C Á RC A AS Y C O O N T T R O L D T D E C C C AV V Y RR E E P R ES A AS D D E C O ES O N T T R O L D D E E AA Z ZO LV V
Definición
Control de cárcavas
Cárcava es una zanja causada por la erosión que sigue generalmente la máxima pendiente del terreno y constituye un cauce natural en donde se concentra y corre el agua proveniente de las lluvias. El agua que corre por la cárcava arrastra gran cantidad de partículas de suelo producto de la erosión.
La primer acción que se debe llevar a cabo para controlar una cárcava es eliminar la causa que la originó, para lo cual se tiene que efectuar trabajos a dos niveles:
Formación Forma ción de la cárcava cár cava Generalmente, cuando el agricultor utiliza nuevos terrenos para cultivo, corta la vegetación arbórea, arbustiv arbu stivaa y herbácea, herbácea, limpia limpia el terre terreno no dejándolo dejándolo expuesto a la acción directa de la lluvia y el escurrimiento superficial, ocasionando inicialmente la remoción y el arrastre de las partículas del suelo por capas delgadas (erosión laminar). El agua, a medida que va descendiendo por po r la ladera y debido a las irregularidades en el relieve del terreno, se va concentrando, formando pequeños canales, los que a su vez se juntan y forman un canal mayor. Con una masa de agua mayor y una velocidad que va en aumento, la erosión se va acentuando, formando inicialmente pequeños surcos, los que se van agrandando horizontal y verticalmente hasta que finalmente se forman las cárcavas, llamadas también zanjas; barrancos o torrenteras.
A nivel de ladera o área de drenaje, que en muchos casos resulta ser suficiente, cuando con prácticas de conservación se controla el escurrimiento superficial en esta zona. En caso contrario, si después de haber tratado la ladera todavía se mantiene flujo por la cárcava, entonces se efectúan trabajos a nivel de la cárcava misma.
Prácticas de d e conservación conservaci ón a nivel niv el de lad era er a Cualquier práctica a ser aplicada a nivel de ladera debe encaminarse fundamentalmente a evitar o controlar totalmente el escurrimiento superficial y permitir uniformemente su infiltración; las prácticas apropiadas son: -
Repoblación de pastos y bosques, fundamentalmente con especies nativas. Buen manejo de pastos (pastoreo de corta duración y frecuente) y bosques. Zanjas de infiltración en bosques y pastizales. Terrazas de absorción. Surcos en contorno. Zanjas de desviación.
Control de cárcavas
1
Prácticas a nivel de Cárcavas Después de haber tratado la ladera y si todavía hay escurrimiento en la cárcava misma, se efectuará trabajos a nivel de ésta, consistentes en la construcción o colocación de presas o pequeñas barreras u obstáculos transversales a la cárcava, a fin de disminuir la velocidad del agua y favorecer la sedimentación de las partículas que lleva el agua en suspensión. Las presas se construyen a lo largo de la cárcava y pueden ser hechos de costales llenos de arena (Figura 1) piedras (Figura. 2), ramas (Figura. 3), palos (Figura. 4), gaviones (Figura 5) barreras vivas, etc.
cárcava y en la zona circundante a ella, en por lo menos un radio igual a cinco veces la profundidad de la cárcava. Las paredes mismas de las cárcavas deben estar cubiertas por vegetación natural o sembradas especialmente con pastos. Antes de proceder a rehabilitar una cárcava hay que definir que tipo de medidas correctivas deberán adoptarse para su control y si estas medidas se justifican en términos de valor de la tierra aguas arriba y abajo de la obra. El valor de la tierra puede considerarse en función de su rentabilidad, beneficio social, protección de la cuenca para conservación de una obra hidráulica, la protección aguas abajo de terrenos de riego, protección de vías de comunicación, áreas urbanas, infraestructura hidroagrícola, etc. Cada uno puede considerarse prioritario, pero es más conveniente evaluarlos en función del costo actual y de la relación beneficio-costo que cada una representa.
Rehabilitación La rehabilitación y control de cárcavas considera dos principios básicos: la rehabilitación parcial y la rehabilitación total.
Un aspecto importante es el espaciamiento entre presas. El principio fundamental que se debe tener presente para la determinación del espaciamiento entre presas es que el centro del borde superior de una presa esté al mismo nivel que la base de la presa siguiente aguas arriba. Un medio eficaz en el control de la cárcava es permitir el crecimiento de la cubierta vegetal, evitando el pastoreo de animales a lo largo de la
El control parcial es muy económico, se utiliza satisfactoriamente cuando el objetivo no es corregir la cárcava totalmente, sino que se utiliza como medida preventiva. Teóricamente, esta clase de solución es muy económica debido a la sencillez de las estructuras que se utilizan, pero desafortunadamente este tipo de sistema no llega a recuperar el estado original de la cárcava, lo que implica que el problema de degradación persista, ocasionando gastos inútiles, tiempo y esfuerzo. Además, el control parcial no controla el punto donde se origina la cárcava, es decir, no considera el control de la erosión remontante El segundo considera la restauración total de la cárcava bajo los siguientes consideraciones: la rehabilitación del sistema hidráulico mediante estructuras de control permanentes y/o creando nuevas condiciones hidráulicas para reducir el escurrimiento superficial mediante canales colectores, interceptores y de desviación, además de detener la erosión remontante.
Control de cárcavas 2
Los principios anteriores permiten seleccionar el orden de ejecución de obras. Existen diferentes opiniones, algunos sostienen que los trabajos deben iniciarse por la parte más alta y otros que por la parte más baja. Sin embargo, cada cárcava es un caso particular, el orden de ejecución de obras debe iniciarse por donde sea más urgente. Pueden distinguirse cuatro etapas importantes en el control de una cárcava : Origen de la cárcava. Detecta el origen de formación de la cárcava, se evita el crecimiento longitudinal de la cárcava controlando la erosión remontante. Esta etapa se conoce comúnmente como cabeceo de la cárcava. Estabilización de taludes. Se encarga de estabilizar los taludes, ambas márgenes de la cárcava, evitando que crezca en su ancho, al mismo tiempo controla y reduce el escurrimiento superficial lateral. Controla el desarrollo de cárcavas ramificadas laterales. Caracterización física del suelo. En esta etapa se determinan las características físicas del suelo (permeabilidad, compactación, estructura, dureza, etc.) a fin de conocer su comportamiento al momento de cimentar la obra. Selección del tipo de estructura. Finalmente, la cuarta etapa implica seleccionar el tipo de obra en función de las etapas anteriores.
Clasificación de las obras de control Las presas de control de azolves se clasifican de acuerdo de acuerdo a los materiales empleados para su construcción y la vida útil de estos en permanentes y temporales. Dentro del grupo de estructuras permanentes, podemos ubicas las presas de mampostería, gaviones y presas de muro vivo; en un segundo grupo se encuentran las presas de costales, piedra acomodada, ramas y palos.
Selección de los sitios de construcción La selección de los sitios de construcción de las presas considera lo siguiente: Deberá ser la parte más angosta de la cárcava, a fin de reducir costos de construcción y lograr mayor estabilidad en las márgenes.
El lugar debe ser un tramo recto de aprox. 20 metros aguas arriba del sitio de construcción a fin de lograr que el escurrimiento se conduzcan linealmente hasta impactarse de frente sobre el muro transversal; evite construir presas en meandros y lugares curvos del cauce. El sitio deber tener taludes bien consolidados, (Rel. 0.7:1) a fin de evitar deterioro; las márgenes no deben ser salida de otra cárcava. Si el sistema de drenaje se encuentra muy disectado, deberá seleccionarse en una confluencia (punto donde ocurren otras cárcavas) a fin de controlar varias cárcavas con una sola obra. Por el contrario, en muro de control no deberá construirse en una bifurcación (punto donde se originan dos cárcavas).
Espaciamiento unitario
Espaciamiento doble
Figura 1. Espaciamiento entre presas de control de azolve
Espaciamiento entre presas El espaciamiento es función de la pendiente de la cárcava (Pc), la pendiente de los sedimentos aguas arriba de la presa (Ps) y del tratamiento que se pretenda en el control. De acuerdo al Manual de Conservación del Suelo y del Agua (SARH, 1977), para determinar el espaciamiento más adecuado entre presas deben tomarse las siguientes consideraciones: El espaciamiento más eficiente se obtiene cuando una presa se construye en la parte donde terminan los sedimentos depositados por la presa anterior. Para obtener un espaciamiento adecuado, deberá conocerse el volumen de sedimentos transportados por el escurrimiento que circulan por la cárcava a fin de determinar la capacidad de azolves de la presa. Control de cárcavas 3
En función de lo anterior se considera que los criterios de espaciamiento se determinan como sigue: Espaciamiento unitario y por doble espaciamiento. Tanto el espaciamiento unitario como el doble presentan una superficie inclinada formada por los sedimentos retenidos aguas arriba de la presa. Esta superficie se conoce como pendiente de compensación o aterramiento, menor que la pendiente de la cárcava. Su valor se determina en función del tamaño de los materiales transportados por escurrimiento máximo y las características hidráulicas de la cárcava.
Diseño de presas de piedra acomodada. Por la profundidad de las cárcavas zona y por su área de escurrimiento,: la función de las presas en el control de cárcavas será la de contención de azolves y la disminución de energía cinética del agua.
Diseño de presas filtrantes de piedra acomodada. Al igual que en las presas de mampostería, se considera como factor crítico para su diseño, su seguridad para resistir el volcamiento, debiendo por tanto pasar la resultante de las fuerzas que actúan en la presa por el medio de su base (Figura 1).
Diseño de las presas En el diseño se definen las dimensiones más adecuadas de los tendidos que forman el cuerpo de la obra y la estabilidad de los mismos. Para el diseño se consideran los siguientes puntos: Determinar las secciones transversales de la cárcava donde se desea llevar a cabo la construcción. Estas deben dibujarse a escala 1:100 preferentemente. Determinar la curva de áreas y capacidades para cuantificar volúmenes de agua y sedimentos almacenados aguas arriba de la presa. Estimar el escurrimiento máximo que tiene lugar en la cuenca de la cárcava (área de recepción) a fin de diseñar la capacidad máxima del vertedor. Considerar empotramientos máximos permisibles en ambas márgenes de la cárcava con el propósito de evitar posibles filtraciones que debiliten la seguridad de las obras. Proporcionar un colchón amortiguador a fin de evitar el golpe de la caída del agua sobre el piso aguas abajo de la obra en el momento de verterse las aguas, evitando de esta manera la socavación del lecho y el deterioro de las paredes laterales. Considerar el volumen total de excavación que la construcción demande, así como la dureza del suelo y las condiciones físicas del lecho de la cárcava.
Figura 1. Diagrama de fuerzas actuantes en una presa de piedra acomodada . De acuerdo al material existente en los sitios de construcción, se torna para el diseño de estabilidad las siguientes constantes: Relación de vacíos = 1/3 3 Peso específico de la piedra = 2.4 ton/m 3 Peso específico del agua con sedimentos = 1.2 ton/m Coeficiente de fricción: piedra sobre piedra = 0.67 piedra sobre grava = 0.5 Teniendo en cuenta los valores anteriores, el dimensionamiento de la base de la presa estará sujeto a la siguiente fórmula:
B ?
5 / 4c 2 ? H 2
?
c / 2
(1)
Donde: B es el ancho de la base (m); c es el ancho de corona en m (valor obtenido experimentalmente); H es la altura total de la presa (m). El bordo libre (BL) en todos los casos será de 0.20 m y el ancho (B) del zampeado se excederá en 0.60 m a la longitud (L) del vertedor (0.30 m a cada lado).
Control de cárcavas 4
Haciendo uso de la fórmula anterior se procedió a la elaboración del cuadro de dimensionamiento y en el cual se utiliza las siguientes literales (Figura 2)
VIS TAFRON TAL PLANTA
c
Hd
Zampeado seco
h
l
= _____m
= Longitud zampeado seco
= _____m = _____m = _____m = _____m = _____m = _____m
Dimensionamiento para muros de piedra
Dentellón
h (m) 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6
z
B SECCION
= _____m = _____m = _____m = _____m = _____m
B = Base de la presa BL = Bordo libre T1 = Talud aguas abajo T2 = Talud aguas arriba b = Ancho zampeado seco z = Empotramiento
TERRAPLEN
BL
SIMBOLOGIA c = Ancho de corona h = Altura efectiva de la presa hd = Carga de diseño sobre el vertedor L = Longitud del vertedor H = Altura total de la presa
TRANSVERSAL
Hd ( m) 0.50 1.00 0.50 1.00 0.50 1.00 0.50 1.00 0.50 1.00
c (m) 0.70 1.35 0.85 1.65 1.00 2.00 1.35 2.70 1.40 2.85
B (m) 1.80 1.85 2.70 2.70 3.60 3.65 3.90 4.10 4.00 4.35
z (m) 0.30 0.30 0.30 0.30 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50
(m) 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.50 1.50 1.50 1.50
x (m) 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20
Figura 2. Croquis de presas de piedra acomodada
Control de cárcavas 5
Especificaciones de diseño de presas para el control de Azolves Piedra Acomodada Piedra Bola B1
e
L
B3
B2
B H2
SECCION
TRANSVERSAL
ANCHO DE LA CÁRCAVA
Especificaciones de diseño de presas para el control de Azolves Piedra Acomodada Piedra Bola B1
e
B2
B3
L
B H2
SECCION
TRANSVERSAL
ANCHO DE LA CÁRCAVA
TRANSVERSAL
Materiales Altura
DIMENSIONES
H1 Piedra bola 0.50
B1 1.50
B2 0.50
B3 0.80
H2 0.30
L 0.75
B 0.20
e 0.20
Pala Pico
1.00 1.50 2.00
2.80 4.30 5.50
1.00 1.30 2.00
1.50 2.50 3.00
0.30 0.50 0.50
1.50 2.20 3.00
0.20 0.30 0.30
0.30 0.50 0.50
2.50 3.00
6.70 8.00
2.20 3.00
4.00 4.50
0.75 0.75
3.50 4.00
0.40 0.40
0.50 0.50
Figura 4. Sección y especificaciones para presas de piedra bola
Control de cárcavas 6
Especificaciones de diseño de presas para el control de Azolves Presas de ramas TERRAPLEN
Pendiente dl Talud 2:1
Zacate
Ramas
A
D
Suelo Zacate
Pendiente 1:1
L
15 cm
S P L A N T A
Z A C A T E 1 0 c m D E E S P R E S OR
L B
A
Ramas
A Estacas
AMARRE DE ALAMBRE
SECCION TRANSVERSAL
Características de las presas de ramas Material Ramas Zacate Alambre Postes Polines Pico Pala Pinzas Barrena Postera
Altura H
a*
p*
D
P
A
T
L
B
S
50
20
20
20
20
50
40
75
10
200
100
30
30
25
30
75
50
150
20
150
150
35
30
50
30
100
60
175
30
100
B) Especificaciones para la construcción * Variable de acuerdo con el material de la cárcava
Figura 4. Secciones y especificaciones para presas de ramas
Control de cárcavas 7
Diseño de las presas de contención de azolves Mampostería El diseño se realiza considerando únicamente presas de tipo gravedad, en las que todas las fuerzas que intervienen en la estabilidad de la obra son equilibradas por el peso propio de la estructura. En este método de diseño se busca que la resultante de las fuerzas actuantes quede dentro del tercio medio de la base de cada sección, evitando con ello que se presenten tensiones. Una vez obtenidas las dimensiones se hace una revisión para obtener los factores de seguridad al volcamiento y deslizamiento.
Por tratarse de obras de dimensiones muy reducidas y cuya falla no pone en peligro vidas humanas, en el análisis de esfuerzos no se consideraron los efectos de sismos, viento y presión de hielo. Asimismo se hicieron algunas consideraciones que responden a las condiciones medias de la zona de trabajo. e H1 Hd
H
W1 h
F
) d H + h (
) d H + h (
3
W2
m
n
2
?
C S
h H B e Hl F C f
B
= Altura efectiva de la presa. = Altura total de la presa. = Ancho base. = Ancho corona. = Bordo libre = Empuje hidrostático. = Coeficiente de subpres ión. = Peso específico del material de la cortina
w=
Peso específico del agua con sedimentos. S = Subpresión.
Figura 3. Fuerza que actúan en una presa de gravedad.
Control de cárcavas
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Cálculo del ancho de corona "e" ½ e
1
1
/3 e
/ 6 e
H1
1
H + d H
Hd F W
d H
m
n
S Figura 4. Diagrama de esfuerzos
Fuerza W = ? e (HD+H1) F ? S?
?
2
? HD?
Brazo 1/6 e
Momentos (kg·m) 1/6 e2 ? (HD+H1)
1/3 HD
1 6
2 C ? Hde
1/3 e
1
2
6
? HD
3
? Hde
3
Para que la resultante pase por el tercio medio ? Mn = 0, por lo tanto
1 6
2
? Hde ?
1 6
? ? Hd ? Hl ?e ? 2
1 6
?
3
?Hd ?
?
0
Simplificando y despejando “e”
e?
?
? Hd ?
3
?? Hd ? H 1??
C ? Hd
(2) 3
Donde: e es el ancho de la corona (m); ? representa el peso específico del agua con sedimentos (Kg/m ); ? es el Peso específico del material de la cortina ( Kg/m 3 ); Hd es la cargo de trabajo del vertedor (m); HL bordo libre (m); y C es el coeficiente de subpresión (0-1) adimensional.
Control de cárcavas
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Cálculo del ancho de la base “B” Con base en la Figura 3, se procede a calcular los momentos con respecto al punto n. Fuerzas que se consideran en el análisis: 1) Peso de la sección rectangular de la cortina W 1 ; Peso de la sección triangular de la cortina W 2 ; Empuje del agua F; y Subpresión S Fuerza
W 1 ? S?
?h ? Hd
?
F ?
?
1 2
Brazo
1
2
3
2 e H
?
Momentos (kg·m)
? H ? Hd ?
1
2 1 B ? e 3 2
1
3
6
2 1
1 B 3
C ? ?h ? Hd ? Bc
?h ? Hd ?
?
6
2
e ? H ?
2 3
eB? H
2 C ? ?h ? Hd ? B
Para asegurarnos de que se presenten tensiones, la resultante de las fuerzas debe pasar por el tercio medio de la base, siendo el límite cuando dicha resultante pasa por n, con lo cual la suma. de momentos con respecto al punto 11 deberá ser igual a cero ? Mn =0 ?
Mn ?
1 6
C ? ?h ? Hd ? B
2
?
1 6
?hB ?
1 2
e?hB ?
2 3
e? HB ?
1 2
2
e ? H ?
1 3
2
e ?h ?
1 6
?
?h ? Hd ?
3
Realizando operaciones y agrupando términos tenemos:
?C ?h ? Hd
? ?h? B
2
?
3e?h ? 4e? H B ? 3 H ? 2 h ??e 2
??
?h ? Hd ?
3
?
0
2
Siendo esta una. Ecuación cuadrática del tipo ax + bx + c = 0; podemos encontrar el valor de B que la satisface por medio de la ecuación general.
Base ?
?b ?
b
2
?
4ac
(3)
2a
donde: a = C ? (h+Hd)- ? h 8 b = ? e (3h -4H) c = ? e2(3H -2h) + ? (h+Hd)3
(4) (5) (6)
En las ecuaciones 3y 6 las variables ya han sido definidas y para encontrar el valor de B es necesario haber calculado antes el valor de "e", por medio de la ecuación 10-2, obtener los valores de las variables a, b y c, y sustituirlos en la Ecuación 10-3. Para las condiciones medias de la región se utilizaron los siguientes valores: Pesos específico mampostería Pesos específico del agua con sedimentos Bordo libre mínimo Espesor mínimo corona Coeficiente de subpresión
? = 2,400 Kg/m3 ? =1,200 Kg/m3 Hl = 0.20 m e mín = 0.20 m Cs = 0, 1/2, 2/3 y 1. Control de cárcavas
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