4.3. OBRAS DE ALMACENAMIENTO

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1 4.3. OBRAS DE ALMACENAMIENTO Las obras de almacenamiento captan el flujo superficial y lo almacenan temporalmente para descargarlo hacia aguas abajo durante tiempos más prolongados disminuyendo los caudales máximos en relación a los que provocaría la tormenta sin ellas. Son muy efectivas en lograr reducir los gastos máximos pero no tiene efecto sobre el volumen total de escorrentía, ya que sólo la postergan temporalmente. Se recomienda emplearlas cuando no se dispone de capacidad de infiltración en el suelo, o cuando los volúmenes de regulación necesarios son importantes. Requieren de aguas relativamente limpias para evitar la acumulación de basuras y su descomposición mientras el agua está almacenada. Además necesitan espacios generosos. Si se considera en términos estrictos prácticamente todas las obras alternativas necesitan un cierto volumen de almacenamiento. Se denominan entonces como obras de almacenamiento las que sólo actúan de esta forma, sin capacidad de infiltración de las aguas que reciben. Presentan como ventaja su gran efectividad en reducir los caudales máximos y la posibilidad de emplearlas para otros fines, especialmente recreativos. Como desventaja están las necesidades de espacio. Como obras de almacenamiento se consideran estanques y lagunas. En ambos casos se trata de obras superficiales, construidas sobre la superficie del terreno, aguas abajo de la zona a la cual sirven, de la cual reciben las aguas lluvias que escurren superficialmente o conducidas mediante colectores locales. Los estanques están normalmente vacíos y se llenan de agua sólo durante las lluvias. Las lagunas están normalmente llenas de agua y se ocupa la parte superior para almacenar aguas lluvias. En ambos casos se puede hablar de almacenamiento concentrado o difuso, dependiendo de las alturas de agua con que operen. Estas obras pueden operar en serie hidráulica con otras obras alternativas, como es el caso de obras de infiltración, o canales de drenaje urbano. De esta manera pueden emplearse como elementos de almacenamiento para alimentar con caudales reducidos obras de infiltración como zanjas, pozos o estanques de infiltración, evitando que estos dispongan de grandes volúmenes de retención para acomodar los gastos que reciben a los que pueden infiltrar. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 275

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3 ESTANQUES DE RETENCIÓN a. Descripción. Los estanques de retención se diseñan de manera que se vacíen totalmente después de un periodo relativamente corto una vez que pasa la tormenta y por lo tanto la mayor parte del tiempo se encuentran vacíos o secos. Se trata de una adaptación de los embalses de control de crecidas, con elementos que permiten su empleo en zonas urbanas. Estos estanques se consideran del tipo secos ya que, en general, no tienen una zona permanentemente llena de agua, y si la tienen, es de tamaño reducido. El objetivo fundamental de estos estanques es reducir los caudales máximos hacia aguas abajo. Se supone que si bien eventualmente pueden capturar cantidades significativas de sedimentos, estos deben ser retirados posteriormente a su decantación de manera de mantener habilitado el volumen de retención de diseño y poder emplear la mayor parte de la superficie del estanque con otros fines durante el periodo entre tormentas. Desde el punto de vista público son también importantes estos fines secundarios, de manera que en el diseño es indispensable prestar especial atención a los elementos relacionados con el paisajismo y los otros usos. Son alimentados de aguas lluvias que han escurrido por techos, calles, estacionamientos, conjuntos residenciales, áreas comerciales e incluso áreas industriales. Pueden ser empleados como parte o en conjunto con otras obras alternativas de control de aguas lluvias en zonas urbanas. Frente a los cinco objetivos básicos propuestos para las obras alternativas de drenaje urbano el comportamiento de los estanques de retención es el siguiente: Disminuyen el caudal máximo Disminuyen el volumen escurrido Permiten otros usos alternativos Recargan la napa de agua subterránea Mejoran la calidad del efluente El principal efecto corresponde a la regulación de la crecida que se traduce en una disminución del caudal máximo a la salida del estanque en comparación con el que llega a él, lo que se logra colocando el estanque de retención a la Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 277

4 ESTANQUES DE RETENCIÓN salida de una urbanización, como se ilustra gráficamente en el esquema de la Figura Figura : 1.- Manzanas de la zona urbanizada, 2.- Área verde, 3.- Red interior de drenaje (opcional), 4.- Estanque de retención, 5.- Conexión a la red general de drenaje. Estos estanques están formados por una serie de elementos básicos cuya disposición general se ilustra en la Figura Figura : Esquema de los elementos principales de un estanque de regulación. 1.- Entrada, 2.- Disipador de energía (opcional), 3.- Sedimentador (opcional), 4.- Zona compatible con otros usos, 5.- Canal de flujos bajos, 6.- Zona inferior, 7.- Obra de descarga, 8.- Vertedero de seguridad, 9.- Conexión a red de drenaje. Las fotografías siguientes ilustran ejemplos de estanques de retención en Estados Unidos. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 278

5 ESTANQUES DE RETENCIÓN Figura : Ejemplo de estanque de retención como parque a lo largo de una calle, Fort Collins, E.E. U.U. Figura : Estanque de retención de un sólo nivel en Fort Collins, Colorado, EE.UU. Figura : Estanque de retención con un muro vertical en Fort Collins, E.E.U.U. Las figuras siguientes ilustran ejemplos adicionales de estanques de retención en Estados Unidos y en Francia. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 279

6 ESTANQUES DE RETENCIÓN Figura : Estanque de retención en Liourat, Francia. Los gastos menores pasan por un ducto subterráneo (3) bajo la cancha. Figura : Estanque de retención en Denver, EE.UU. con canchas y estacionamientos. Figura : Estanque de retención en un parque de Chicago, EE.UU. usado como área de recreación. Los flujos bajos pasan por un desvío lateral subterráneo (3). Figura : Estanque de retención en Chemin de Cleres, Francia, construido en una hondonada cubierta de pasto. b. Ventajas e inconvenientes. Además de reducir los caudales máximos y de mejorar la calidad de los efluentes, pueden diseñarse de manera de proporcionar beneficios adicionales por otros usos. Entre ellos se puede Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 280

7 ESTANQUES DE RETENCIÓN considerar el aprovechamiento de espacios abiertos para recreación y paisajismo. Como una ventaja adicional al control de crecidas la retención del agua lluvia durante tiempos prolongados en el estanque, del orden de 12 a 36 horas, puede tener efectos deseables en la calidad del efluente, debido a que la remoción de sólidos suspendidos y metales puede ser de moderada a alta, mientras la remoción de nutrientes es de moderada a baja. Si en el diseño se considera una pequeña zona con una laguna permanente se hace más eficiente la remoción de contaminantes solubles, así como también si se considera una canalización para flujos menores. El principal actor para controlar la remoción de contaminantes es el tiempo de vaciamiento proporcionado por el diseño de los elementos de evacuación. Metales, grasas, aceites y algunos nutrientes, tienen afinidad por los sedimentos suspendidos de manera que son removidos parcialmente por sedimentación. Debido a que son diseñados para vaciarse lentamente, sus fondos y las partes más bajas son inundados frecuentemente y por periodos de tiempo relativamente prolongados, dependiendo de la frecuencia de lluvias en el lugar. En estas zonas frecuentemente inundadas los pastos tienden a morirse, prevaleciendo especies que pueden sobrevivir a estas condiciones. Adicionalmente el fondo es el depósito de todos los sedimentos que precipitan en el estanque. Como resultado el fondo puede estar barroso y presentar apariencias indeseadas. Para reducir estos inconvenientes y mejorar la capacidad del estanque para otros usos, como recreación pasiva, se sugiere considerar un sector reducido más profundo, o poner este tipo de estanques aguas abajo de una laguna de retención, en la cual la sedimentación ocurre al interior de la zona permanentemente con agua. c. Procedimiento de diseño. El procedimiento de diseño para este tipo de obras considera tres etapas. Un análisis de factibilidad de la obra de acuerdo a las condiciones locales, en segundo lugar el dimensionamiento de los elementos principales y finalmente el diseño de los elementos de detalle. A continuación se plantea lo que debiera considerarse en cada una de estas etapas para el caso de un estanque de retención. Factibilidad. En base a los antecedentes que consideran las condiciones climáticas, las características del suelo, la existencia de agua subterránea, las propiedades de la urbanización, incluyendo la disponibilidad de espacio, sus destinos y tipo, así como el comportamiento esperado de los usuarios y vecinos, se debe decidir si es conveniente recurrir a un estanque de retención para amortiguar el efecto de las aguas lluvias. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 281

8 ESTANQUES DE RETENCIÓN Para decidir la factibilidad del estanque de retención reúna los siguientes antecedentes: Plano de ubicación de la obra, en el cual se indiquen la comuna, calle y número si corresponde o su relación a calles cercanas. Límites de las áreas aportantes de agua, ubicación del estanque y sector al cual rebasa. Certificado de la municipalidad respectiva en el cual se indique que el emplazamiento del estanque no presenta inconvenientes de acuerdo al Plano Regulador Comunal para el uso del suelo con esos fines. Certificado del SERVIU indicando las condiciones de descarga y evacuación hacia aguas abajo autorizadas para el estanque en ese lugar. Deberá indicarse si se autoriza alguna de las siguientes posibilidades: a) descarga a una zona con red de drenaje desarrollada, b) descarga a una zona sin red de drenaje desarrollada, c) Limitaciones de descarga según capacidad a determinar por el proyectista. Como toda obra de infraestructura el emplazamiento del estanque requerirá de los espacios necesarios para su construcción. La autorización para el uso del suelo con estos fines deberá requerirse del propietario respectivo cuando este no sea el ejecutor de la obra. El permiso deberá gestionarse según el caso ante el particular o la autoridad pública o fiscal. Dimensionamiento. El dimensionamiento de los estanques de retención y de sus elementos principales requiere disponer de las características del terreno y del suelo base, así como también de estudios hidrológicos e hidrogeológicos. Además de los antecedentes mencionados en la Factibilidad para el dimensionamiento el proyectista reunirá los siguientes: Plano a una escala adecuada en el que se muestren las superficies que drenan al estanque y la naturaleza de cada una. Cuadro de superficies, con indicación de áreas y coeficiente de escorrentía de cada tipo, (techos, pavimentos impermeables, porosos, áreas verdes con y sin vegetación, calles, veredas y otros). Precipitación máxima de 24 hrs. de duración y 10 años de período de retorno según la D.G.A. (1991). Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 282

9 ESTANQUES DE RETENCIÓN Con los antecedentes mencionados se abordarán los siguientes aspectos: Hidrología. Estimar los gastos máximos de las crecidas de periodo de retorno entre 2 y 200 años afluentes al lugar, tanto en condiciones naturales como totalmente urbanizadas. Se requiere conocer el uso del suelo, las características de las lluvias, la topografía del sector, y el proyecto de urbanización. Terreno. Disponibilidad de espacio, elementos de la red de drenaje natural del sector. Existencia de redes de colectores hacia aguas abajo. Límites de la zona y el comportamiento de las aguas lluvias que pueden llegar por escurrimiento superficial. Estimar la capacidad máxima de descarga o evacuación del sistema hacia aguas abajo, la forma en que se realizará la descarga y sus efectos. Volumen del estanque. Con los antecedentes disponibles se procede a determinar el volumen de almacenamiento necesario del estanque. Se determinan los volúmenes del nivel inferior y el superior. Establecer las cotas de fondo de cada nivel así como de los umbrales de los elementos de descarga, evacuación y entrada. Hacer un diseño en planta del estanque que considere los volúmenes mencionados de acuerdo al espacio disponible y los usos que se le darán a los terrenos adicionales al control de aguas lluvias. Establecer las curvas de volumen almacenado y de área inundada en función de la altura de agua en el estanque. Descarga. Seleccionar un diseño para el elemento de descarga y proceder a su dimensionamiento para la crecida de diseño. Seleccionar un diseño para el evacuador de crecidas y proceder a su diseño. Determinar la curva de descarga en función de la altura de agua en el estanque, considerando ambos elementos. Verificación de los volúmenes de almacenamiento necesarios procediendo a realizar un rastreo de las crecidas de diseño de los elementos de vaciamiento, descarga y evacuación, con las propiedades disponibles. Realizar los cambios necesarios en los elementos de descarga y evacuación. Diseño de detalle. El diseño de detalle normalmente se traduce en los planos para la construcción de la obra y todos sus elementos complementarios. En esta etapa se debe proceder al diseño y dimensionamiento de las obras auxiliares como son la de entrada y su disipador de energía, si es necesario, el desarenador, el canal de flujos bajos y su entrega a la zona inferior, los muros del estanque, los caminos de acceso para la mantención del estanque y su Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 283

10 ESTANQUES DE RETENCIÓN operación, la colocación de barandas, rejas, letreros. También debe considerarse la vegetación, necesidades de plantación, el riego y otros requisitos. Además deben agregarse todos los elementos necesarios para el empleos del lugar con propósitos múltiples como recreación, paisajismo, deportes. d. Factibilidad y Condiciones generales. Normalmente el espacio requerido para este tipo de estanques es aproximadamente entre un 0,5 a un 2 por ciento del total del área aportante. Pueden instalarse en cualquier tipo de suelos, pero ello debe considerarse en el diseño. Aunque el suelo tenga capacidad de infiltración esas propiedades se verán alteradas una vez que opera el estanque de manera que pueden considerase nulas en el largo plazo. Similarmente los niveles altos de agua subterránea tampoco afectan la selección de este tipo de estanques, aunque ello debe considerarse en las condiciones de diseño. En el caso de zonas con niveles de agua subterránea muy altos es mejor considerar una laguna de retención que puede tener su fondo bajo estos niveles permitiendo manejar zonas permanentemente con agua. Los costos de construcción de estos estanque pueden ser prohibitivos si es necesario realizar grandes excavaciones. Se requieren ensayos de suelos y la confección de calicatas para verificar las condiciones del subsuelo. Es preferible instalarlos en pequeñas depresiones, o en el inicio de quebradas o elementos menores del sistema de drenaje natural. Como volumen de amortiguación de crecidas de aguas lluvias urbanas en estos estanques se emplea principalmente el que queda sobre el umbral del elemento de descarga, el cual debe diseñarse de manera que sea capaz de evacuar los caudales máximos regulados y entregarlos al sistema de drenaje hacia aguas abajo de manera segura. Además debe proveerse de un vertedero de seguridad para caudales grandes con una revancha o borde libre que evite el vertido del agua por sectores no preparados para ello, evitando las fallas catastróficas. Debe considerarse la forma en que se evitará que una vez construida la obra le lleguen aportes adicionales de cuencas laterales, por la urbanización de sectores ubicados aguas arriba o por trasvases desde otras urbanizaciones. e. Dimensionamiento. Determinación del tamaño del estanque y los elementos principales. Los volúmenes comprometidos en un estanque de retención así Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 284

11 ESTANQUES DE RETENCIÓN como los niveles de las principales obras en relación a ellos se ilustran en la Figura Figura : Volúmenes de almacenamiento: V1.- Crecidas frecuentes, V2.- Crecidas menores, V3.- Crecidas medianas, V4.- Crecidas mayores. Niveles: 1.- Fondo del estanque, 2.- Umbral de la cámara de descarga, 3.- Umbral del vertedero de seguridad, 4.- Muros del estanque. La Figura muestra un esquema en planta de los elementos que deben considerarse en el diseño de un estanque de retención y la relación que cumplen entre ellos, y en la se muestra un perfil que permite apreciar los niveles de cada elemento en relación a las principales dimensiones del estanque. Figura : Disposición en planta de los elementos típicos de un estanque de retención: 1.- Entrada, 2.- Disipador de energía (opcional), 3.- Zona de sedimentación, (opcional), 4.- Canal para flujo menores, 5.- Zona del nivel superior, para otros usos, 6.- Zona del nivel inferior, para tormentas frecuentes, 7.- Cámara de descarga, 8.- Ducto de descarga y vaciamiento, 9.- Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 285

12 ESTANQUES DE RETENCIÓN Vertedero de seguridad, 10.- Salida, 11.- Acceso mantención, 12.- Muro de tierra. Figura : Elementos en el perfil longitudinal del estanque: 1.- Entrada, 2.- Disipador de energía, 3.- Sedimentador, 4.- Separador de la zona de sedimentación, 5.- Canal de flujos bajos, 6.- Zona superior, 7.- Zona inferior, 8.- Cámara de descarga, 9.- Vertedero de seguridad, 10.- Muro principal, 11.- Entrega a la red de drenaje. Geometría del estanque. La forma en planta del estanque debiera considerar una expansión gradual desde la zona de entrada del flujo y una contracción hacia la salida, de manera de evitar el efecto de cortocircuito del flujo en condiciones de diseño. La razón entre el largo del estanque y el ancho máximo no debe ser menor de 2, y cuando sea posible al menos del orden de 4. Diseño en dos niveles. Se recomienda un diseño con dos niveles del estanque de manera que una parte de él, más profunda, se llene frecuentemente, con lo que se logra minimizar las veces que el agua permanece tiempos prolongados sobre todo el terreno ocupado por el estanque, así como el depósito de sedimentos en todas partes. El nivel superior debe tener profundidades del orden de 0,5 a 1,5 metros con su fondo en pendiente del 2% hacia un canal para flujos bajos. El nivel inferior debe estar 0,4 a 1,0 metros más profundo que el anterior y ser capaz de almacenar del 10 al 25% del volumen mínimo de regulación necesario para la crecida de diseño. Las Figuras y muestran ejemplos de diseño de estanques de uno y de dos niveles. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 286

13 ESTANQUES DE RETENCIÓN Figura : Ejemplo de un estanque de un sólo nivel, con el canal para flujos menores diseñado por un costado, de manera de maximizar la superficie destinada a otros usos. A.- Nivel de descarga, B.- Nivel de vertido, C.- Nivel de coronamiento de los muros. Figura : Ejemplo de un estanque de retención de dos niveles con el canal para flujos bajos por el centro y la zona inferior junto a la cámara de descarga. A.- Nivel máximo de la zona inferior, B.- Nivel de descarga, C.- Nivel del vertedero, D.- Coronamiento de los muros. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 287

14 ESTANQUES DE RETENCIÓN Usos múltiples. Cuando sea posible es conveniente destinar los espacios ocupados por estos estanques a otros fines, como es la recreación pasiva o activa, o hábitat de vida silvestre. Cuando se considere la recreación es indispensable un diseño en dos niveles, así como limitar la inundación del nivel superior a pocas ocurrencias durante un año ( por ejemplo no más de dos en promedio). Generalmente el área ocupada por el volumen mínimo no es recomendable que se emplee para recreación activa, como canchas deportivas, zonas de juegos infantiles o picnic. Incluso esta parte del estanque puede estar frecuentemente llena de agua durante la temporada de lluvias. Área aportante y coeficientes de escurrimiento. El área impermeable equivalente aportante de la cuenca que drena hacia el estanque se calcula como la suma de las áreas de cada tipo ponderadas por el coeficiente de escurrimiento que les corresponda, de acuerdo a las recomendaciones de la Tabla Para el conjunto conviene calcular un coeficiente de escorrentía como esta suma ponderada dividida por el área total, considerando tanto la situación original previa a la urbanización como la totalmente desarrollada, con el máximo de superficies impermeables, al final del plazo de previsión o de la vida útil de la obra. Tiempo de concentración. Para seleccionar lluvias de diseño adecuadas es necesario conocer el tiempo de concentración de la cuenca. Este se puede estimar con alguna de las relaciones propuestas en la Tabla , seleccionando la que mejor represente las condiciones del lugar. Se debe estimar un tiempo de concentración de la cuenca aportante en condiciones naturales, o previas al proyecto, y otro en condiciones de máximo desarrollo futuro para el fin del plazo de previsión o vida útil de la obra. Lluvias de diseño. Para dimensionar los volúmenes del estanque y los elementos de entrada, vaciamiento, descarga y vertido hacia aguas abajo es necesario conocer las propiedades de las crecidas que llegan al estanque. Para ello se seleccionan lluvias de diferentes periodos de retorno. Se recomienda emplear las siguientes para los diferentes elementos a dimensionar: Si hacia aguas abajo existe un sistema de drenaje, natural o artificial, desarrollado: T=5 años para las lluvias menores. T=10 años para las lluvias medianas T=100 años para las lluvias grandes Si hacia aguas abajo no existe una red de drenaje desarrollada: Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 288

15 ESTANQUES DE RETENCIÓN T=5 años para las lluvias menores T=10 años para las lluvias medianas T=200 años para las lluvias grandes La autoridad municipal o el SERVIU podrán requerir periodos de retorno diferentes a los indicados de acuerdo a las condiciones del lugar. Las lluvias de diseño correspondientes se seleccionan con las intensidades de lluvias en el lugar del periodo de retorno respectivo y duración igual al tiempo de concentración de la cuenca aportante. Crecidas de diseño. Una vez conocidas las lluvias de diseño es necesario estimar las características de las crecidas de diseño correspondientes, incluyendo los caudales máximos, tiempos de ascenso del hidrograma y volumen. Para ello puede emplearse el método racional modificado suponiendo un hidrograma triangular con un tiempo al máximo igual al tiempo de concentración de la cuenca y un gasto máximo, Q en m 3 /s, dado por: Q = CiA ( ) 36, donde C es el coeficiente de escorrentía equivalente de toda la cuenca de área A, en km 2, i la intensidad de la lluvia en mm/hora Caudal máximo de descarga. El caudal máximo que puede descargar el estanque a través de la obra de descarga depende de las condiciones de aguas abajo, es decir de la capacidad de recibir caudales que tenga el sistema de drenaje, (natural, artificial o inexistente formalmente), hacia el cual el estanque entrega el agua retenida. Este caudal se determinará como el menor entre los siguientes: El gasto máximo generado por la lluvia de diseño de periodo de retorno correspondiente a lluvias medianas, en condiciones naturales de la cuenca aportante. La capacidad estimada con que puede operar el sistema de drenaje receptor para tormentas de periodo de retorno de lluvias medianas. La capacidad de la obra que recibe los gastos descargados si el estanque opera en serie como elemento de regulación de otra obra Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 289

16 ESTANQUES DE RETENCIÓN alternativa (otra obra de retención, obras de infiltración, canales de drenaje urbano, etc.). La autoridad municipal o el SERVIU podrán establecer caudales inferiores a los que resulten de los cálculos indicados si así lo recomiendan las condiciones del lugar Cámara de descarga. Esta permite controlar los caudales que el estanque entrega hacia aguas abajo, de manera que para las tormentas de diseño no se sobrepasen los caudales máximos permitidos. El volumen de almacenamiento del estanque hasta el nivel del umbral de la cámara de descarga permite almacenar las crecidas que llegan a él provocadas por lluvias de periodo de retorno correspondientes a lluvias menores, evacuándolos de manera continua a través del desagüe de fondo. El fondo de la cámara se coloca a un nivel tal que sea posible vaciar totalmente el estanque mediante el elemento de vaciado. El nivel del umbral de la cámara se determina de manera que bajo él se puedan almacenar las tormentas menores. Las dimensiones interiores de la cámara de descarga deben permitir una adecuada mantención, para lo cual se recomienda que sean al menos de 0,8m, con una altura no superior a 2,0. Para alturas superiores a 1,5m es conveniente disponer de escalines por la parte interior para acceder al fondo. Existen diferentes alternativas de diseño para la cámara de descarga, la mayoría de ellas en base a una cámara vertical conectada mediante una tubería al sistema de drenaje hacia aguas abajo a través de la cual se vacía continuamente el estanque. Esta tubería pasa bajo el muro principal del estanque. La cámara está abierta en su parte superior de manera que a través de ella puede verter el caudal una vez que el estanque se llena hasta ese nivel. En la pared frontal de la cámara, hacia el estanque, se puede disponer de diferentes elementos alternativos para vaciar totalmente el estanque. Las fotografías siguientes muestran casos típicos. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 290

17 ESTANQUES DE RETENCIÓN Figura : Cámara de descarga simple. Figura : Cámara con una placa de acero y orificio de descarga controlada. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 291

18 ESTANQUES DE RETENCIÓN Figura : Cámara con orificio lateral y vertedero superior. La forma de la cámara depende de la selección y disposición del sistema de vaciamiento del estanque. A continuación se muestran algunas alternativas típicas. En general se trata de un vertedero rectangular, conjunto de orificios, combinaciones de ambos o de una tubería de desagüe externa a la cámara. No se recomiendan sistemas mecánicos como válvulas o compuertas que requieran la acción de operarios durante las tormentas. Figura : Cámara de descarga simple. 1.- Reja de basuras, 2.- Ducto de salida, 3.- Muro principal, 4.- Fondo del estanque. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 292

19 ESTANQUES DE RETENCIÓN Figura : Cámara de descarga con un orificio de vaciamiento total. 5.- Umbral de la cámara, 6.- Orifico de vaciamiento. Figura : Cámara de descarga con múltiples orificios. Figura : Cámara de descarga con tubo perforado para vaciamiento total. 7.- Tubo perforado, 8- Protección de bolones o enrocados. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 293

20 ESTANQUES DE RETENCIÓN Conducto de salida. El conducto de salida desde la cámara de descarga se dimensiona de manera que en las condiciones de descarga máxima, con el estanque lleno hasta el umbral del vertedero de seguridad, no se sobrepase el gasto máximo permitido hacia aguas abajo, considerando una tormenta de periodo de retorno correspondiente a lluvias medianas. El esquema siguiente permite relacionar los principales elementos de la descarga con los niveles del estanque para fines de diseño. Figura : Definición de variables para el diseño del ducto de salida del estanque. A.- Nivel del umbral de la cámara de descarga. B.- Nivel del umbral del vertedero de seguridad. D.- Diámetro del ducto de salida. H.- Carga hidráulica de diseño. L.- Largo del ducto de salida. Para dimensionar el conducto se puede relacionar el gasto máximo de evacuación, Q evac, con las propiedades del conducto mediante la relación: Q A gh evac = 2 K 12 / Q max ( ) donde A, en m 2, es el área transversal del conducto en la sección de salida, H, en metros, es la carga hidráulica, considerada como la diferencia de nivel entre el umbral del vertedero de seguridad y el eje de la sección de salida, si descarga libremente, o el nivel del agua a la salida si la descarga es sumergida; K es el coeficiente de pérdida de carga total en el conducto en términos de altura de velocidad de salida (KV 2 /2g), considerando las pérdidas en la entrada (0,2), la salida (1,0), y la fricción dependiendo de las propiedades del tubo y su largo, de manera que el valor total de K se calcula como: Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 294

21 ESTANQUES DE RETENCIÓN L K = 02, + 10, + f ( ) D L es el largo del tubo, en metros, y D su diámetro, también en metros, f es el coeficiente de fricción que depende del material y las condiciones del escurrimiento. Se pueden adoptar los siguientes valores: Material Factor de fricción, f. Plástico ( PVC, Duratec) 0,012 Acero 0,015 Cemento asbesto 0,016 Cemento comprimido 0,020 En todo caso para facilitar la mantención se recomienda que el diámetro del tubo no sea muy pequeño, para lo cual se recomiendan los siguientes valores dependiendo de su longitud: Largo (m) Diámetro mínimo, mm. Menor de 6 m 100 Desde 6 m a 20 m 200 Más de 20 m 300 Si el diámetro del ducto de salida resultante es inferior a los diámetros indicados por mantención es conveniente adoptar este último y restringir la descarga a las condiciones de diseño mediante una placa orificio de área A colocada a la salida de la cámara. Elemento de vaciado. Se debe diseñar un elemento especial que asegure el vaciamiento total del volumen almacenado bajo el nivel del umbral superior de la cámara en un tiempo razonable, de manera de dejar el estanque disponible para la próxima tormenta, o para que la superficie inundada pueda ser empleada en otros fines durante los periodos entre tormentas. Si no se persigue el tratamiento del agua, por ejemplo la sedimentación de partículas finas, este tiempo de vaciamiento puede ser del orden de 12 a 24 horas. Para vaciar totalmente el estanque después de cada tormenta se recurre a varias posibilidades: orificios, vertederos o tubos perforados, conectando el fondo del estanque con la cámara de descarga. Una alternativa muy utilizada y que ha sido desarrollada especialmente para este tipo de estanques por el Distrito Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 295

22 ESTANQUES DE RETENCIÓN de Control de Crecidas de Denver, USA, considera una tubería perforada vertical adosada a la pared de la cámara y protegida por enrocados, bolones o una reja, como se indica en la Figura Figura : Cámara de descarga con tubo perforado para el vaciamiento total. Definición de variables y condiciones de diseño. 1.- Fondo del estanque, 2.- Umbral de la cámara, 3.- Reja, 4.- Conducto de salida, 5.- Tubo perforado, 6.- Tapa, 7.- Enrocados. Este elemento se diseña para vaciar el estanque en 12 horas, considerando que lo entrega a la cámara de descarga. Su gasto máximo debe ser menor que el que evacúa el tubo de descarga. El caudal que puede evacuar este tipo de tuberías, considerando la cámara prácticamente vacía, está dado por la relación (McEnroe et al. 1988): Q vaciado = A 061, 2 3 p ( c+ d) 2gh 32 / < Q evac ( ) donde: Q vaciado gasto de descarga, menor que la capacidad del conducto de descarga Q evac, m 3 /s. A p Área de todas las perforaciones, m 2. c distancia entre las líneas extremas de perforaciones bajo agua, m. h Altura de agua medida desde la línea inferior de las perforaciones, m. d distancia entre las líneas de perforaciones, m. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 296

23 ESTANQUES DE RETENCIÓN La cantidad total de perforaciones para diferentes diámetros de la tubería se recomienda en la Tabla de la Figura El gráfico de la Figura permite estimar el área total de perforaciones dado el volumen a evacuar y la altura de agua inicial, de manera de vaciar el estanque en 12 horas. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 297

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25 Notas: 1: Número mínimo de perforaciones = 8 2: Diámetro mínimo de las perforaciones =3mm. Filas 10 cm 10 cm Tapa Rosca con Ventilación de 2,5 a 7,5 cm de Diámetro. Perforaciones de Desagüe. Canería de fierro Ductil o Acero. Columnas DETALLE DIBUJO NO A ESCALA Número Máximo de Columnas Perforadas Diámetro Diámetro de la Perforación (mm) Tubo (cm) Diámetro de la Área de la Perforación(mm) Perforación (cm 2 ) 3 0,07 6 0, , , , , , ,91 Figura : Determinación del número de perforaciones en el tubo de vaciamiento total. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 299

26 LAGUNAS DE RETENCIÓN Volumen Almacenado(m 3 ) Profundidad en el vertedero 25 cm 30 cm 40 cm 50 cm 65 cm 90 cm 120 cm Area de perforaciones requerida por fila (cm 2 ) Figura : Gráfico para la determinación del área de las perforaciones por fila necesarias para vaciar el estanque en 12 horas. Alternativamente puede emplearse un orifico de dimensiones reguladas ubicado en la parte baja de la pared de la cámara. El tamaño del orificio puede estimarse en base al tiempo de vaciado en estas condiciones. Si la superficie libre del estanque no cambia mucho con el nivel del agua, el tiempo de vaciado está dado por: S h t = 2 vac Ca 2 g ( ) donde: t vac : tiempo de vaciado, en segundos. S Área promedio de la superficie del agua en el estanque, m 2. h altura de agua a vaciar, puede considerarse como la diferencia entre el nivel del umbral de la cámara y el eje del orificio, m. a: área del orificio, m 2. C: Coeficiente de gasto del orificio, adimensional: orifico de aristas vivas C= 0,61 orificio de aristas redondeadas C=0,96 El gasto en m 3 /s que puede salir por este orificio está dado por: Q vac = Ca (2gh) 0,5 ( ) Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 300

27 LAGUNAS DE RETENCIÓN También debe verificarse que es menor que el que puede evacuar el ducto de salida. Vertedero. El Vertedero de seguridad debe diseñarse sin elementos de control, con capacidad para evacuar crecidas de periodo de retorno de lluvias grandes (con T V igual a 100 a 200 años a lo menos según corresponda) considerando la cuenca aportante totalmente desarrollada, es decir con el máximo de áreas impermeables que puedan haber en el futuro. En el diseño del vertedero se emplearán los criterios y recomendaciones de la hidráulica para este tipo de obras. Se pondrá especial atención en la disipación de energía al pie de la obra y en la conexión al sistema de drenaje hacia aguas abajo. Para el dimensionamiento de este vertedero se puede considerar el gasto adicional al evacuado por la obra de descarga, y sin considerar el posible efecto de amortiguación de la onda de crecida que puede provocar el estanque. El umbral del vertedero se coloca de manera que bajo él se pueda almacenar el volumen de la crecida de diseño de periodo de retorno de lluvias medianas. El caudal de diseño es: Qvertedero = QTV Qevac ( ) Figura : Definición de variable para el diseño del vertedero de seguridad. A.- Estanque. B.- Umbral del vertedero de seguridad. C.- Rápido de descarga. D.- Disipador de energía. H V.- Carga hidráulica. En el caso de un vertedero típico de umbral horizontal y pared gruesa el gasto evacuado, Q vertedero en m 3 /s, depende del ancho de la obra, b v en metros, la carga hidráulica sobre el umbral, H v también en metros, y un coeficiente de descarga, m, adimensional, función del diseño: Q = mb 2gH 32 / vertedero v v ( ) Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 301

28 LAGUNAS DE RETENCIÓN Para un vertedero grueso sin aristas se puede adoptar m = 0,36 y para uno con aristas vivas m = 0,31. ( F.J. Domínguez, Hidráulica). Volúmenes de almacenamiento. En un estanque de retención seco el volumen total es la suma de varios volúmenes parciales, cada uno de los cuales se estima para satisfacer una función particular. La Figura muestra estos volúmenes. A continuación se explica la manera en que pueden estimarse. Volumen principal. El volumen de almacenamiento principal de un estanque de retención seco corresponde a la capacidad del estanque hasta el umbral del vertedero de seguridad. Equivale a la suma de V1+V2+V3 en la Figura Este volumen se calcula para retener la crecida generada por tormentas medianas, del orden de 10 a 20 años de periodo de retorno, con la cuenca aportante en su condición de desarrollo máximo, de manera que hacia aguas abajo del estanque no se entreguen caudales máximos mayores que los permitidos. Existen varios procedimientos para estimar el volumen necesario. Para disponer de una idea preliminar se puede recurrir a un método simple que supone una crecida de forma triangular de acuerdo al método Racional Modificado ( ver d), y un gasto de salida por el evacuador que crece linealmente hasta el máximo. Entonces el volumen necesario está dado por: ( ) V = 05, T Q Q ( ) estanque b me evac donde V estanque es el volumen estimado para almacenar la crecida, en m 3 ; T b es el tiempo base del hidrograma de entrada, segundos, igual al doble del tiempo de concentración de la cuenca aportante, Q me es el gasto máximo del hidrograma de entrada para la crecida de periodo de retorno de diseño y condiciones de máximo desarrollo, m 3 /s; y Q evac es el gasto máximo que puede evacuar la cámara de descarga, m 3 /s, empleado para dimensionar el ducto de salida con la ecuación ( ). Otro método más preciso requiere realizar un tránsito de la crecida a través del estanque, para lo cual se debe disponer de al menos un diseño preliminar que permita conocer la relación entre el volumen almacenado en función de la altura de agua, V(h), así como el gasto que sale por el evacuador en función de esa misma altura de agua, Q s (h), además del gasto del hidrograma de entrada al estanque en función del tiempo, Q e (t). El procedimiento típico requiere considerar la ecuación de continuidad en su forma diferencial: dv dt = Q Q ( ) e s Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 302

29 LAGUNAS DE RETENCIÓN Figura : Volumen de almacenamiento principal del estanque en relación al hidrograma de la crecida que entra y la crecida evacuada hacia aguas abajo. 1.- Hidrograma de entrada, 2.- Hidrograma de salida, 3.- Tiempo al máximo, 4.- Tiempo base, 5.- Tiempo con agua en el estanque. Como hidrograma de entrada se puede considerar el triangular del método Racional Modificado u otro más sofisticado. Para integrar la ecuación diferencial de continuidad existen diferentes procedimientos que pueden consultarse en la literatura técnica especializada (Vargas y Fernández, 1994). A continuación se presenta uno de los métodos más tradicionales conocido como el de la curva de acumulación (Soil Conservation Service, 1964). En este método se supone que tanto el flujo de entrada como el de salida durante el intervalo de tiempo t suficientemente pequeños se pueden representar por el promedio entre el gasto al inicio y al final del intervalo, es decir: Q e = ( It + It + t) 2 ( ) representa el ingreso promedio de agua al estanque, mientras que el egreso, E, está dado por: Q s = ( Et + Et + t) ) Entonces la ecuación de continuidad durante un intervalo se escribe como: t t Vt+ t Vt = It+ t + I ( t) ( Et+ t + Et) 2 2 Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 303

30 LAGUNAS DE RETENCIÓN Esta ecuación se puede reordenar para separar a la izquierda las cantidades conocidas al principio del instante t y a la derecha las desconocidas: 2Vt 2Vt+ t ( It + It+ t) + ( Et ) = + E t t t+ t ( ) Se supone que todas las cantidades al principio del intervalo son conocidas. Además se conoce el valor del gasto de entrada al final del intervalo y debe determinarse el gasto de salida y el volumen almacenado al final del intervalo. Una vez seleccionado el intervalo de tiempo t se puede construir una relación, gráfica o numérica, de la función 2V/ t + E, en función de E, del nivel o altura de agua, h u otra variable identificable. Además se supone que se conoce la relación entre V y E. El esquema de solución es el siguiente: Al inicio del intervalo, en el instante t, se conocen los valores de I t, E t, V t, y además el de I t+ t. Con ellos se calcula el término del lado izquierdo de la ecuación ( ). El resultado del cálculo anterior es igual al término del lado derecho de la misma ecuación ( ), el cual considera valores de almacenamiento y gasto de salida al final del intervalo. Con este valor y la relación construida de esta expresión en función del gasto de salida se obtiene E t+ t. Con el valor del gasto de salida al final del intervalo se puede conocer la altura de agua y el volumen almacenado al final del intervalo de tiempo de cálculo. El tiempo t+ t se considera el inicio de un nuevo intervalo de cálculo y se vuelve a la etapa inicial para repetir los cálculos. Volumen de tormentas menores. Este volumen es el almacenamiento bajo el nivel del umbral de la cámara de descarga, desde el fondo del estanque. Corresponde a la suma de V1+V2 en el esquema de la Figura Se calcula para almacenar el volumen generado por crecidas provocadas por tormentas menores, del orden de 2 a 5 años de periodo de retorno, con la cuenca totalmente desarrollada. En general puede ser del 50 al 80% del volumen principal del estanque. Se puede estimar con la ecuación en la cual el gasto máximo de entrada y el tiempo base corresponden a la Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 304

31 LAGUNAS DE RETENCIÓN crecida de tormentas menores y el gasto de evacuación al máximo del elemento de descarga. Volumen de tormentas frecuentes. En el caso de estanques diseñados con dos niveles, con un volumen para tormentas frecuentes, este se estima para almacenar del 10 al 25% del volumen principal. Corresponde al V1 de la Figura Volumen de crecidas mayores. Corresponde al volumen máximo que puede almacenar el estanque en condiciones extraordinarias, cuando recibe una crecida provocada por tormentas mayores, del orden de 100 a 200 años de periodo de retorno. Es el volumen hasta el nivel de los muros, considerando una revancha de seguridad. En la Figura es la suma de los volúmenes V1+V2+V3+V4. En estos estanques de retención el volumen sobre el umbral del vertedero no se calcula como tal sino que resulta de considerar una altura de agua, o carga hidráulica, sobre el nivel del umbral del vertedero de seguridad, de manera que éste sea capaz de evacuar la crecida correspondiente. Sobre esta altura de agua se agrega una revancha de al menos 30 cm. f. Detalles. Consiste en dimensionar los elementos complementarios para la correcta operación del estanque, así como los necesarios para los usos adicionales que tendrá la obra. A continuación se indican los elementos complementarios para la operación del estanque como regulador de aguas lluvias. Canal de flujos bajos. Este canal permite conducir los flujos menores directamente desde la entrada hacia el nivel de almacenamiento inferior, evitando que para ello ocupe todo el estanque. Se debe proveer de protecciones para la erosión, especialmente en la llegada al nivel inferior. Este canal puede consistir en una pequeña vereda pavimentada si los caudales son pequeños, o en una acequia, o un tubo enterrado. En el caso de estanques construidos en el curso de cauces naturales, este canal puede diseñarse como un canal de drenaje urbano siguiendo los procedimientos que se detallan en Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 305

32 LAGUNAS DE RETENCIÓN Figura : Canal de flujos bajos en el fondo de un estanque en Fort Collins, EE.UU. Taludes laterales del estanque. Los taludes deben ser estables y tendidos para limitar la erosión y facilitar los accesos para la mantención del estanque por parte de operarios y maquinaria. Se recomienda que los taludes interiores de los muros sean al menos 4/1=H/V o más tendidos. Entrada. Debe disiparse la energía del flujo a la entrada al estanque tanto para evitar la erosión como para facilitar la sedimentación. Para ello se puede recurrir a disipadores de energía convencionales o protecciones de enrocados. Figura : Entrada a un estanque de retención en Fort Collins, EE.UU. Desarenador. Cerca de la entrada es conveniente ubicar un sedimentador de partículas de mayor diámetro, en una zona en la cual se facilite su extracción posterior, con un fondo más firme o sólido. No se trata de un sedimentador convencional sino más bien de una zona del estanque en la cual se concentra el fenómeno para facilitar la limpieza, cerca de la entrada del estanque. Para conformar esta zona se le puede limitar mediante una berma o terraplenes de tierra compactados o enrocados, con un ancho en el coronamiento mínimo de 1,5m y taludes 4/1 o más tendidos, y unido a la parte principal del estanque a través de una conexión de sección transversal colocada de manera de evitar Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 306

33 LAGUNAS DE RETENCIÓN cortocircuitos con un ancho basal no mayor que el del canal de flujos mínimos. El volumen de esta zona debe ser del 5 al 10 % del volumen principal del estanque. Reja para basura. Si el elemento de salida no está protegido mediante enrocados, se debe disponer de una reja que evite que las perforaciones del tubo de vaciado se tapen con elementos extraños, o que entren a la cámara de descarga. Esta reja debe poderse remover para tener acceso al interior de la cámara. Figura : Reja de acero galvanizado sobre la cámara de descarga, Fort Collins, EE.UU. Muros del estanque. Los muros deben diseñarse de manera que no sean sobrepasados por tormentas mayores o extraordinarias de periodo de retorno de 100 a 200 años. El nivel del coronamiento debe considerar al menos un borde libre o revancha de 0,3m sobre el nivel máximo del agua para las condiciones indicadas. Los taludes del muro deben ser por lo menos 3/1=H/V o más tendidos, idealmente 4/1. Preferiblemente los muros deben plantarse con pasto. Los suelos de mala calidad o pobremente compactados deben removerse y reemplazarse en las zonas de fundación del muro. Los suelos de éste deben compactarse al menos hasta un 95% del Proctor Modificado Vegetación. La vegetación en el fondo del estanque ayuda al control de la erosión y a atrapar sedimento. Se recomienda encarecidamente que tanto el fondo, como las bermas, los taludes y zonas laterales se planten con vegetación natural o con pasto regado, dependiendo de las condiciones del lugar y de los usos adicionales de la superficie del estanque. Accesos para mantención Estos estanques deben tener accesos para vehículos que permitan llegar al fondo de la zona del desarenador y al elemento de descarga. Las pendientes máximas de estos accesos no deben ser superiores al 8%. Cuando sea posible se puede proveer de acceso pavimentados, o asfaltados y si no al menos estabilizados con grava o maicillo. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 307

34 LAGUNAS DE RETENCIÓN g. Construcción. La construcción de obras de almacenamiento es muy similar ya se trate de estanques o lagunas de retención. En general este tipo de obras empleadas en drenaje urbano son de pequeñas dimensiones en comparación con embalses y tranques para otros usos. Los aspectos más complejos de la construcción están ligados a la materialización de los muros de retención, para los cuales deben tomarse todas las precauciones posibles. Las recomendaciones que se mencionan a continuación son válidas sólo para muros de tierra de pequeña altura, menores de 3 metros. Otro aspecto importante es el control de los niveles de todas las obras de evacuación y descarga. Los estanques corrientemente se construyen excavados en el terreno con pequeños muros que represan las zonas bajas del terreno. Además por condiciones de diseño las alturas de agua son pequeñas, menores de 2 metros en los puntos más profundos, y el estanque se encuentra vacío durante largos periodos, lo que reduce las cargas hidrostáticas y los problemas que pueden generar las filtraciones. Por efectos y consideraciones de otros usos, preocupaciones estéticas y de mantención, la inclinación de los taludes está muy por el lado de la seguridad, de manera que aspectos constructivos ligados a la estabilidad de taludes en cortes y muros no es habitualmente una condición crítica. Las principales consideraciones de construcción se relacionan con: a) preparación de terreno antes de la construcción, b) estudios y análisis de los suelos para ser empleados en las diferentes estructuras, c) precauciones en la construcción de terraplenes y excavaciones. Preparación del terreno. Se deben apreciar previamente todos los aspectos que pueden resultar en conflictos o problemas durante la construcción. Estos incluyen sitios con problemas geológicos, o ambientales conflictivos como rellenos, escombreras y basurales. Especial importancia debe darse a la existencia de otras obras o construcciones, necesidades de servidumbres de tránsito o accesos, existencia de redes de servicios ya sea aéreas o subterráneas, que puedan entrar en conflicto con las faenas de construcción. Si la obra se ubica en cauces, quebradas, hondonadas o zonas bajas, es necesario considerar cuidadosamente la época del año y el tiempo de construcción, evitando estar en medio de la construcción cuando empiezan las tormentas y las crecidas. Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos 308