Cómo funcionan los drenajes franceses
(practical.engineering)- Un drenaje francés es un método de drenaje subterráneo que evacúa el agua infiltrada bajo la superficie para reducir riesgos como la presión hidrostática, la expansión del suelo, el congelamiento y la corrosión debajo de una estructura
- El agua atraviesa el suelo y se reúne en una capa de grava; si hace falta, sale por una tubería perforada, y el drenaje continúa incluso después de que deja de llover hasta que el suelo se seca
- Si se usa solo grava, las partículas finas del suelo pueden desplazarse hacia los huecos y reducir el desempeño del drenaje, e incluso provocar erosión interna o socavones
- Un drenaje francés común envuelve la capa de grava con geotextil, pero en lugares donde la seguridad es crítica, como las presas, se usan filtros de arena por sus límites frente a daños, imposibilidad de reemplazo y obstrucción
- Sin importar si se trata de una presa, un muro de contención, un terreno agrícola o la cimentación de una vivienda, la clave del diseño de drenaje subterráneo es sacar el agua y dejar el suelo en su lugar
Riesgos que la presión del agua subterránea representa para las estructuras
- En febrero de 2017, el gran aliviadero de Oroville Dam en el norte de California sufrió daños graves durante una descarga por lluvias intensas
- Un informe forense posterior al incidente señaló al sistema de drenaje bajo el aliviadero como uno de los factores contribuyentes
- Las tuberías de drenaje sobresalían dentro del concreto en vez de estar debajo de él
- Como resultado, el espesor del concreto se redujo y quedó más vulnerable a agrietarse
- Se necesita drenaje bajo el aliviadero porque el agua no solo fluye por la superficie, sino también a través del suelo y la roca
- El agua que entra debajo de una estructura puede generar presión capaz de levantarla o moverla, y el riesgo aumenta mientras más flujo haya
- Los ingenieros de presas suelen responder de dos maneras
- Haciendo más pesadas las estructuras de concreto, como los aliviaderos, para fijarlas por gravedad
- Dando al agua una vía de salida mediante drenaje para reducir la presión
Principios básicos del drenaje francés
- El agua puede causar varios problemas en las estructuras
- Hace que algunos suelos se expandan y se contraigan
- Al congelarse, puede generar movimientos a largo plazo
- Favorece la pudrición, la erosión y la corrosión
- El agua en la superficie puede manejarse con relativa facilidad mediante canales, guarniciones y pendientes, pero el agua bajo la superficie es mucho más difícil de controlar
- Un modelo simple de drenaje subterráneo consiste en una caja con arena, un orificio en el fondo y una capa de grava frente al orificio
- El agua de lluvia se infiltra en la arena y sigue moviéndose
- El agua se concentra hacia la grava y sale del modelo a través de los vacíos entre las piedras
- Incluso después de que deja de llover, el agua subterránea sigue fluyendo hasta que la mayor parte del suelo se seca
- Esta es la forma básica de lo que comúnmente se conoce como drenaje francés
- El nombre no viene de Francia, sino del estadounidense Henry French, autor de un libro sobre drenaje agrícola publicado en 1846
- Henry French no afirmaba haber inventado este método de drenaje
- Los agricultores ya usaban drenaje subterráneo mucho antes para reducir el encharcamiento en los campos y la inundación de maquinaria agrícola
- La expresión “tile drain” proviene de la práctica de usar tejas de arcilla para mantener el espacio por donde drena el agua
Grava, tubería y orientación de las perforaciones
- En usos simples y de baja criticidad, es muy común una zanja rellena de grava
- Los sistemas que usan solo grava pueden obstruirse con el tiempo
- En suelos más finos que la arena, las partículas pueden entrar entre la grava y reducir la capacidad de drenaje
- La velocidad de drenaje también puede disminuir
- Las tejas de arcilla tenían la ventaja de mantener un vacío por donde podía fluir el agua, y después fueron reemplazadas en esa función por tuberías perforadas o ranuradas
- Existe un debate antiguo entre ingenieros y constructores sobre la orientación de las perforaciones en la tubería
- Si las perforaciones apuntan hacia arriba, el agua debe llenar la capa de grava hasta la parte superior de la tubería para poder entrar
- Si apuntan hacia abajo, la trayectoria del flujo es menos directa, de modo que el agua puede avanzar más lentamente y es menos probable que arrastre suelo o residuos al interior
- Muchos fabricantes recomiendan colocar las perforaciones hacia abajo para que el agua entre a la tubería incluso antes de que la envolvente de grava esté completamente saturada
- En la práctica, la orientación de las perforaciones a menudo no es tan importante, y muchas tuberías perforadas de drenaje tienen agujeros en todo el perímetro
Filtros para evitar obstrucción y erosión
- La ventaja del drenaje es que evacúa el agua rápidamente y reduce el tiempo durante el cual puede actuar sobre una estructura
- Se reduce el tiempo durante el cual ejerce presión sobre un muro de sótano
- Disminuyen las situaciones en que se congela junto a la estructura y provoca movimientos a largo plazo
- Bajan las probabilidades de expansión del suelo, pudrición y corrosión
- La mayoría de los suelos reales no tienen partículas gruesas como la arena de parque infantil, sino que incluyen partículas más finas como limo y arcilla
- Si se colocan piedras grandes entre la arena y una salida, puede salir agua turbia junto con partículas de suelo
- Con el tiempo, la arena puede lavarse entre las piedras y formar socavones
- Si las partículas del suelo migran hacia la grava y la tubería, también se producen obstrucciones
- El mayor problema del drenaje subterráneo es la obstrucción, por lo que un drenaje bien diseñado normalmente incluye un filtro
- En los drenajes franceses alrededor de viviendas, una solución muy conocida es usar tela geotextil
- Se usa como lámina permeable para separar capas de suelo y roca, prevenir erosión, reforzar el relleno y filtrar partículas del suelo en el agua en movimiento
- En un diseño típico, la envolvente de grava se recubre con geotextil para impedir que las partículas finas migren hacia adentro
- A veces se le llama “pipe-within-a-pipe”
- Los geotextiles tienen limitaciones claras
- Se dañan con facilidad durante la instalación
- Después de instalarlos, repararlos o reemplazarlos es prácticamente imposible
- Si las partículas del suelo quedan atrapadas en la malla de fibras, la permeabilidad y la eficiencia pueden caer con rapidez
Filtros de arena y manejo del drenaje en presas
- En las presas, el drenaje filtrado correctamente es especialmente importante
- El informe de 360 páginas de FEMA Filters for Embankment Dams: Best Practices for Design and Construction trata este tema
- El informe de 400 páginas de la Bureau of Reclamation Drainage for Dams and Associated Structures también aborda el drenaje en presas
- Varios accidentes famosos en presas estuvieron directamente relacionados con falta de drenaje o con un diseño de drenaje inadecuado, incluido el accidente del Oroville Spillway mencionado antes
- En una presa de terraplén hecha de suelo compactado, el movimiento de partículas del suelo puede ser catastrófico
- Según un informe de estado de FEMA, la política del National Dam Safety Review Board indica que no deben usarse geotextiles en ubicaciones críticas para la seguridad de una presa
- En las presas se usan en su lugar filtros de arena
- Así como la grava retiene la arena y deja pasar el agua, la arena puede retener partículas aún más pequeñas como limo y arcilla
- Para diseñar el filtro, primero hay que conocer la distribución granulométrica del suelo base
- Con un análisis de tamices se puede separar la proporción por tamaño de partícula y representarla con una curva granulométrica
- El material filtrante debe impedir el paso de partículas del suelo y al mismo tiempo dejar pasar el agua
- En las presas, a menudo es difícil lograr con un solo material tanto filtración como suficiente capacidad de drenaje
- Por eso muchas presas usan un filtro de dos etapas
- La primera etapa filtra el suelo base, y la segunda filtra la primera mientras permite que el agua fluya con más libertad
- En medio se colocan tuberías perforadas para evacuar el agua con rapidez
- En términos generales, hay dos formas de manejar el agua que sale a la superficie
- Si hay un punto más bajo en los alrededores, se descarga por gravedad hacia la superficie
- Si no existe un punto de descarga más bajo, se expulsa con bombas
- En los sótanos de las viviendas puede haber un punto bajo donde se acumula el agua de drenaje, llamado sumidero (sump), y si existe, una bomba de sumidero es muy útil para sacar el agua fuera de la casa
- Aunque el diseño de drenaje en presas, muros de contención, terrenos agrícolas y cimentaciones de viviendas use formas y productos distintos, el objetivo es el mismo
- Sacar el agua
- No sacar el suelo junto con ella
1 comentarios
Opiniones en Hacker News
He construido varios drenes franceses en obras residenciales; algunos duraron mucho y otros no.
La principal causa de falla es el movimiento del suelo. Hay que envolver bien la grava y la tubería con tela geotextil de grado comercial, y si se usa una tubería con muchos agujeros mucho más grandes que las pequeñas ranuras que aparecen en el video, también se reduce la preocupación por la orientación de los agujeros.
En la grava, lo clave son los espacios vacíos: para que el drenaje sea rápido debe haber mucho espacio entre las piedras. Hay que evitar cosas como la grava para juegos infantiles y fijarse bien en el tipo de agregado.
También hay que calcular la cantidad de agua que realmente se necesita evacuar. Se puede tomar el valor de la “inundación de 100 años” de la zona como límite superior de precipitación y multiplicarlo por el área de drenaje; esto es especialmente importante si el techo forma parte de la cuenca: https://www.usgs.gov/special-topics/water-science-school/sci...
Si el terreno es demasiado plano y no hay suficiente pendiente para llevar el agua, un pozo seco construido de manera similar podría ser una mejor opción: https://en.m.wikipedia.org/wiki/Dry_well
El constructor había obtenido permiso para mover el estanque de retención y construir el cul-de-sac, pero seguía siendo el punto más bajo del vecindario, así que toda el agua superficial fluía hacia ahí, y la casa era el punto más bajo dentro de esa zona.
Al final instalamos drenes franceses a ambos lados de la casa, pusimos una rejilla de drenaje al final de la entrada para que el agua no bajara hacia la casa, reconstruimos y levantamos el muro frontal de una cimentación estilo años 70 que estaba casi erosionado, y en el patio trasero instalamos dos cajas de drenaje cuadradas de 24 pulgadas y PVC enterrado de 4 pulgadas para descargar hacia el arroyo de atrás.
Como el terreno tenía muchos árboles, durante lluvias fuertes las cajas de drenaje se tapaban rápidamente con hojas, así que había que seguir limpiando las coladeras con un rastrillo, metido en agua desde los tobillos hasta las rodillas.
Aun así no era suficiente: el agua superficial que bajaba de las casas de arriba cubría el patio trasero como un torrente durante los aguaceros. No se podía intervenir el arroyo por las reglas de servidumbre del Cuerpo de Ingenieros, así que finalmente se resolvió obteniendo el consentimiento de un vecino para cavar una zanja de drenaje superficial desde el punto bajo de su patio hasta el arroyo.
En el límite del terreno hicimos una berma “temporal” para evitar la prohibición de muros permanentes, pero en la práctica era casi un muro de cemento: 76 sacos de Qwikrete apilados en tres niveles y cubiertos con recortes de césped, residuos de jardín y mulch.
Después de eso decidí que nunca construiría ni compraría una casa al pie de una colina.
En el 5:58 menciona que también se consiguen tuberías con agujeros alrededor de todo el perímetro.
En los últimos años he visto que se burlan mucho de ese término técnico porque han ocurrido varias “inundaciones de 100 años” en menos de una década.
Puede no ser buena idea descargar agua superficial directamente en un acuífero, porque en condiciones naturales esa agua pasaría por las capas superiores del suelo y se filtraría; si entra directamente, la contaminación de la superficie puede arrastrarse directo a una fuente de agua potable.
Dicho eso, no soy experto, así que no sabría aconsejar cuándo es necesario registrarlo.
No tenía idea de que el nombre venía de un estadounidense.
La casa de mis padres está en una ladera, y el agua de lluvia que se juntaba en la montaña de arriba bajaba hasta chocar con la casa. El suelo era delgado, en su mayoría arcilloso, y enseguida aparecía la roca madre, así que cuando llovía el agua tenía pocos lugares adonde ir bajo la tierra; la presión hacía que brotara a la superficie en varios puntos, y uno de ellos era la casa.
La compraron nueva, pero el constructor no tuvo en cuenta este problema de agua, así que durante los primeros años el agua subía desde el piso del sótano, y más tarde empezó a entrar a chorros por las ventanas.
Costó mucho dinero excavar zanjas subterráneas con maquinaria pesada en un terreno muy rocoso e instalar drenes franceses alrededor de la casa y en una zona de captación diagonal frente a ella. El agua reunida se conducía bajo tierra alrededor de la casa hasta una salida cuesta abajo, y las inundaciones se detuvieron de inmediato; mis padres terminaron el sótano como una gran suite principal, y se mantuvo seco durante décadas.
Unos años después de que murió mi padre, al año siguiente, cuando empezaron las lluvias, volvieron las inundaciones: se arruinaron el piso, el panel de yeso, los marcos de las ventanas, muebles y libros, y parecía el aftermath de un huracán. Durante la lluvia vi entrar agua por la ventana como una cascada, así que claramente algo andaba mal con el sistema de drenaje.
Llamamos a un ingeniero para verificar si la cimentación se había agrietado y por ahí entraba el agua, pero al final resultó ser una falla del dren francés. Después de volver a gastar mucho dinero para excavar, reemplazar y reparar, ya no hubo inundaciones, y este video parece explicar exactamente qué había pasado.
Aplica tanto para el drenaje sanitario como para los sistemas de dren francés.
Es uno de mis canales favoritos, y me alegra que Grady también esté en Nebula: https://nebula.tv/videos/practical-engineering-how-french-dr...
En las FAQ dice que es propiedad de CuriosityStream, y entiendo que CuriosityStream fue fundada por John Hendricks, quien creó el canal/la red Discovery TV.
Por lo que he visto, CuriosityStream tiene más bien una onda de divulgación científica y documentales estadounidenses excesivamente dramáticos, así que si Nebula va por la misma línea, se me hace un poco raro que Grady esté ahí.
Hace tiempo, al cavar un hoyo para plantar un árbol frutal, encontré un dren francés.
Era un terreno en una colina, y al cavar unos 30 cm apareció un gran montón de grava sucia. Pensé que alguien había rellenado con grava justo ese punto, así que cavé otro hoyo un poco más abajo y volvió a salir grava; tardé bastante en darme cuenta de qué era.
Resultó ser el drenaje principal de todo el vecindario. Moví el árbol a un lado, y creció muy bien gracias a esa buena agua.
Las raíces de los árboles tienen una capacidad increíble para encontrar agua; incluso una fuga gota a gota en una tubería de agua puede quedar completamente rodeada por raíces en unos años.
Como alguien que ha pensado mucho en la restauración de tierras, me incomodó un poco la parte que trata la filosofía de Henry French.
No se trata de verlo como “agua sobrante”, sino de empezar por qué relación queremos tener con el agua. Hay que distinguir los lugares donde queremos reunir agua, como estanques o puntos de captación de lluvia, de los lugares que queremos mantener secos, como estructuras habitadas, y pensar cómo ralentizarla, distribuirla e infiltrarla en relación con la cuenca más amplia y el vapor de agua en la atmósfera.
Para ampliar esta perspectiva pueden ayudar cursos como https://waterstories.com, textos como https://climatewaterproject.substack.com/ y los libros de Brad Lancaster sobre captación de agua de lluvia (http://harvestingrainwater.com/).
Desde la perspectiva agrícola, también vale la pena escuchar la crítica de Chris Jones al drenaje con tuberías subterráneas: https://www.youtube.com/watch?v=Svwjd3FwNCY&t=5668s
Para dejar claro mi sesgo: tomé parte del curso de Water Stories y soy inversionista en el próximo libro de Climate Water Project.
La mayor parte del agua no deseada se genera por construcciones que crean superficies impermeables, como calles, estacionamientos y entradas para autos. El agua se acumula, fluye cuesta abajo y termina entrando en los cimientos, pero si no se hubiera intervenido el lugar desde el principio, probablemente no habría problema.
En ese caso, las medidas de ingeniería del terreno para drenar el agua me parecen una mitigación mucho más aceptable.
Uno llega a dimensionar la fuerza del agua.
Entre desastres naturales como volcanes, incendios forestales, terremotos y tornados, lo que causa más daños y mata a más personas es el agua.
Las inundaciones, tsunamis y marejadas ciclónicas son como bombas con una enorme capacidad destructiva.
Por aquí pasamos por Sandy, y aunque el huracán en sí no parecía tan fuerte cuando llegó, el agua que empujó consigo causó daños enormes y muertes.
Buen video, y me gusta este canal.
Hace poco se me inundó el sótano, así que estoy pensando en alquilar equipo para hacer drenaje y pendiente. Los dueños anteriores gastaron dinero en reparar grietas y pintar los cimientos, pero esas cosas al final siempre fallan.
La mejor forma de mantener seco un sótano es una pendiente adecuada y, si eso no alcanza, poner drenaje. De verdad es así de simple.
Esto también reduce la presión sobre los cimientos y ayuda a evitar que se formen grietas y problemas estructurales.
Solo cortar el concreto ya fue un trabajo sucio y pesado, y eso era apenas el comienzo. Además, apareció un cimiento corrido inesperado que cruzaba por debajo de una pared interior, lo que hizo el trabajo realmente duro.
Me gusta asomarme un poco a temas como este. Al principio uno piensa: “¿qué tan difícil puede ser? Cavas una zanja y la llenas de grava”, pero en la práctica es mucho más complejo.
En el video no se puede exagerar la importancia del drenaje con filtros para presas, e incluso aparecen el informe de 360 páginas de FEMA Filters for Embankment Dams: Best Practices for Design and Construction y el informe de 400 páginas del Bureau of Reclamation Drainage for Dams and Associated Structures.
Al final, un ingeniero civil podría pasarse toda la vida pensando solo en drenaje subterráneo.
En sus videos siempre aparecen materiales así, y de verdad impresiona el valor de la información práctica que varias agencias federales ofrecen gratis.
El dren francés debería estar en la lista de “nombres que inesperadamente vienen de una persona”: https://notes.rolandcrosby.com/posts/unexpectedly-eponymous/
Hace poco mi pareja me compró “Coffey Whiskey” porque me gusta el café, y gracias a eso conocí otro caso de estos que solo se descubre si a uno se le escapa una letra.
Todo lo que sé sobre los drenes franceses lo aprendí en este video.
Aun así, me dio bastante risa enterarme de que en la industria hay una especie de guerra santa sobre si “los agujeros van arriba o abajo”.
En nuestra industria también hay muchas guerras santas parecidas, cargadas de emoción pero por lo general no tan importantes, así que fue interesante ver lo mismo en otros campos.