UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOMAS DE ZAMORA FACULTAD DE INGENIERÍA Y CIENCIAS AGRARIAS

CÁTEDRA DE HIDROLOGÍA AGRÍCOLA

APUNTES DE NIVELACIÓN AREAL Ing. Víctor NEGRO Marzo de 1998.

Página Nº 2

1 Nivelación areal para Riego y Drenaje:

1.1 Definición: Nivelación de terrenos: “Es modificar el relieve natural de la superficie de un terreno,

para lograr una pendiente uniforme, según se haya planeado previamente; esto con el fin de conseguir una aplicación eficiente del agua de riego”. El diseño de una parcela de riego requiere, en los sistemas de riego por gravedad, de una sistematización previa para obtener una pendiente uniforme, de acuerdo con el objetivo del proyecto. De esta manera será distinto considerar una parcela para riego por surcos, por amelgas, con o sin pendiente, entre otros. El destino de la parcela puede influir sobre su ancho (ej.: parcelas anchas destinadas al pastoreo de forrajeras), la textura del suelo también tiene su importancia (texturas gruesas obligan a diseñar parcelas más cortas para evitar excesivas pérdidas que se producen en las cabeceras).

1.2 Criterios: La nivelación de terrenos depende de clases de suelos, pendientes, clima, cultivo,

método de riego y proyección futura del agricultor. Los suelos superficiales suponen varias restricciones a la profundidad de excavación

que permiten, más aún cuando son de topografía ondulada o de fuerte pendiente. El clima impone límites especialmente en lo referente a pendiente para prevenir

problemas de erosión por efecto de lluvias. El cultivo es importante ya que determina el tipo de sistema por gravedad a utilizar y por lo tanto nos dará una idea de los movimientos de suelo involucrados. También el tipo de cultivo está relacionado con la intensidad de cultivo y por consiguiente, la justificación o no del costo de nivelación (período corto de vegetación menor justificación).

Antes de proyectar la nivelación, es conveniente la planificación parcelaria del sistema de riego, a los efectos de que queden ubicados perfectamente los linderos de la propiedad, abastecimiento del agua de riego, desagües, caminos, etc. El proyecto de nivelación deberá indicar las zonas de préstamo o zonas de vertido del material sobrante.

El caso más frecuente, en la práctica de riego para nivelar, es aquel que permite hacer movimiento de tierras con pendiente uniforme en dos direcciones. Otros casos podrían ser también: el de pendiente uniforme en una dirección y cero en la otra, o pendiente cero en ambas direcciones (siempre que las pendientes naturales así lo permitan). Estas últimas se justifican cuando sea económica la nivelación a cero.

1.3 Levantamientos topográficos previos: Para la planificación de un sistema de riego gravitacional, es necesario contar con un

plano en el cual figuren las dimensiones del predio y las correspondientes curvas de nivel. Para ello es necesario concretar un levantamiento plani-altimétrico, por cualquiera de los métodos convencionales. En el caso que se lleve a la práctica en forma inmediata la nivelación, el método de levantamiento más práctico en este caso, sería el de “cuadrícula”, ya que éste mismo puede ser utilizado en la construcción.

Este procedimiento, denominado “Nivelación Areal”, no es más que un relevamiento altimétrico donde la parte planimétrica se basa en un estacado del campo en forma de cuadrícula a una distancia que suele variar entre valores de 25 a 50 metros. Esta variación depende de las condiciones del terreno, de tal manera que si este es irregular en su topografía se elige 25 m.; a veces se puede escoger una mayor separación, debido al costo del estacado.

Página Nº 3

1.4 Especificaciones: Premisas para el diseño del proyecto de nivelación:

a) En la medida de lo posible, establecer un “plano” que se ajuste al terreno natural y así tener un movimiento de tierras que sea mínimo.

b) Dicho “plano” (Plano Proyecto), deberá apoyarse y pivotar en un punto que se corresponde con el centroide de la figura del terreno y cuya cota será el promedio de todas las del terreno en estudio.

Condiciones especiales:

• Tolerancia = 1cm x √ Km. • Cuadrícula estacada en el terreno. • Relevamiento apoyado sobre dos líneas bases perpendiculares y dos líneas paralelas a

cada eje. • Máximo corte no supere 0,30m (suelo agrícola) • Volumen de corte > 1,30 al de relleno (suelos pesados)

y > 1,20 al de relleno (suelos ligeros)

1.4 Proyecto y Ejecución: El primer paso es la colocación de las estacas. Para ello conviene recurrir a estacas

de 1 m. de largo, nuevas en lo posible. Debemos contar con jalones altos, masa y un nivel. Nos ubicamos en el campo y a lo largo de un alambrado recto o sino por el medio del campo, trazamos una línea base. La misma se traza con nivel, colocándolo en un extremo y alineando con él a los colocadores de estacas.

Es importante que esta línea esté bien hecha pues es la base de la nivelación. Luego hacemos otra línea de estacas, paralela a la anterior, para ubicar el primer punto perteneciente a esta línea podemos girar 90 grados el anteojo y alineamos con él a una persona que va en esa dirección con una cinta del largo que debe haber entre estacas. Una vez materializado este punto hacemos estación en él y enfocamos hacia la estación anterior, luego giramos 90 grados y ya estamos sobre la línea paralela a la anterior. Hacia la mitad del largo total, debemos materializar dos líneas de estacas paralelas entre si y perpendiculares a las anteriores. El mecanismo es similar al ya comentado.

Debe tenerse en cuenta que las distancias a medir con cinta solo se hacen necesarias para las líneas bases. Además deben medirse solo distancias horizontales, por ese motivo si el terreno es irregular (“sube” o “baja” ), debemos levantar la cinta buscando la distancia horizontal. El resto de las estacas se colocarán a “ojo”, alineándolas con las de la línea base. Por ejemplo, para ubicar la 4a basta con alinearse con la 1a y 2a y por otro lado con la 4c y 4d. ___________________________________________________ 1a � 1b � 1c � 1d � 1e � 1f � 2a � 2b � 2c � 2d � 2e � 2f � 3c � 3d � 4a � 4c � 4d �

Esto requiere de cierta práctica, pero es importante observar que podemos cubrir todo el predio con este método; pero se deben cumplir algunos requisitos:

Página Nº 4

a) el campo debe estar rastreado (sino no se ven las estacas y se dificulta el posterior emparejamiento)

b) las estacas deben ser todas altas y nuevas en lo posible, pues así se verán desde lejos. c) cuando se alinea, el sol debe estar a espaldas del observador, resaltando perfectamente

las estacas con las que uno se ubica.

Una vez colocadas todas las estacas se procede a la nivelación, partiendo de un punto de cota conocida o arbitraria, como lectura atrás y leyendo todas las estacas a menos de 200m de la estación. Se hace luego lectura adelante de un punto de la periferia y cambiando a otra estación se lee atrás, se prosigue así hasta volver al punto inicial.

Con los valores de cota se confecciona un plano donde cada estaca irá con su correspondiente valor de cota, con este se podrá confeccionar las curvas de nivel correspondientes.

Con las curvas de nivel, la textura de suelo, el sistema de riego a utilizar, los cultivos a los que se destinará el riego y otros elementos más, se procederá a diseñar las parcelas de riego, los canales de riego y los drenes.

Con los datos anteriores tendremos trazados en el plano los canales de riego y las parcelas, de manera que solo nos queda calcular el movimiento de tierra que necesitará cada una.

1.5 Métodos de diseño del plano proyecto: Consideraciones importantes a la hora de diseñar el Plano Proyecto: 1)Cálculo de las pendientes del plano proyecto:

a) Seleccionadas previamente (No se calculan)

b) Cálculo de pendientes:

Varios métodos :

• pendientes promedio, o gráficos

• mínimos cuadrados. 2)Localización de la altura del plano proyecto, para evitar excesos de tierra en corte, con respecto a los de relleno :

Esto se puede lograr por varios métodos, el más preciso para eso es el de apoyar el plano sobre el centroide. Se define como centroide al punto de aplicación de la resultante de toda el área, es decir al baricentro de la misma.

Cuando se quiere hacer un proyecto que, desde el punto de vista económico, sea racional; es indispensable calcular las pendientes de modo de ajustarlas lo más posible a las condiciones naturales del terreno. Para garantizar el mínimo movimiento de suelo, el método que seguiremos para calcular las pendientes, es el de Mínimos Cuadrados. A pesar que existen otros métodos, ninguno de ellos garantiza la exactitud de cálculo como el nombrado al comienzo. La condición fundamental para aplicarlo es que las estacas estén a igual distancia entre ellas y colocadas en un reticulado ortogonal.

1.5.1 Método de los Mínimos Cuadrados, para el cálculo de las pendientes de proyecto.

Este debe ser el método de elección si se desea trabajar con cierta certeza, pues los demás son poco exactos. Con este método, se define un plano con pendiente en 2 direcciones; cuyo punto medio (centroide y ubicado en el centro de gravedad del plano),

Página Nº 5

tiene cota igual al promedio de las cotas de todos los puntos nivelados y las pendientes están calculadas de tal forma que se minimizan los desvíos que tienen las cotas de los puntos relevados con respecto a estas rectas de pendiente. Para aclarar su utilización desarrollaremos un ejemplo: Los límites de esta parcela podrían ser otras parcelas ó alambrados. La cota del centroide es el promedio de todas las cotas y constituye nuestra primera cota proyecto. La fórmula a aplicar para obtener las pendientes de mínimo movimiento de tierra, corresponden una al eje “X” y otra al eje “Y”.

Σ

Σ

Z Xn

Z X

Xn

X

m m

m

⋅− ⋅

−2

2

Superficie: 0has 82a 3ca Alambrado Y 10,20 A1 10,40 A2 10,30 A3 10,35 A4 41,25 10,31 10,22 R2 10,3 C10 10,38 R8 10,46 R11 R1 C11 R7 R10 10,20 B1 10,25 B2 10,50 B3 10,20 B4 41,15 10,29 10,15 C5 10,23 C2 10,31 C19 10,39 R19 C6 C3 C20 R18 X 10,22 10,10 C1 10,15 C2 10,30 C3 10,30 C4 40,85 10,21 10,08 C2 10,16 R1 10,24 C6 10,32 R2 C3 C7 R1 9,80 D1 10,00 D2 10,20 D3 10,30 D4 40,30 10,08 10,01 R21 10,09 R9 10,17 C3 10,25C5 R20 R8 C4 C6 40,3 40,8 41,3 41,15 163,55 X 10,08 10,20 10,32 10,29 C = 10,22 Eje X: X Z Z.X X² n = 4 0 10,08 0 0 1 10,20 10,20 1 2 10,32 20,64 4 3 10,29 30,87 9 � = 6 40,89 61,71 14

Página Nº 6

aplicando la fórmula: 61,71 - 10,22 . 6 4 4 = 0,08m/25m 14 - (6)² 4 4 Eje Y: X Z Z.X X² n = 4 0 10,31 0 0 1 10,29 10,29 1 2 10,21 20,42 4 3 10,08 30,24 9 � = 6 40,89 60,95 14 aplicando la fórmula: 60,95 - 10,22 . 6 4 4 = - 0,07m/25m 14 - (6)² 4 4

Cuando los valores de pendiente son positivos, quiere decir que la misma crece en el sentido de numeración de las estacas. Observamos ambas situaciones en el ejemplo. El valor de pendiente que arroja este método sería: “metros u otra unidad de desnivel cada tantos metros u otra unidad de separación entre lecturas (aquí 25m.)”.

Este valor corresponde al mínimo movimiento de tierra necesario para emparejar. Si

éste coincide con el valor de pendiente que se desea obtener para ese suelo y ese sistema de riego, se deja; de lo contrario se le impone al terreno una determinada pendiente.

El paso siguiente consiste en trasladar la cota del centroide hacia alguna estaca cercana. Originalmente se encuentra en el centro geométrico de la parcela. Para poder ubicarlo en la estaca B2 debemos correr el centroide tantos centímetros como indique la escala del plano. En el caso del ejemplo 1 cm hacia la izquierda (equivale a restarle 2cm de cota, pues 4cm del plano equivalen a 25m en el terreno cuyo desnivel en esa longitud es 8cm/25m hacia la derecha) y 1,5cm hacia arriba (sumamos en consecuencia 3cm a la cota anterior por un razonamiento similar). Ejemplo: 4cm = 1,5cm X = 2,6cm o sea 3cm. 7cm X La cota proyecto de la estaca B2 es entonces 10,23.

A partir de allí se le irá agregando hacia arriba 7cm y 8cm hacia la derecha y restando cuando voy en dirección contraria. De la composición de ambas cosas obtengo la cota

Página Nº 7

proyecto del resto de las estacas. Luego resto la cota del punto de la cota proyecto y obtengo un valor de Corte o de Relleno, que se expresa en cm.

Cada estaca está representando una determinada superficie que no es igual en todos los casos. Por ejemplo A1 domina una superficie de 25m x 25m, o sea 625m² (100%); A4 domina en cambio 25m x 12,5m o sea 313m² (50%), D1 domina una superficie de 469m² (75%) y por último estaría D4, con una superficie de 234 m² (37,5%). De manera que 1cm de corte en la estaca B3 (de influencia igual a 100%), representan en realidad 0,01m x 625m², es decir 6,25m3 de movimiento de tierra.

1.6 Cálculo del Volumen de Movimiento de suelo: Para calcular el volumen total de Corte y Relleno , sumamos primero todos los

centímetros de corte que pertenezcan a estacas de 100% de influencia, aclarando en un costado cuantas son ellas. Luego seguimos con por ejemplo, los centímetros de corte de 75% y a esta suma la multiplicamos por 0,75. En todos los casos se debe aclarar el número de estacas que forman el grupo. Continuamos hasta completar los cortes y sumamos el total, que multiplicado por 625m², dos da el valor total de corte. Ejemplo:

A1+A2+A3+B1+B2+B3+C1+C2+C3 (100%) = 10+5+2+19+2+6 =44cm D1+D2+D3 (75%) = 3 . 0,75 = 2,25 = 2cm A4+B4+C4 (50%) = 0 = 0 = 0cm D4 (37,5%) = 5 . 0,375 = 1,875 = 2cm 48cm

Por un procedimiento similar se obtienen los rellenos, que sumarían un total de 50 cm. Al llegar a este punto debemos aclarar, con referencia a la relación: corte relleno que esta debe tener un valor superior a uno, debido a que la tierra para relleno ocupa un lugar (un volumen) menor que la misma antes del corte, por el “asentamiento” que requiere. Dicho valor, que podría ser de 15 a 25% en zonas de suelo suelto, crece con la profundidad del relleno y además con las texturas finas (hasta un 30%).

Volviendo al ejemplo, si hiciésemos la relación mencionada, nos daría menor al número esperado. Para aumentar el monto de cortes, bajamos la cota del centroide, con lo cual llevamos el plano imaginario de corte hacia abajo. Cómo se logra ésto?. A los centímetros de corte se le suman los que resultan de agregar a cada estaca de corte, la cantidad de centímetros que hemos bajado el centroide, teniendo precaución de sumar el porcentaje que corresponda a cada estaca. Hacemos la misma cuenta, pero restando, para el relleno. Luego probamos nuevamente la relación. Si nos hemos excedido reducimos la cantidad de centímetros y repetimos la operación. Volviendo al ejemplo, se puede comprobar que el descenso en 1cm del centroide, basta para llevar la relación a: 55 = 1,25 44

Se vuelcan, entonces, los datos nuevos en la planilla, junto con el movimiento total de tierra de la parcela y por hectáreas.

Para saber si es conveniente el emparejamiento, observamos el volumen de movimiento de tierra por hectárea (volumen de corte solamente y no la suma de corte más relleno). Si éste excede en mucho los 500 m3/ha, resultará demasiado oneroso.

Página Nº 8

En este caso el movimiento sería de 0,55m . 625m² = 343,75m3 totales. Por hectárea sería 343,75m3 : 0,82 ha = 419,21m3 , o sea un movimiento moderado.

Este cálculo, que hemos desarrollado, se repite para cada parcela. Tendremos entonces un plano con los cortes o rellenos que corresponden a cada estaca. Con este material podemos empezar a trabajar en el campo proveyendo entonces al tractorista con un plano donde figure claramente la ubicación de la zona de estacas con corte y relleno . Trabajo Práctico: Calcular los Volúmenes de Movimiento de Tierra

Página Nº 9

Apoyo Informático: Ing. Victor NEGRO