuyo rendimiento depende de la distancia albotadero.

Se estima que el rendimiento para el transporte a botadero delmaterial extraído en la limpieza de la faja, correspondeaproximadamente a 100 m/hr, con una distancia a botadero de 1Km.

Excavación de la zanja

Esta labor puede realizarse ya sea manualmente o con maquinaria.

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

Rendimiento excavación estrata de suelo = 9 m3/JornadaRendimiento excavación estrata de ripio = 2 m3/jornadaVida úfil pala en excavación = 0,1 km/palaVida úfii picota en excavación = 0,5 km/picota

En el caso de construcción mecanizado, se utilizan excavadoras ymano de obra.

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La excavadora cumplirá la labor de excavación propiamente tal, entanto que la mano de obra se utilizará para el repase o terminacióndel sello y de los taludes de las zanjas.

Se recomienda utilizar la excavadora oruga Modelo 200, quedependiendo de la marca, posee una potencia nominal de 133 HP,y utiliza un balde estándor de 1200 mm de ancho y 0,93 m3 decapacidad.

La excavación partirá desde los puntos de descarga de los drenesen los cauces naturales, e irá avanzando aguas arriba, con marchade retroceso, sobre el eje longitudinal del dren.

Con el objetivo de retirar el material excavado, lo másrecomendable es que la excavadora cargue este material encamiones tolva directamente después de la excavación, sinacumular el material al lado de la zanja.

Además, también se recomienda realizar la cargo del materialsuperficial correspondiente a suelo, separadamente del sustrato deripio cementado.

La diferencia en el tipo de material (suelo y ripio), resulta en unadiferencia en el rendimiento de la excavadora.

Es posible asumir los siguientes valores de rendimiento deexcavación:

Excavación en terreno blando = 50 - 70 m3/hrExcavación en terreno semi-blando = 40 - 60 m3/hrExcavación en terreno duro = 30 - 40 m3/hr

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

La mano de obra a utilizar para la labor de terminación y repase dela sección de los drenes, en el sello y en los taludes, corresponde ajornaleros no calificados, premunidos de palas derechas.

Se estima que esta labor, equivale a un movimiento de tierra igualal 2,5 % del material excavado.

Se puede asumir un rendimiento de la labor de repase yterminación, equivalente a 5 m3/jornada.

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Retiro del material

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

El suelo excavado puede ser aprovechado para rellenar sectores depequeños depresiones al interior de los potreros, o simplemente,ser desparramado en éstos. En el caso de que bajo del sueloexista ripio, éste constituye un excelente material para construcciónde caminos, el cual puede ser construido inmediatamente al lado dela zanja, o ser utilizado para el relleno de caminos y callejonesexistentes en el predio.

En el caso de las estratas de arcilla, este material no constituyeningún beneficio, y por lo tanto, se debe eliminar trasladándose a unlugar de botadero,

Lo ideal y recomendable es realizar la faena de excavación ytraslado de¡ material en forma simultánea, El postergar la labor detraslado del material de excavación, implica asumir un mayor costo,ya que el material acumulado va perdiendo el esponjamiento de laexcavación, adquiriendo mayor dureza, siendo más dificultoso sutraslado posterior,

Cuando no se ha retirado el material de excavación, se forma unaespecie de "lomo" de tierra acumulado a un lado de la zanja,produciéndose dos problemas importantes. Un problema es que elmaterial de excavación acumulado, actúa como una especie dedique, obstaculizando el escunimiento superficial del agua,provocando apozamiento alrededor de la zanja. El otro problemaes que al pasar el arado topo, la galería queda a mayor altura,dificultando el funcionamiento del dren topo por gravedad.

Para eliminar el 'lomo' que se ha endurecido al lado de la zanjacuando no se ha retirado inmediatamente el material de excavación,se recomienda disgregar este material mediante pasadas de rastra,y posteriormente retirar con pala manual o pala trasera de tractor.

En el caso de que la construcción se realice en forma manual, sedispone de los siguientes estándares para el traslado del material,considerando una distancia de 100 metros al lugar de descarga:

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Rendimiento traslado tierra excavada = 6,75m3/jornada

Rendimiento traslado dpio excavado = 3 m3/Jomada

Para el caso de retiro mecanizado, utilizando camión tolva y unadistancia al lugar de descarga de un kilómetro, se obtienen lossiguientes rendimientos:

Rendimiento traslado tierra = 38 m3/hr

Rendimiento traslado ripio = 32 m3/hr

Para las cubicaciones finales, se debe considerar el esponjamientodel material al ser excavado, que corresponde a 3% para el ripio yun 50% para el suelo.

Cercado de drenes

En toda la extensión de la red de drenes colectores, se instalancercos a ambos lados de la zanja, a una distancia de 3,5 m desdeel borde del dren, para facilitar las labores de mantenciónposteriores.

El cerco se puede construir utilizando estacones de pellín de 22 a2,5 m de longitud, y de 4 a 5 pulgadas de diámetro.

Los estacones se instalan espaciados cada 3,5 m, con 4 corridas dealambre de púa clavado con grampas de 1 1/2'.

Los estacones se pintan totalmente con 1 mano de aceite de motorquemado, y en su extremo superior se pintan 25 cm con 2 manosde óleo blanco.

Para todo el proceso de construcción de los cercos, desde elpintado de los estacones, su hincado en el terreno, colocación ytensión de los alambres, etc., se utiliza mano de obrasemicalificado, estimándose un requerimiento de 100 jornadas parala construcción de 1 km de cerco doble de estas características (50jornadas/1Km. cerco simple).

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5. DRENES TOPO

5.1 Definición

Los drenes topo son galerías subterráneas construídas en el interiordel suelo, de aproximadamente 7,5 cm de diámetro, las cualesestán rodeadas de fisuras periféricas, para lograr la recolección delos excedentes hídricos que se acumulan en la zona radicular,como se indica en la figura 2.

Estos drenes descargan en la zanja colectora debido a la gravedad,y por lo tanto, deben tener pendiente positivo en dirección a lazanja.

Además, se requiere para la construcción de estos drenes, uncontenido ,mínimo de arcilla de 200 % en la zona de la galería.

5.2 Implemento usado para su construcción

El implemento utilizado para construir los 'drenes topo', se conocecon el nombre de “arado topo".

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En relación a los modelos usados y actualmente en uso en nuestropaís, se constata que existe una gran diversidad de tipos yadaptaciones del implemento, y que en general, es una maquinaria deuso frecuente en aquellos predios con limitaciones de mal drenaje.

Además, es interesante comentar que este implemento es conocido,además de “arado topo”, con otros nombres comunes, como lo son“camahueto", y “camarón". Se piensa que este implemento fueintroducido por los colonos alemanes, hecho que puede corroborarsepor encontrarse presente en la sala de maquinarias antiguas delMuseo de la Colonización Alemana de Frutillar, observándose comouna versión muy rudimentaria y rústica.

Además de aquellas versiones que constituyen modificaciones ohechuras rústicas de este implemento, construidas por agricultores, enla actualidad es posible distinguir dos versiones más frecuentes deeste implemento, que se describirán y analizarán a continuación.

1) Arado topo sin barra de tiro, de acople al sistemahidráulico de tres puntos del tractor

Como se muestra en la Figura 3, este modelo es básicamente unsubsolador modificado, al cual se le ha adicionado, mediante unacadena de 20-30 cm, un balín expandidor, que generalmente es unaesfera o cilindro de metal, de 2 a 3 cm más de diámetro con respectoal cilindro de penetración del subsolador.

Se encuentra a disposición en las principales empresas distribuidoresde maquinaria agrícola nacional.

Se ha usado principalmente por la mayor facilidad y eficiencia detrabajo, producto del accionamiento hidráulico del implemento, encomparación con los implementos de tiro.

Como se muestra en la Figura 4, este modelo posee una importantedesventaja, que consiste en que, debido a que está directamenteconectado al sistema de 3 puntos, el implemento queda a una cortadistancia de las ruedas traseras del tractor, y por lo tanto, se trasmitenal eje longitudinal del dren topo todos los movimientos de oscilación delas ruedas en su contacto con el microrelieve del suelo, provocandouna importante pérdida

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de linealidad de este eje longitudinal, lo que repercute en unadeficiencia para el escurrimiento del agua en el interior del dren topo.

Por la desventaja explicada anteriormente, no se recomiendo el usode este modelo.

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2) Arado topo con barra de tiro

Este modelo, puede ser accionado mediante tracción mecánica oanimal.

Consta básicamente de una barra de tiro, una hoja subsoladora, uncilindro de penetración o 'torpedo', y un barón expandidor.

En el caso de tracción mecánica, el acoplamiento al tractor esmediante el sistema de 3 puntos, y en el caso de tracción animal, elimplemento es de tiro, mediante una cadena, y se agrega en elmodelo, una mansera doble para su operación.

En la Figura 5, se muestra un esquema de Arado Topo con barra detiro de tracción animal. La principal ventaja de este modelo, es quemediante la barra de tiro, se anula en un grado importante, lareplicación del microrelieve en el eje longitudinal del dren topo.

5.3 Parámetros de construcción de drenes topo

Las fisuras periféricas que rodean la galería, recolectan losexcedentes hídricos que se acumulan en la zona radicular, y por lotanto, estas fisuras son la clave del éxito del funcionamiento de estosdrenes.

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Al realizar la labor, estas grietas periféricas son producto delimpacto sobre el suelo, por la acción de la hoja subsoladora y elbarin expandidor. Además, es de vital importancia la linealidad dela galería, lo que facilita el obtener una pendiente uniforme y unamenor rugosidad interna, permitiendo maximizar el caudal quedescargan estos drenes.

Estas dos características, se obtienen por una parte, con el uso deun adecuado implemento para la construcción de los drenes, y porotro lado, se requiere considerar normas para la correcta ejecuciónde la labor.

Los parámetros de diseño y construcción más importantes para losdrenes topo son :- Epoca de construcción.- Velocidad de la labor.- Espaciamiento entre pasados.- Profundidad de la galería.

Epoca de construcción

Una de las normas de construcción de drenes topo que tiene másincidencia en la formación de grietas y en la estabilidad de lagalería, es la época de ejecución de la labor.

El criterio principal para la selección de la época acertada, es elcontenido de humedad del perfil del suelo, el cual, en la zona quecorresponde a la galería, debe ser tal que le asigne al suelo lacondición de friable, ya que es ésta la condición de humedad quemejor asegura la estabilidad mecánica de la galería en el tiempo.Por otro lado, en la zona del perfil en que se formarán las grietas, elcontenido de humedad debe ser cercano a suelo seco, ya que enesta condición de humedad, el suelo no posee suficiente elasticidadcomo para absorber el impacto de la labor, de tal manera que elsuelo se ve expuesto a la rotura, produciéndose las grietas.

Otro criterio utilizado para seleccionar la época de la labor, esrecomendar que posteriormente a la construcción de los drenestopo, exista un periodo de algunos meses de bajo contenido dehumedad del suelo y de mayor temperatura, de manera de producirun “fraguado natural" de la galeria y de las grietas, que contribuya auna mayor estabilidad y vida útil del dren.

La aplicación de ambos criterios resulta en la selección de la épocaa término de primavera o comienzos del verano.

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Velocidad de la labor

Otra norma importante de considerar durante la construcción dedrenes topo, es la velocidad de la labor, en relación a suuniformidad y magnitud.

La uniformidad de la velocidad se refiere a la necesidad de nointerrumpir la labor durante su ejecución, ya que la detención deltractor o una velocidad muy variable, genera una fuerza de reacciónque se transmite al implemento en la zona del torpedo, lo cualprovoca pequeños derrumbes internos, interrumpiendo la galería yproduciendo posteriormente, una deficiente circulación del agua.Por lo tanto, se recomienda mantener la velocidad constante, y enningún caso, detener la labor antes de finalizar una pasada dearado topo.

En relación al valor de velocidad recomendado, se selecciona deacuerdo a dos objetivos deseados. Por una parte, la velocidaddebe ser tal que la rotura del suelo debe ser lo suficientementerápida como para anular el efecto de la elasticidad del suelo, quetiende a cerrar las roturas. Por otro lado, el roce que se produceentre las superficies de contacto del torpedo y barón expondidorcon el suelo, debe generar cierta cantidad de calor que permitarealizar un fraguado de las paredes internas de la galera, con mayorrazón si existe contenido de arcilla en esta zona. De acuerdo aestos objetivos, se recomienda una velocidad de trabajo de 3 km/hren la construcción de los drenes, la cual es comparable a ladesarrollada por una persona caminando a tranco promedio normal.

Espaciamiento entre pasadas

El criterio para seleccionar este valor es que la superficie del sueloquede enteramente conectada a las grietas periféricas. Por lotanto, el espaciamiento seleccionado debe ser tal, que permita quelas grietas de dos pasadas consecutivas, se tradapen lateralmenteentre si, sin dejar espacios superficiales entre pasadas que noestén conectados a las grietas, como se muestra en la Figura 6.

Para praderas permanentes, se recomienda un valor de 2 m. deespaciamiento entre pasadas.

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ESPACIMIENTO EXCESIVO:

ESPACIMIENTO OPTIMO:

Profundidad de la galería

Existen tres criterios para determinar este parámetro. Por un lado,la galería debe situarse en una zona con un contenido niinimo dearcilla de un 20%. Además, no pueden ser tan profundos, ya queasí las grietas no alcanzan a conectarse con la zona radicular, y porotro lado, no pueden ser tan superficiales ya que se exponen a ladestrucción por acción del pisoteo animal.

Estos criterios dan como resultado la recomendación de unaprofundidad entre 40 a 60 cm.

6. LIMPIEZA Y AMPLIACION DE CAUCES.

En todo proyecto de drenaje, se debe analizar el cauce evacuador

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de las aguas, de manera de decidir su intervención en el caso deque su sección o condiciones de limpieza, no aseguren laconducción de los caudales adicionales que surgen de una red dedrenaje.

En algunos casos, la importancia de la intervención de los caucesnaturales es de primer orden, ya que debido a la baja densidadgeográfica, su reducida pendiente y sección transversal y su estadode embancamiento y obstrucción por vegetación, éstos no cumplencon la función de evacuar los excesos de lluvia del área, y alcontrario, constituyen un importante impedimento a esta necesidad.

Por lo tanto, dependiendo de la gravedad del problema, a veces esnecesaria la limpieza, y el aumento de la sección de conducción delos cauces naturales existentes en la zona del proyecto.

6.1 Limpieza de cauces naturales.

La labor de limpia consiste en la extracción de sedimentos y en eldespeje y retiro de toda la vegetación existente sobre el ancho decorte de los cauces, ya sean malezas, matorrales, o árboles dediverso tamaño. Esta labor se realiza sobre el lecho de los cauces,utilizando una excavadora oruga. Se recomienda utilizar laexcavadora oruga modelo 200 o 220, dado que de acuerdo aexperiencias en la zona, es la que posee un rendimientosatisfactorio en estas condiciones.

La labor de limpieza de árboles no se realiza mediante la tala, sinoque se efectúa mediante el volteo de los árboles ufilizando el brazode la excavadora, lo cual se consigue fácilmente, debido a que elarraigamiento de estos árboles en el lecho de los cauces es de tiposuperficial. Posterior al volteo de los árboles se arrastran y levantanlos matorrales y árboles derribados, utilizando el brazo y el balde dela excavadora, conjuntamente.

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De acuerdo a consideraciones de tipo económico, y a la experienciade otros proyectos similares construidos, el carguío y transporte abodega de obra o a botadero, no se realiza. El material extraído dela limpieza, solamente se acumula en montones a lo largo de laribera, separando estos montones a lo menos 5 m entre ellos, demanera de no interferir el flujo superficial hacia los cauces.

Esta faena escapa a lo convencionalmente acostumbrado para elcálculo de los rendimientos en casos de movimiento de tierra, razónpor la cual los parámetros que se usarán para este cálculo, sebasan en la experiencia y la observación de faenas.

Se distinguen tres tipos de condición para la limpieza de cauces:

Condición severa: Rendimiento = 315 m2/hr.Considera una situación de presenciade matorrales y árboles de altadensidad y árboles de gran tamaño.

Condición normal: Rendimiento = 450 m2/hr.Considera una situación de presenciade matorrales y árboles de densidadmedia, y árboles de tamaño moderado.

Condición favorable: Rendimiento = 585 m2/hr.Considera una situación de presenciade matorrales y árboles de bajadensidad, y árboles de reducidotamaño, más bien renovables.

6.2 Ampliación de cauces naturales

Para el cálculo de la excavación en cauces naturales, se debeconsiderar que existe una sección actual, la cual será ampliada.Por lo tanto, la sección de excavación corresponde a la diferenciaentre la sección futura y la sección actual del cauce.

El cálculo de las secciones y dimensiones de los cauces naturalesampliados, se rige por la misma metodología que se utiliza en elcaso de zanjas de drenaje, es decir, la fórmula de Manning.

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El valor del talud corresponde a Z = 0, ya que los cauces tienen susello en el sustrato fluviogiacial cementado, lo cual permite estetalud vertical.

Al igual que la labor de limpieza, esta labor se realiza sobre el lechode los cauces, utilizando una excavadora. También se recomiendautilizar la excavadora oruga modelo 200 o 220, dado que deacuerdo a experiencias previas, es la que posee un rendimientosatisfactorio en estas condiciones.

El material excavado en los cauces se acumulará en montones a lolargo de la ribera de los cauces, separando estos montones a lomenos 5 m entre ellos, de manera de no interferir el flujo superficialde agua hacia los cauces, de la misma manera que el materialextraído de la limpieza. De acuerdo a consideraciones de tipoeconómico, y a la experiencia de otros proyectos similaresconstruidos, el transporte a botadero de¡ material excavado no serealiza. El pretender realizarlo implicaría un altísimo costo,haciendo el proyecto económicamente no factible. Además, no hayninguna desventaja desde el punto de vista del drenaje por el hechode acumular el material excavado en los montones señalados.

La característica que determina el rendimiento de la excavadorapara la labor de excavación de cauces, es el grado de cementacióndel material presente en el lecho. Este material corresponde asustrato fluviogiacial cementado, razón por la cual poseecaracterísticas de extrema severidad en la dificultad de excavación.El rendimiento de la excavación en cauces naturales esaproximadamente 30 a 40 m3/hr.

7. DRENES EN V.

Los drenes en 'V', son zanjas que se caracterizan por poseertaludes amplios, que fluctúan entre 8 :1 y 1 0 : 1, lo cual permite ellibre tránsito de maquinaria y ganado. Es una solución adecuadaen sectores que presentan topografía ondulada, ya que permitenmantener la continuidad de los potreros y adecuarse a la topografíanatural. Además, es importante que la altura de corte sea la menorposible, para disminuir al mínimo el movimiento de tierra.

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En la figura 7, se presenta una sección transversal de dren en V.

La mayor ventaja de la construcción de drenes en 'V' es que, debidoa la amplitud de sus taludes, prácticamente quedan integrados a latopografía natural del terreno, permitiendo el libre tránsito deganado y maquinaria sobre ellos, y por lo tanto, no rompen lacontinuidad de los potreros.

Una vez que los taludes de los drenes en 'V" han sido cubiertos porvegetación de praderas, se debe mantener esta vegetación enforma permanente, por lo cual, no deben ser posteriormentecultivados,

Para el cálculo de las dimensiones de estos drenes, se aplica lamisma metodología que para cualquier zanja, utilizando la fórmulade Manning.

8. DRENES DE TUBERIA

Como se indica en la Figura 8, estos drenes consisten en unatubería de drenaje enterrado en una zanja y revestida por unmaterial filtrante.

Las principales ventajas de los drenes de tubería, son que norompen la continuidad de los potreros y su fácil mantención,razones por las cuales son los más recomendables. Sin embargo,su principal desventaja es su alto costo de construcción.

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Las tuberías de drenaje se encuentran disponibles en diversosmateriales, como plástico, (corrugado o liso), arcilla y hormigón. Aveces, en vez de la combinación tuberia envolvente, se utilizasolamente un tipo de material flitrante como piedra (botones ograva), ladrillos (liso o perforado) o materiales de origen vegetal(troncos, coligües, etc). Esta alternativa no tiene uncomportamiento tan eficiente como los tubos, pero permite reducirconsiderablemente los costos.

8.1 Diámetros y pendientes.

Es necesario tener presente que, desde el punto de vista hidráulico,existe una íntima e indisoluble relación entre caudal, diámetro ypendiente. Es posible distinguir dos casos:

Tubos lisos.

Si la tubería es lisa (arcilla o PVC liso), Salgado (1996), citando

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a Wesseling, propone la siguiente ecuación:

donde:

∅ : Diámetro de la tubería (mm).Qmax : Caudal máximo (m3/seg),S : Pendiente (%).

Tubos corrugados

Si la tubería es corrugada (PVC corrugado), Salgado (1996),citando a Wesseling, propone la siguiente ecuación:

Donde: ∅, Q max y S son los mismos de la ecuación anterior.

Con el propósito de asegurarse que los diámetros calculados seancapaces de conducir los caudales requeridos, se recomiendaincrementar los diámetros en un 15% en el caso de los colectores yen un 20% en el caso de los laterales.

Como en Chile no existen tuberías de drenaje de todos losdiámetros a que el cálculo con las ecuaciones anteriores puedeconducir, se recomienda hacer un primer cálculo para determinar eldiámetro óptimo, seleccionar luego aquel diámetro más próximoque existe en el mercado y finalmente, ajustar la pendiente al valordel diámetro seleccionado.

Los cálculos anteriores pretenden determinar la pendiente mínimaque debe darse a la línea de tubos para neutralizar la resistencianatural que ésta opone al flujo. Las pendientes más usadasfluctúan entre el 1 y el 5 por mil. La FAO suguiere una pendientemínima del 0,5 por mil. El Bureau of Reciamation de EstadosUnidos recomienda un mínimo de 1 por mil para evitarsedimentación. Otra recomendación es la que se incluye en elCuadro 5:

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Cuadro 5. Valores de diámetros de tuberías de drenaje.

Fuente: Salgado, 1996.

8.2 Envolventes

Con el objeto de mejorar el comportamiento del dren es necesariocolocar un material que cubra completamente el tubo. Los objetivosde este material son:

Aumentar el diámetro efectivo del dren.Reducir la resistencia de entrada al mismo.Filtrar el agua antes de su ingreso al tubo.

Los materiales más comunes son:Arena o gravilla fina.Materiales orgánicos (fibra, paja, turba).Materiales sintéticos (fibra de vidrio, género, geotextiles).

El material flitrante más recomendable son los de tipo pétreo(botones y gravas), ya que los materiales orgánicos como rastrojos,pajas, maderas y virutas, tienen una corta duración por sudescomposición, y provocan serios problemas de taponamiento.

8.3 Instalación de drenes de tubería

Este es uno de los aspectos más críticos que puede estarinfluyendo en el buen comportamiento de los sistemas de drenajeque se han instalado en el país. Si no existe una depurada técnicade instalación de los drenes en terreno, todo el esfuerzo que se

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pudiera haber puesto en la determinación de los parámetros ycriterios de diseño puede verse malogrado en la fase final.

La falta de maquinaria especializada para instalar tuberías dedrenaje y el uso masivo de retroexcavadoras para construir laszanjas, puede acarrear problemas de alineamiento, gradientesnegativos y eventual ruptura de las tuberías por inadecuadomanipulación.

Dada la complejidad de este problema, no existe otra solución queesta etapa sea realizado por empresas especializados y conpersonal entrenado.

8.4 Estructuras auxiliares

En drenes de tubería, es recomendable la construcción de algunaspequeñas estructuras para asegurar su óptimo funcionamiento, yevitar problemas de obturación. Principalmente, estas estructurasson las cámaras de filtración, las cámaras de inspección, y lassalidas de tubería, las cuales se muestran en las Figuras 9, 10 y 11,respectivamente

Las cámaras de filtración (Figura 9), son cámaras cilíndricas quecontienen botones, conectados en su fondo con la tubería dedrenaje. Se ubican en el punto más bajo de los depresiones conapozamientos, y permiten un rápido ingreso del agua hacia latubería de drenaje.

Las cámaras de inspección (Figura 10), consisten de una caja dealbañilería, con un fondo para la acumulación de los sedimentos delagua de drenaje. Se construyen espaciadas aproximadamente 100a 150 metros, dependiendo de la pendiente de la tubería. Permitenla inspección del funcionamiento del dren, la limpieza de lossedimentos acumulados, y la identificación de los sectores dañadospara proceder a su reparación.

Las salidas de tubería (Figura 11), se ubican en los extremos dedescarga de las tuberías de drenaje, y consisten en unrevestimiento del talud terminal de la tubería, y un pozo aquietadorpara prevenir la erosión por la descarga, y además, se protegen conla colocación de una rejilla, para impedir el acceso de roedores.

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9. DRENES INTERCEPTORES

Los drenes interceptores tienen como misión detener el flujo deagua superficial y subsuperficial que se mueve en una determinadadirección y desviarlo de la misma. Se emplean para aminorar oanular la recarga al área problema, proveniente de aportes lateralesde zonas adyacente. Es decir, el objetivo de estos drenes esindependizar el problema de la zona baja de la fuente que está enla zona alta, haciéndolo dependiente sólo de su propia recarga,

En ocasiones, un dren interceptor resuelve íntegramente elproblema de un área cuando la totalidad o una elevada proporcióndel flujo es colectado y desviado, y ésta constituye la única obra dedrenaje a realizar en el sistema.

El punto próximo al cambio de la pendiente resulta el másadecuado para la instalación de un dren interceptor. Este debecorrer siguiendo la curva de nivel, con una pendiente que asegureel desnivel mínimo para el normal escurrimiento del agua.

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Otra condición importante es la proximidad de la estrataimpermeable. En efecto, un dren que se profundice hasta esaestrata, prácticamente intercepta todo el caudal subsuperficial. Noobstante, si la altura de agua en el dren es considerable, puedeinfiltrarse a través de las paredes, pendiente abajo, un caudal queobligue a la construcción de un segundo interceptor.

Por lo tanto profundizado el dren hasta la estrato impermeable,puede lograrse una casi total detención del flujo, pero debeconsiderarse que, si la estrato se encuentra a más de cinco metrosde profundidad, esto se hace dificil, constructiva y económicamente,debiendo recurriese a la instalación de dos o más zanjas adeterminada distancia una de la otra, y siempre que las favorablescondiciones topográficas y de suelo aún se mantengan.

En la Figura 12, se muestra un esquema que muestra el efecto deldren interceptor en la disminución del nivel freático.

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10. PLANIFICACION DE CONSTRUCCION DE OBRAS

Generalmente, en un proyecto de drenaje es necesario unirarmónicamente varios tipos de obras, generándose un sistema dedrenaje.

Para la construcción de este sistema de drenaje, se debe optimizarel uso de los recursos, de manera de aprovechar al máximo laépoca cismática para la construcción, e impedir los tiempos muertosy los retrasos.

Esto se logra con una adecuada planificación, cuyo objetivo esdeterminar el stock de materiales, el parque de maquinaria y lacantidad de personal que se utilzará en cada etapa de laconstrucción.

Para obtener el programa de construcción de la obra, a la forma deuna carta Gantt, se procede con los siguientes pasos :

1) Definir los estándares de rendimiento para las diferentesactividades de construcción de obras.2) Definir el requerimiento de maquinaria y mano de obra, y laduración de cada etapa de la construcción,3) Definir el total de maquinaria y mano de obra a través del tiempo,durante la construcción de la obra.

11. MANTENCION DE OBRAS

Una vez construidas las obras de drenaje, éstas requieren de unamantención periódica.

El objetivo de una mantención es asegurar las propiedadeshidráulicas del sistema, y por otro lado, resguardar la inversiónrealizada.

Un adecuado diseño y una correcta instalación y construcción,minimizan las necesidades de mantención de las obras.

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Mantención de zanjas

Se requieren realizar las siguientes labores de mantención:- Limpieza de sedimentos del sello.- Corte de vegetación de taludes y bermas.- Reparación de cercos.

Se recomienda efectuar estas labores previamente a la época delluvias, durante el período estival, con una frecuencia de una vezpor temporada.

Mantención de cauces naturales

Se requieren realizar las siguientes labores de mantención,

- Limpieza de sedimentos del fondo.- Limpieza de restos de materiales y árboles acumulados en lasección del cauce.- Eliminación de malezas acuáticas.

Se recomienda realizar estas labores durante la época de estiaje,correspondiente normalmente a la primera quincena de marzo, conuna frecuencia de una vez por temporada.

Mantención de drenes de tubería

No obstante el uso de material filtrante, con el transcurso deltiempo, los drenes subterráneos disminuyen su eficiencia. Estopuede deberse a :

a. Sedimentación de materiales finos del suelo (arena fina y limo).b. Obstrucción por raíces de los cultivos (esta situación es másfrecuente en cultivos permanentes).c. Obstrucción por depósitos químicos (óxidos de Fierro no soluble).

El mantenimiento consiste entonces en la eliminación de talesdepósitos mediante:

a. Raspado (mediante escobillas accionados en forma manual omecánica).b. Lavado con agua a alta presión (bomba inyectora).c. Empleo de anhidrado sulforoso (gas). Permite la remoción deóxidos férricos no solubles al transformarlo en un compuestoferroso soluble.

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