MINISTERIO DE AGRICULTURA INSTITUTO NACIONAL DE RECURSOS NATURALES
INTRODUCCION A LOS PROYECTOS DE DEFENSAS RIBERENAS MSc. Ing. Roberto Campaña Toro
[email protected] SETIEMBRE 2002
CONTENIDO I. – Relev Relevancia ancia de de la erosión erosión de de riberas. riberas. II.- Meca Mecanismos nismos de de la erosión erosión de riberas.\ riberas.\ III.-Medidas de Ingeniería IV.- Funda Fundamento mentoss de Hidráulica Hidráulica Fluvial Fluvial aplicables al diseño de Defensas Ribereñas.
I.- RELE RELEVAN VANCIA CIA DE LA EROS EROSION ION DE RIBERAS EN EL PERU
La erosión de riberas ocasiona muchas pérdidas en diferentes sectores.
Agricultura. Infraestructura de riego Estructuras ubicadas en márgenes
II.-- MEC II. MECANI ANISM SMOS OS DE EROSION EROSION DE RIBERAS
EROSION DE RIBERAS POR FLUJOS EN CURVAS
La migración de meandros se produce por el continuo contin uo proce proceso so de erosión erosión de curvas curvas..
Se debe al flujo helicoidal que produce altas velocidades en las curvas exteriores y bajas velocidades en las curvas interiores. Mientras que en la curva exterior se espera erosión (zona "pool"), en la curva interior se esperaa sedimentaci esper sedimentación ón (zona "point "point bar)
Como consecuencia de este proceso la sección de curva de un río presenta una pendiente transversal típica
Efectos Efect os erosivos erosivos sobre un puente ubicado ubicado en una curva
Modelación Matemática
EROSION DE RIBERAS POR SOCAVACION GENERAL DEL CAUCE
Es el descenso temporal del fondo de un río producido por una creciente o avenida. Se debe al aumento de la capacidad de arrastre del material sólido de la corriente originado por su mayor velocidad.
EROSION DE RIBERAS POR PERTURBACIONES LOCALES DEL FLUJO
Los procesos de erosión local, se originan en movimiento movimientoss vorticosos vorticosos que ocurren ocurren al pie de obstáculos puntuales al flujo en un curso fluvial. Se circunscribe a un lugar determinado, y a veces también está limitada a una cierta duración. Rocha (1999)
EROSION POR CONSTRICCION CONSTRICCIO N DEL CAUCE
III.- MEDIDA MEDIDAS S DE INGENI INGENIERIA ERIA
Las medidas de ingenieria aplicadas en las defensas ribereñas son de dos tipos: – Revestimiento de Orillas – Alejamiento del Flujo de Orillas
Revestimiento de Orillas
Gabiones
Revestimiento de Enrocado
Matrices de Roca y Alambre Alambre
Sacos de Arena
Matrices de Concreto Articulado
Estructuras de Control de Flujo
Espigones
Espigoness Permeables Espigone
Permiten el flujo a través Permiten través de ellos, pero pero a velocidades reducidas, previniendo así mayores erosiones de riberas y causando deposición del sedimento suspendido en el flujo.
Pilotes de Madera
Tripodes de Madera
Espigones de Cables de Acero
Espigones Impermea Impermeables bles
La función de los espigones impermeables es desviar desviar el flujo fuera de las orillas,a fin de protegerlas de sus efectos erosivos.
Jetties
Son el Son elem emen ento toss qu quee pr prop opor orci cion onan an ru rugo gosi sida dadd adic ad icio iona nall al ca cana nall o pla plani nici cies es in inun unda dabl bles es pa para ra mantener la corriente principal a lo largo de un camino pre-establecido.
La rugosidad adicionada a lo largo de las orillas reduce la velocidad y protege las orillas de erosión.
ESTRUCTURA DEL PROYECTO
El desarrollo de un proyecto tiene las siguientes fases: – Reconocimiento de Campo. – Estudios Básicos – Diseño de la solución – Preparación de Expediente Técnico
RECONOCIMIENTO DE CAMPO: -
El ob obje jeti tivo vo de dell re reco cono noci cimi mien ento to de ca camp mpoo es tener una apreciación general del comportamiento del río
-
Antess de in Ante inic icia iarr el re reco cono noci cimi mien ento to de ca camp mpoo se debe examinar la información disponible.
Se debe obtener la siguiente información: -
Estudiar la características de las zonas inundables, y de los meandros Determinar si el río es estáticamente estable, dinámicamente estable, o inestable Rango de variaciones de los máximos niveles de agua Magnitud de los caudales de avenida Ancho del cauce principal, y de las llanuras de inundación Granulometría del material del cauce Características de los terrenos que conforman las riberas
ESTUDIOS BASICOS: a. Geología y Geotecnia - Fal Fallas las - Est Estrato ratoss - res resiste istenci nciaa del sue suelo lo - Flujos subterráneos - Estudio del material del - Estudi Estudioo de canter canteras as cauce del río, etc b. Topografía c. Hidrología - Des Descarg cargaa dominante dominante - Ave Avenida nida de Diseñ Diseñoo c. Hidráulica Fluvial - Velocid Velocidades ades y direccion direcciones es del flujo flujo - Máximo Máximoss niveles niveles de de agua agua - Fenóme Fenómenos nos de socava socavación, ción, etc. etc. d. Estudios de Impacto Ambiental
EXPEDIENTE TECNICO: El Expediente Técnico debe contener como mínimo lo siguiente: - Me Memor moria ia Des Descr crip ipti tiva va de de Obr Obraa - Est Estudio udioss de Geo Geolog logía ía y de Geo Geotec tecnia nia - Est Estudio udioss de de Hidro Hidrologí logíaa e Hid Hidrául ráulica ica - Me Memo mori riaa de de Cál Cálcu culo loss - Es Espe peci cific ficac acio ione ness Técnic Técnicas as - Anális Análisis is de Costos Costos Unitarios Unitarios y su descripción descripción técnica
-
Planil Plan illa la de Me Metr trad ados os Presup Pre supues uesto to o Val Valor or Refe Referenc rencial ial de Obra Obra Fórmu Fó rmula la Pol Polin inómi ómica ca de Re Reaj ajust ustee de de Pre Preci cios os Rela Re laci ción ón de Eq Equi uipo po Mí Mínim nimoo Crono Cr onogra grama ma de de Ejec Ejecuc ución ión de Obr Obraa Crono Cr onogra grama ma de De Dese semb mbol olsos sos Prog Pr ogra rama maci ción ón de Ob Obra ra Cale Ca lenda ndario rio Val Valori oriza zado do de Ava Avanc ncee Planos Desa De sagre grega gado do de Gas Gastos tos Gen Genera erale less
IV.- CALC IV.CALCULOS ULOS BASI BASICOS COS EN HIDRAULICA FLUVIAL APLICADA A DEFENSAS RIBEREÑAS
CARACTERISTICAS DE UN RIO
FLUJO EN UN CANAL Permanente Uniforme Turbulento/Laminar Bi-dimensional
FLUJO EN UN RIO Impermanente No Uniforme Turbulento Tri-dimensional
CALCULO DE VARIABLES HIDRAULICAS
EN FLUJO UNIFORME
VELOCIDAD: Veloci Vel ocidad dad Med Media ia V = R 2/3.S1/2/n (Fórmula de Manning) R: Radio Hidráulico S: Pendiente de fondo n: Coeficiente de rugosidad de Manning
Coeficiente Coefic iente de Rugos Rugosidad idad
Adop Ad opta ta va valo lore ress de ac acue uerd rdoo a la ca cara ract cter erís ísti tica ca de dell le lech choo Depend Depe ndee de de:: Tam Ta mañ añoo de pa part rtíc ícul ulas as de fo fond ndoo Tam Ta mañ añoo de fo form rmas as de fo fond ndoo
Supeficie
n
Cemento Liso
0.011
Tierra Gravosa
0.025
Tierra con Pedrones
0.040
ESFUERZO CORTANTE: CORTANTE: sfuerzoo Cortante en el fondo( o) - Esfuerz τo=γ.h.S γ : Peso Específico del Agua h: Tirante S: Pendiente de Fondo erfíl fíl de Esfuerzos Esfuerzos Cortantes( y) - Per τ =γ.(h - y).S y
EN FLUJ FLUJO O NO UNIF UNIFORM ORME E
PERFILES DE FLUJO: FLUJO:
EN FLUJO EN CURVAS
SOBRE-ELEVACION DEL AGUA:
EN FLUJO NO PERMANENTE
ONDAS DE AVENIDA:
EN FLUJO BIDIMENSIONAL Y TRIDIMENSIONAL
FLUJO BI-DIMENSIONAL: BI-DIMENSIONAL:
FLUJO TRI-DIMENSIONAL: TRI-DIMENSIONAL:
CALCULO DE LA SOCAVACION
CALCULO DE LA SOCAVACION GENERAL
El cálculo de la socavación general es aun un tema no completamente resuelto. La erosión general se estima mediante fórmulas empíricas, sustentadas con coeficientes obtenidos en laboratorio. Un método válido para estimar la erosión general en suelo granular y en suelo no cohe co hesi sivo vo es el mé méto todo do de Li Lich chtv tvan an – Lebediev.
METODO DE LICHTVAN LICHTVAN LEBEDIEV: LEBEDIEV: DESCRIPCIÓN DE PARÁMETROS Y UNIDADES 1
α * (d o ) (1+ x) ds = 0.68* Dm0.28 * β 5 3
ds
α do Dm
β x
α =
(d
Q d 53
m
Tirante despues de producirse la socavación (m) Coeficiente Tirante sin socavación (m) Diánmetro medio (mm) Coeficiente que depende del TR (Ver cuadro) Exp Exponen onente te que dep depen endde de: de: Dm Para Para suelo sueloss gran granula ulares res,, no no coc coche hesiv sivos os (Ver (Ver cuad cuadro ro)) γs Para suelos finos, cochesivos (Ver cuadro)
Qd dm Be
υ
)
* B e * µ
Caudal del río Tirante medio-A/Be Ancho efectivo de la sección Sin obstáculos Coeficiente de contracción (Ver cuadro)
COEFICIENTE BETA TR Años
COEFICIENTE BETA
1 2 5 10 20 50 100 500 1000
0,77 0,82 0,86 0,90 0,94 0,97 1,00 1,05 1,07
VALORES DE X PARA SUELOS CHOSIVOS ( s) Y N0 COHESIVOS (Dm)
γs
γs
X
kgf/m3 0,80 0,83 0,86 0,88 0,90 0,93 0,96 0,98 1,0 0 1,0 4 1,0 8 1 ,1 2 1 ,1 6
X
Dm mm.
X
Dm mm.
X
0,39 0,38 0,37 0,36 0,35 0,34 0,33 0,32 0,31 0,30 0,29 0,28 0,27
0,05 0,15 0,50 1,00 1,50 2,50 4,00 6,00 8,00 10,00 15,00 20,00 25,00
0,43 0,42 0,41 0,40 0,39 0,38 0,37 0,36 0,35 0,34 0,33 0,32 0,31
40,00 60,00 90,00 140,00 190,00 250,00 310,00 370,00 450,00 570,00 750,00 1000,00
0,30 0,29 0,28 0,27 0,26 0,25 0,24 0,23 0,22 0,21 0,20 0,19
kgf/m3 0,52 0,51 0,50 0,49 0,48 0,47 0,46 0,45 0,44 0,43 0,42 0,41 0,40
1,20 1,24 1,28 1,34 1,40 1,46 1,52 1,58 1,64 1,71 1,80 1,89 2,00
COEFICIENTE DE CONTRACCIÓN - u LONGITUD LIBRE ENTRE DOS PILAS (CLARO)
Vel Media m/s
10 m.
13 m.
16 m.
18 m.
21 m.
25 m.
30 m.
42 m.
52 m.
63 m.
106 m.
124 m.
200 m.
<1.00 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 >4.00
1,00 0, 9 6 0, 9 4 0, 9 3 0, 9 0 0, 8 9 0, 8 7 0, 8 5
1,00 0,97 0,96 0,94 0,93 0,91 0,90 0,89
1,00 0,98 0,97 0,95 0, 9 4 0, 9 3 0, 9 2 0, 9 1
1,00 0,98 0,97 0,96 0,95 0,94 0,93 0,92
1,00 0,99 0,97 0,97 0,96 0,95 0,94 0,93
1,00 0,99 0,98 0,97 0,96 0,96 0,95 0,94
1,00 0,99 0,99 0,98 0,97 0,96 0,96 0,95
1,00 1, 0 0 0, 9 9 0, 9 8 0, 9 8 0, 9 7 0, 9 7 0,96
1,00 1,00 0,99 0,99 0,98 0,98 0,98 0,97
1,00 1,00 0,99 0,99 0,99 0,98 0,98 0,98
1,00 1,00 1,00 0,99 0,99 0,99 0,99 0,99
1,00 1,00 1,00 0,99 0,99 0,99 0,99 0,99
1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 0,99 0,99 0,99
CALCULO DE LA SOCAVACION LOCAL EN ESPIGONES
Los metodos existentes son de naturaleza empirica.
Método de Artomonov: S T = P α * P q * P k * d 0 St
Profundidad máxima de socavación
Pα
Coefi Co efici cien ente te qu quee de depe pend ndee de dell án ángu gulo lo de dell espigó espigónn
Pq
Coeficiente que depende de los gastos Q1
Gasto téorico a tr traves del estribo
Q
Gasto total del río
Pk
Cofi Co fici cien ente te qu quee de depe pend ndee de dell ta talu ludd
do
Tirante aguas arriba del es estribo, si sin so socavación
Valores del coeficiente Pa e funcion de a 30° 0,84
P
60° 0,94
90° 1
120° 1,07
150° 1,19
Valores del coefiente Pq en funcion de Q1/Q Q1/Q Pq
0,1 2
0,2 2,65
0,3 3,22
0,4 3,45
0,5 3,67
0,6 3,87
Valores del coeficiente Pk en funcion de k Talud k Pk
0 1
0 ,5 0,91
1 0,85
1 ,5 0 ,8 3
2 0,61
3 0 ,5
0,7 4,06
CALCULO DE LA SOCAVACION EN CURVAS
METODO DE ALTUNIN: ALTUNIN:
Dmax= *dr Donde: Dmax: Profundidad Maxima Maxima del Agua (m) e: Coeficiente que depende de la relacion r/B (Ver Tabla) dr: Profundidad maxima en el tramo recto situado aguas arriba ar riba de la curva (m) Valores del coeficiente r/B
infinito 1.27
6 1.48
5 1.84
, en función de r /B 4 2.2
3 2.57
donde: r : radio de curvatura, B Ancho Superficial
2 3
CALCULO DEL ANCHO ESTABLE
El cauce estable es aquel cauce que se encuentra en equilibrio dinámico, no presentando tendencias a la erosión ni a sedimentación en el mediano y largo plazo
EN LECHOS GRANULARES: GRANULARES: METODO DE ALTUNIN ALTUNIN
B B A Q S n K
m
=
A *
Q 0 .2
S
3
5 (3+5*m) A = n* K 3
Ancho de la super fi ficie libr e de agua (m) Coeficiente Caudal (m3/s) Pendiente Coeficiente de rugosidad de Manning Coeficie icient nte e qu que de depend pende e de de la la res resiste istenc ncia ia de las las orill rillas as 3 a4 Materi teria al de de cauce muy res resistente nte 16 a 20 20 Mate aterial rial facil acilme ment nte e erosi rosio onab nable 8 a 12 Material aluvial 10 En los problemas de ingeniería Expon ente 0.5 Para ríos de montaña 0.7 Para cauces ar enosos 1.0 Para cauces aluviales
El metodo de Altunin se recomienda para material granular. No es apto para cauces con material cohesivo, se obtienen valores congruentes para ríos con arena. Está basado en datos y observaciones en la Unión Soviética, aplicable a ríos de gravas y material aún más grueso
EN LECHOS ARENOSOS: ARENOSOS: METODO DE BLENCH BLENCH
B
Q Fb
Fs
=
1.81*
Q * F b F s
Cau d al (m3/s ) Facto r d e fo n d o 0,8 Para material fin o 1,2 Para material g ru ru es o Facto r d e o rilla 0,1 Para materiales su su el elto s 0,2 Para ara mater ateriiales ales ligeram geramen ente te cohesi cohesivos vos 0,3 Para ma materiales co co he hes iv iv os os
El metodo de Blench se recomienda para cauces con material cohesivo o formados en arena fina. (D50 < 1mm). Para D50 > 1mm, se empiezan a obtener resultados absurdos.
OTROS METODOS:
M. de Maza Cruickshank: Se aplica para arenas y debera manejarse con cuidado en cauces con grava, no se puede utilizar en cauces con materiales cohesivos. M. de Lacey. Lacey. Se ajustó ajustó con canales canales en fondo fondo de arena hasta 0.4 mm tan solo.