4. DISEÑO DE REVESTIMIENTOS CON GAVIONES MSc. In MSc. Ing. g. Rober Roberto to Ca Camp mpaña aña Tor Toroo
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MAYO 2003
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R evesti miento de Ta Talud lud Río Ica (IC ICA) A)
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R evesti miento de Ta Talud lud Río Ica (IC ICA) A)
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Vista del ala lam m br bre e del gav gavió ión n tipo co colch lchó ón, nótes ótese e for ma de de la coca cocad da y el revesti revestimiento de PV C del ala m bre
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El revestimiento tiene por objetivo proteger el material de las riberas contra los efectos de la erosión. El revestimiento se apoya sobre un talud estable.
Se realiza con los gabiones tipo “Colchon”, tambien conocidos como “Reno”
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Procedimiento de Diseño 1.-Predimensionamiento de colchones. 2.- Verificación de arrastre de colchones por velocidades. 3.- Verificación de arrastre de colchones por esfuerzos cortantes. 4.- Verificación de deformaciones en el colchón. 5.- Verificación de estabilidad de material base por flujo en espacio colchon-filtro. 6.- Diseño de protección de pie de talud. 7.- Abertura de Malla 8.- Recubrimiento 9.- Zonificación 10.-Talud y Anclajes
1.- PREDIMENSIONAMIENTO DE COLCHONES -
Se deben estimar dimensiones iniciales de las protecciones en funcion de las solicitaciones a resisitir. Se determinan asi: Longitud (L), ancho (B), espesor (t), calibres (ϕ) y diametros medios de las piedras (dm).
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Se predimensiona tomando en cuenta la velocidad media de la corriente y criterios de estabilidad.
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1.1.- Determinación de velocidades actuantes: -
Si se justifica se puede asumir un flujo uniforme y utilizar formulas de Manning o Chezy.
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En caso contrario se deben adoptar metodos apropiados en funcion del problema (Modelos 1D, 2D y eventualmente 3D)
Flujo Uniforme: F. Manning V = R 2/3.S 1/2/n donde: V = Velocidad Media R = Radio Hidráulico S = Pendiente de fondo n = Coef. De Rugosidad de Manning
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1.2.- Predimensionamiento de espesores y tamaño de relleno
TABLA 1
Velocidad Crítica: Velocidad que puede soportarse sin inicio de movimiento de piedras en colchon. Velocidad Límite: Velocidad que puede soportarse admitiendo modestas deformaciones debido al movimiento de piedras en colchon
1.3.- Predimensionamiento de colchones:
TABLA 2
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2.- VERIFICACION DE ARRASTRE DE COLCHONES POR VELOCIDADES -
Se debe evitar que los colchones sean arrastrados por la corriente.
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Se debe verificar que las velocidades actuantes (va) no superen a las velocidades de iniciacion de movimiento de las piedras contenidas en el colchon (vc).
2.1- Determinación de Velocidad Crítica (vc) – Se Calcula el numero de Froude (Fr) mediante: Fr = v/(g.d) 1/2 donde:
V= velocidad media de la corriente g = aceleracion de la gravedad d = Profundidad Hidraulica Media = Area Mojada / Ancho Superficial. – Con el diámetro medio del material de relleno de los gaviones (dm), el espesor del colchón y el Numero de Froude (Fr) se obtiene el valor de la velocidad crítica de las figuras a y b.
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Fig 1. a Velocidad Crítica Vc1 que causa el movimiento de las partículas en función de su tamaño. Fuente: MACAFERRI
Fig 1.b Velocidad Crítica Vc2 que causa el movimiento de las partículas en función del espesor del colchón. Fuente: MACAFERRI
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Elegir como Velocidad Critica (Vc) la menor de Vc1 y Vc2.
2.2.- Verificación:
Si Va > Vc habrá arrastre de colchones, - Se debe incrementar diametros de las piedras del cholchón. - Se debe incrementar espesor del colchon.
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3.- VERIFICACION DE ARRASTRE DE MATERIAL DE COLCHONES POR ESFUERZOS CORTANTES
Se debe evitar que los esfuerzos cortantes sobre el fondo y las paredes ocasionen el lavado del material. Se debe verificar que los esfuerzos cortantes actuantes sobre los taludes y el lecho ( τat y τal) no superen a los esfuerzos cortantes criticos en el fondo y paredes ( τct y τcl) respectivamente.
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3.1- VERIFICACION DE ARRASTRE DE MATERIAL DE COLCHONES POR ESFUERZOS CORTANTES EN LOS TALUDES A.- Determinación de esfuerzos cortantes actuantes en los taludes: τa= K1.γ .h.S
donde: τa: Esfuerzo cortante máximo γ :Peso específico del Agua h: Tirante máximo K1: Coeficiente que depende del talud.( ≅0.75)
B.- Determinación de Esfuerzos Cortantes Críticos sobre taludes: τc=C’*.(γ s- γ w)dm .K2
donde:
τ c: Esfuerzo Cortante Crítico en la orilla (kg/m2) C’* : Coeficiente de Shields ( ≅ 0.10) γ s : Peso Específico de la piedra del colchón ( ≅ 2500 kg/m3) γ w: Peso Específico del agua(1000 kg/m3)
dm: Diámetro Medio de la piedra del colchón (m) K2 = (1-sen2θ/sen2ϕ)1/2
donde: θ: Angulo que forma el talud con la horizontal ϕ: Angulo de reposo de la piedra del colchon ( ≅ 41o)
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C.- Verificación. Si: τa > τc las piedras del revestimiento se moveran. Chequear: Si: 1.2 τc >τa > τc efectuar control de deformaciones. Si: τa > 1.2τc - Incrementar diametro de la piedra. - Incrementar espesor del colchón.
3.2- VERIFICACION DE ARRASTRE DE MATERIAL DE COLCHONES POR ESFUERZOS CORTANTES EN EL LECHO A.- Determinación de esfuerzos cortante maximo actuante en el lecho : τa= γ .h.S
donde: τa: Esfuerzo cortante máximo γ :Peso específico del Agua h: Tirante máximo
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B.- Determinación de Esfuerzos Cortantes Críticos sobre el lecho: τc=C’*.(γ s- γ w)dm
donde: τ c: Esfuerzo Cortante Crítico en la orilla (kg/m2) C’* : Coeficiente de Shields (≅ 0.10) γ s : Peso Específico de la piedra del colchón ( ≅ 2500 kg/m3) γ w: Peso Específico del agua(1000 kg/m3)
dm: Diámetro Medio de la piedra del colchón (m)
C.- Verificación. Si: τa > τc las piedras del revestimiento se moveran. Chequear: Si: 1.2 τc >τa > τc efectuar control de deformaciones. Si: τa > 1.2τc - Incrementar diametro de la piedra. - Incrementar espesor del colchón.
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4.- CONTROL DE DEFORMACIONES EN EL COLCHON
Fig 2. Esquema del movimiento de las piedras en el interior de los colchones. Fuente: MACAFERRI
Fuente: MACAFERRI
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Se debe evitar que el fondo del colchon quede descubierto.
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Se recomienda que el espesor minimo sea mayor que el diametro medio de las piedras del colchon (Emín >dm)
A.- Determinación de determinación de espesor mínimo (Emin) luego de la deformación. Emín = t-∆t t: espesor del colchón ∆t : deformación del colchón
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B.- Determinación de deformación máxima producida(∆t) ∆t es obtenida de la figura 3, ingresando el valor del
coeficiente de Shields Eficaz definido por C’* = (τaτc)/[(γ s - γ m).dm] donde: τc: Esfuerzo Cortante Crítico en la orilla (kg/m2) τa: Esfuerzo cortante actuante máximo (kg/m2)
dm : diámetro medio de las piedras de relleno
Fig. 3. Relación entre Parámetro de deformación y Coeficiente Efica De Shields. Fuente: MACAFERRI
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C.- Verificación: Si Emín < dm, habrá peligro en material base. - Se debe incrementar espesor de colchón (t).
- Incrementar diametro (dm) de piedras.
5.- VERIFICACION DE EROSION EN EL ESPACIO ENTRE COLCHON Y MATERIAL BASE
Fig. 4.a. Flujo entre colchones y material base. Fuente: MACAFERRI
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Se debe evitar que el material base sea lavado por la corriente. Se procura que la velocidad del agua en el espacio entre el colchon y el material base (va) sea menor que la velocidad critica de arrastre del material base (ve).
A.- Determinación de Velocidad en el espacio entre colchón y material base. Va = (dm/2)2/3.S1/2/nf donde: Va: velocidad del agua entre el colchón y el fondo. dm: diámetro medio de piedras en colchón. S: pendiente del canal. nf : rugosidad del fondo (0.020 si hay filtro geotextil o no hay filtro, 0.025 si hay filtro de grava)
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B.- Determinación de velocidad que puede soportar el suelo sin ser erosionado (Ve). - En terrenos no cohesivos: Ve=16.1.d1/2, donde: d100: diámetro de partículas del suelo base (m) - En terrenos cohesivos: Usar fig. 4 ingresando el tipo de suelo y el porcentaje de vacíos del suelo.
Fig. 4. Velocidades Máximas Permisibles en Suelos Cohesivos Fuente: MACAFERRI
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C. Verificación: Si Va > Ve habrá erosión Se recomienda usar un filtro geotextil o un filtro de grava.
D.- Filtro Geotextil. Si se usa filtro geotextil: Va1 ≅Va/4 a Va/2 Verificar Va1 > Ve, sino cumple usar filtro de grava.
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E.- Filtro de Grava Espesor (S): 0.15 m < S < 0.20 m
y
S > (dv/f).[1-(ve/va)2], donde dv=df 50/5 y f = 0.05 Granulometría: df 50/ds50 < 40; 5 < df 15/ds15 <40; df 15/ds85 <5
6.- Protección de pie de talud. Tipo 1: Para pequeñas profundidades de erosión general ∆z < 1.5 m, se profundiza el pie de talud en un valor mínimo de ∆ z .
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Tipo 2: Para grandes profundidades de erosión general ∆z >1.5 m, extender horizontalmente protección de pie de talud en una longitud ) x > 1.5 ∆ z.
7.- Abertura de Malla y Calibres.
Pequeñas Aberturas de Malla proporcionan mejores caracteristicas de resistencia mecánica.(Compresión, Tracción y Abrasión) Calibres grandes proporcionan mejores caracteristicas de resistencia mecánica. (Compresión, Tracción y Abrasión)
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EFECTO DE ABRASION
FUERTE PENDIENTE (S > 0.5 %) PENDIENTES MEDIAS (0.1 %
ALTA ABRASION MODERADA ABRASION PEQUENA ABRASION
8.- Recubrimientos
El recubrimiento del alambre ya sea con una capa de triple Zn o con la aleación Zn + Al, mejora la resistencia a la corrosión, con respecto a un galvanizado simple. En condiciones severas de corrosión se debe proteger con PVC.
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EFECTO DE CORROSION
AMBIENTE RURAL AMBIENTE URBANO AMBIENTE MARITIMO AMBIENTE INDUSTRIAL
BAJA CORROSION MODERADA CORROSION ALTA CORRROSION MAYOR CORROSION
9.- Zonificación Vertical
Es posible zonificar verticalmente los colchones de tal manera de obtener mejores resistencias en las zonas más esforzadas. La zonificación se da en función de las dimensiones de malla y los calibres. P. Ejemplo: Especificar mallas de menores cocadas y mayor calibre en las partes inferiores de un revestimiento previene desgastes por abrasión.
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Fuente: ANDEX
Fuente: ANDEX
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10.- Disposición en talud Normalmente los taludes de apoyo son perfilados con pendiente de 1:1.5 y 1:2 según el tipo de terreno. – 1:1.5 para terrenos vegetales de mediana consistencia. – 1:2 para terrenos arenososos finos incoherentes.
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Para taludes más empinados se recomienda el uso de estacas.
11.- Anclajes en extremos.
A fin de evitar fallas por los bordes se recomienda anclar los colchones al inicio y al final del tramo a proteger.
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Normatividad
El Perú no tiene una norma técnica para la especificación de Gaviones. En el mundo existen normatividades diversas: – ASTM 975-97, ASTM A-641. – BS 1052, BS443
Se debe exigir al proveedor garantías del producto.
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PROCESO CONSTRUCTIVO
FUENTE: MACCAFERRI
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