1
FACULTAD DE AGRONOMÍA ESCUELA DE INGENIERIA AGRÍCOLA 5-8-2015
_
CURSO
_
_
: HIDRÁULICA FLUVIAL
TEMA
: “DISEÑO DE ESPIGONES”
PROFESOR : Ing. WALTER RAMÍREZ CHACÓN
ALUMNA
: CAJUSOL CHIROQUE ROSALINDA
Piura, Julio del 2015
2
1 Contenido ...................................................................................................................... ........................................................ ............................................................... 5. ........................................................................................................................... ........................................................... ................................................................. 6. ...................................................................................................................... ...................................................... ........................................................................... ........... 7
A.
OBJETIVOS GENERALES: ...................................................... ¡Error! Marcador no definido. ............................................................ ......¡Error!
B.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS: ..................................................... .......................................................................................................... ..................................................... 7 ........................................................................................................................ .......................................................... ............................................................... 8. ....................................................................................... ...................................................... ................................. 8
4.1
EL COMPORTAMIENTO DE LOS RÍOS .............................................................. ................................................................................... .....................8
4.1.1 4.2
LAS DEFENSAS FLUVIALES ........................................................... ............................................................................................ ................................. 8
LOS ESPIGONES ...................................................... .................................................................................................................... ............................................................... 9.
4.2.1
DEFINICIÓN .............................................................. ................................................................................................................... ..................................................... 9
4.2.2
PARTES DE UN ESPIGON .............................................................. .............................................................................................10 ...............................10
4.2.3
FUNCIONES GENERALES DE LOS ESPIGONES .............................................................1 .............................................................10 0
4.2.4
FORMAS DE ESPIGONES .............................................................. .............................................................................................11 ...............................11
4.2.5
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE USO ........................................................ ...........................................................................11 ...................11
4.2.6
TIPOS DE ESPIGONES ......................................................... ..................................................................................................12 .........................................12
4.2.7
ELECCIÓN DE TIPO DE ESPIGON .............................................................. .................................................................................12 ...................12
4.2.8
MATERIALES NECESARIOS ........................................................... ..........................................................................................13 ...............................13
4.2.9
MANTENIMIENTO .............................................................. .......................................................................................................13 .........................................13
4.2.10
DISEÑO DE ESPIGONES ...................................................... ...............................................................................................13 .........................................13
4.2.11
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA DE DEFENSA .............................................14
a)
Consideraciones: .............................................................. .................................................................................................................14 ...................................................14
b)
Localización en planta ..................................................... ........................................................................................................15 ...................................................15
c)
Definición del Angulo de un espigón ................................................................................15
d)
Socavación.- ........................................................... ........................................................................................................................1 .............................................................15 5
e)
Longitud de los espigones ......................................................... ..................................................................................................16 .........................................16
2
1 Contenido ...................................................................................................................... ........................................................ ............................................................... 5. ........................................................................................................................... ........................................................... ................................................................. 6. ...................................................................................................................... ...................................................... ........................................................................... ........... 7
A.
OBJETIVOS GENERALES: ...................................................... ¡Error! Marcador no definido. ............................................................ ......¡Error!
B.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS: ..................................................... .......................................................................................................... ..................................................... 7 ........................................................................................................................ .......................................................... ............................................................... 8. ....................................................................................... ...................................................... ................................. 8
4.1
EL COMPORTAMIENTO DE LOS RÍOS .............................................................. ................................................................................... .....................8
4.1.1 4.2
LAS DEFENSAS FLUVIALES ........................................................... ............................................................................................ ................................. 8
LOS ESPIGONES ...................................................... .................................................................................................................... ............................................................... 9.
4.2.1
DEFINICIÓN .............................................................. ................................................................................................................... ..................................................... 9
4.2.2
PARTES DE UN ESPIGON .............................................................. .............................................................................................10 ...............................10
4.2.3
FUNCIONES GENERALES DE LOS ESPIGONES .............................................................1 .............................................................10 0
4.2.4
FORMAS DE ESPIGONES .............................................................. .............................................................................................11 ...............................11
4.2.5
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE USO ........................................................ ...........................................................................11 ...................11
4.2.6
TIPOS DE ESPIGONES ......................................................... ..................................................................................................12 .........................................12
4.2.7
ELECCIÓN DE TIPO DE ESPIGON .............................................................. .................................................................................12 ...................12
4.2.8
MATERIALES NECESARIOS ........................................................... ..........................................................................................13 ...............................13
4.2.9
MANTENIMIENTO .............................................................. .......................................................................................................13 .........................................13
4.2.10
DISEÑO DE ESPIGONES ...................................................... ...............................................................................................13 .........................................13
4.2.11
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA DE DEFENSA .............................................14
a)
Consideraciones: .............................................................. .................................................................................................................14 ...................................................14
b)
Localización en planta ..................................................... ........................................................................................................15 ...................................................15
c)
Definición del Angulo de un espigón ................................................................................15
d)
Socavación.- ........................................................... ........................................................................................................................1 .............................................................15 5
e)
Longitud de los espigones ......................................................... ..................................................................................................16 .........................................16
3 f ) Separ Separaci ació ón entr e espi espigones gones ...................................................... ...............................................................................................16 .........................................16 g) Construcci Constr ucció ón por etapas .....................................................................................................16 .....................................................................................................16
4.2.12 4.3
DISEÑO DEL CANAL DE UNA CORRIENTE ........................................................ ...........................................................................18 ...................18
4.3.1 4.4
DISEÑO HIDRÁULICO Y CÁLCULO ESTRUCTURAL.......................................................17
Criterios de diseño ............................................................. ......................................................................................................19 .........................................19
TIPOS DE ESTRUCTURA LATERAL ........................................................ .......................................................................................20 ...............................20
4.4.1
ESTRUCTURAS LONGITUDINALES: ........................................................... ..............................................................................20 ...................20
4.5
Forma de los espigones ............................................................. ......................................................................................................22 .........................................22
4.6
Partes de un espigón ....................................................... ..........................................................................................................23 ...................................................23
4.7
DISEÑO DE ESPIGONES .............................................................. .......................................................................................................24 .........................................24
4.7.1 4.8
Elementos a diseñar
.....................................................................................................25 ............................................................ .........................................25
PATRONES DE FLUJO EN RÍOS CON ESPIGONES ....................................................... ................................................................37 .........37
4.8.1 4.8.2
..................................................................................................38 .........................................38 Sistemas de circulación ......................................................... ....................................................................................39 ...............................39 Efectos hidráulicos de los espigones .....................................................
a) Socavación y sedim sedimentaci entació ón ..................................................... ..............................................................................................39 .........................................39 b) Pr oblemas ambientale ambiental es .......................................................................................................39 .......................................................................................................39 c) E f ecto sobre sobr e la mor m orff ol ogía del r ío ...................................................... .....................................................................................39 ...............................39
4.9
CÁLCULO DE LA SOCAVACIÓN EN ESPIGONES ........................................................ .................................................................40 .........40
4.9.1
MINIESPIGONES ....................................................... ..........................................................................................................41 ...................................................41
4.10
ESTRUCTURAS RETARDADORAS .......................................................... .........................................................................................42 ...............................42
4.11
MUROS Y ESTRUCTURAS LONGITUDINALES ............................................................. ......................................................................45 .........45
4.11.1
........................................................................................................45 ...................................................45 Muros en gaviones .....................................................
4.11.2
Defensa de márgenes con cajones de piedra y madera .....................................................4 .....................................................45 5
4.11.3
..........................................................................45 ...................45 Atados de fibra de coco (Coir fiber logs) ....................................................... .......................................................................................................46
5.1
MATERIALES: .......................................................... .......................................................................................................................4 .............................................................46 6
5.2
METODOLOGÍA ...................................................... ...................................................................................................................4 .............................................................46 6
5.2.1
DISEÑO DE ESPIGONES ...................................................... ...............................................................................................46 .........................................46
5.2.2
DISEÑO HIDRÁULICO Y CÁLCULO ESTRUCTURAL.......................................................47
CALCULOS BASICOS DE INGENIERIA CIVIL APLICADOS A DEFENSAS RIBEREÑAS ..............52 1.1
CÁLCULOS HIDRÁULICOS A 50 AÑOS DE RETORNO
1.1.1
..........................................................52 ..........................................................5 2
SECCION ESTABLE (CÁLCUO DEL ANCHO ESTABLE): ..................................................52
4 1.1.2
CÁLCULO DEL TIRANTE PARA UNA MÁXIMA AVENIDA: ...........................................53
1.1.3
ALTURA DE ENCAUZAMIENTO ...................................................................................54
1.1.4
PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN: ..............................................................................54
1.2
6
DISEÑO DEL DIQUE CON UN PERIODO DE RETORNO DE 50 AÑOS ...................................55
1.2.1
SECCION ESTABLE O AMPLITUD DE CAUCE (B) ..........................................................55
1.2.2
TIRANTE DE DISEÑO (t) ...............................................................................................58
1.2.3
REGIMEN DEL CAUDAL DEL RIO .................................................................................59
1.2.4
CALCULO DE LA PROFUNDIDAD DE SOCAVACION (Hs) .............................................59 ..........................................................................................................................67
5
Uno de los problemas que afrontan las comunidades o poblaciones asentadas cerca de las riberas de los ríos es el riesgo permanente de desborde de los mismos; riesgo que se repite año tras año sobre todo en las épocas de avenidas o descargas fuertes del caudal de los ríos. La no prevención ante este tipo de desastres naturales agudiza el problema ya que el desborde de los ríos, afecta tanto al campo como a la ciudad. Para el primer caso devasta tierras de cultivo, deteriora o destruye totalmente la infraestructura productiva; mientras que las consecuencias de este desastre para la ciudad se grafican en el grave riesgo para la vida y la salud de sus habitantes al producirse el aislamiento total o parcial de los pueblos. Finalmente la consecuencia general es que provoca importantes pérdidas económicas en el entorno de su influencia. Por lo general las condiciones extremas del clima o específicamente fuertes precipitaciones pluviales en las partes altas originan un incremento fuerte del caudal del agua en el cauce y son las causantes de este fenómeno, sin embargo existen otros mecanismos que actuando solos o combinados, pueden generar también desbordes o inundaciones con las mismas consecuencias. Ante estas eventualidades es de suma importancia realizar monitoreos permanentes que permitan identificar zonas o puntos críticos en el cauce de los ríos, por donde pueda ocurrir el desastre ante una eventual subida del caudal, para luego iniciar acciones de limpieza y descolmatacion o construcción de estructuras de protección de las riberas y puntos críticos identificados. Solo de esta manera se podrá minimizar el grave riesgo que significa para las poblaciones rurales y sobre todo para sus actividades productivas la ocurrencia de un desastre de esta magnitud.
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En una corriente o río se presentan dos tipos básicos de erosión: Profundización del cauce y erosión lateral. El equilibrio del cauce está controlado por el balance entre la carga de sedimentos depositada y la capacidad de transporte del flujo. En todos los casos, aún en las corrientes más estables se presentan fenómenos de erosión y se puede requerir la construcción de obras de control tanto lateral como de fondo. La estabilización de los alineamientos de las riberas de los canales de los ríos debe cumplir una o más de los siguientes objetivos: a) Paso seguro y expedito del flujo de las crecientes. b) Transporte eficiente de la carga suspendida y la carga de fondo. c) Cauce estable del río con mínima erosión lateral. d) Profundidad suficiente y buen cauce para navegación. e) Dirección del flujo a través de un sector definido del río. Las principales estructuras utilizadas para la estabilización de las riberas son las siguientes: 1. Espigones cortos (spurs) 2. Espigones largos (groynes) 3. Diques longitudinales 4. Estructuras retardadoras 5. Revestimiento de los taludes de las riberas 6. Muros de contención. En el presente capítulo se presentan los sistemas de diseño y construcción de revestimientos y muros (los espigones y demás estructuras hidráulicas laterales). Estas estructuras son elementos laterales que tratan de proteger la orilla y al mismo tiempo desviar la corriente. La capacidad del canal aunque se disminuye puede manejarse para que no sea modificada en forma considerable. Generalmente estas obras se utilizan en ríos poco profundos y con moderado material suspendido. Uno de los objetivos es la sedimentación de estos materiales, los cuales pueden complementar la protección de la orilla. Aunque no existen criterios ciento por ciento confiables para el diseño de espigones y obras hidráulicas laterales, se conocen una gran cantidad de planteamientos empíricos que permiten un diseño relativamente adecuado, el cual debe adaptarse a las condiciones del sitio. Debe tenerse mucho cuidado de comprobar que el procedimiento utilizado es realmente válido para el caso para el cual se están diseñando las obras. Los espigones pueden ser construidos de diversos materiales tales como enrocado, bloques prefabricados de concreto, geotubos rellenos de material, gaviones, o de productos orgánicos como troncos de árboles o bambú. Debe tenerse en cuenta que los espigones son estructuras muy vulnerables a la destrucción por efecto de la socavación. Su cimentación comúnmente es poco profunda y por su localización dentro del cauce se producen socavaciones de gran magnitud
7
A. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Establecer las defensas de protección adecuadas en las riberas de ambas márgenes del rio evitando la erosión y destrucción de zonas agrícolas, mediante defensas con enrocado pesado en zonas definidas y en el puente Saltur. Diseñar estructuras adecuadas: diques y enrocados, que permitan darle mayor seguridad al centro poblado Rinconazo y áreas agrícolas con cultivos de caña de azúcar. Cálculo del Presupuesto de la Obra
8
4.1 EL COMPORTAMIENTO DE LOS RÍOS Los Ríos son tienen un comportamiento impredecible, adquieren un mecanismo de autoajuste de ancho, tirante y pendiente. En su recorrido, los ríos adoptan diferentes caminos:
Este comportamiento impredecible e inestable hace que los ríos signifiquen una amenaza al generar hechos como: Peligro ante el establecimiento de poblados cerca de los ríos Deforestación Pérdida de capacidad de retención de agua del suelo Disminución del tc (tiempo de concentración) Arrastre de sólidos en suspensión Encauzamientos y correcciones del curso que provocan mayor velocidad del flujo Como solución a este problema surge la utilización de defensas fluviales y protecciones costeras.
4.1.1 LAS DEFENSAS FLUVIALES Es muy común el comportamiento de los ríos jóvenes, caracterizados por su gran dinamismo e inestabilidad, que trae como consecuencia que no tengan un cauce estable y definido. Esta circunstancia dificulta y encarece el aprovechamiento fluvial y el de sus áreas próximas. Los ríos viejos o maduros, como por ejemplo el Rin, tienen un sistema de defensas desarrollado durante muchísimas décadas, lo que permite el aprovechamiento del río para la navegación y para el establecimiento de asentamientos humanos e industriales en sus áreas próximas. Una de las formas de defendernos de esos cambios fluviales, es decir, de controlarla inestabilidad fluvial y de manejar un río, es construir defensas ribereñas, las que eventualmente pueden constituir un encauzamiento.
9 Existen numerosos tipos de defensas ribereñas que, como se verá más adelante, varían mucho según el objetivo específico que tengan. En cada tramo fluvial, encada región, en cada país se usa un determinado tipo de defensas ribereñas, cuya selección proviene de un análisis en el que hay que considerar aspectos técnicos y económicos. En determinados problemas del manejo de un río, como por ejemplo la protección de márgenes, se recurre a la construcción de obras de defensa como protecciones contra el progreso de la erosión
Figura 2. Imposición de límites a la migración de los m
eandros
4.2 LOS ESPIGONES 4.2.1 DEFINICIÓN Los espigones son elementos que arrancan de la orilla fluvial, a la que pueden estar empotrados o no, y penetran dentro de la corriente. Esto los hace bastante vulnerables a la fuerza del agua. Un espigón o escollera es una estructura no lineal construida con bloques de mármol de dimensiones considerables, o de elementos prefabricados d e tierra, llamados catrápodos, cuando la piedra se seca, son colocados dentro del agua, en ríos, arroyos o próximos a la costa marítima, con la intención de aumentar el flujo en varias direcciones determinada, aumentar el oleaje o evitar la decantación d e arena.
F igur a 3.1 Defensa Ribereña en el Río Huallaga
10 4.2.2 PARTES DE UN ESPIGON Un espigón, en el que se distingue varias partes:
Figura 3.2 Esquema típico de un espigón
Una parte, a la que se llama de empotramiento o de anclaje, cuya longitud se designa como LE, que está dentro del terreno natural y sirve para evitar, o disminuir la posibilidad, de que se establezca un flujo detrás del espigón. La longitud de anclaje permite que si durante el proceso constructivo, o durante el primer tiempo de funcionamiento de los espigones, ocurre una erosión adicional, el espigón no quede separado del terreno natural constituyente de la margen. Otra parte, que está dentro del río, a la que se le llama efectiva o de trabajo cuya longitud se designa como LT, cuya magnitud es muy importante para el éxito del sistema. La longitud total del espigón es simplemente la suma de LE y LT. En ciertos espigones con el paso del tiempo, parte de la longitud que era originalmente de trabajo puede convertirse en longitud de empotramiento. La ―cabeza‖, ―punta‖ o ―nariz‖, que es el extremo del espigón y que está dentro del río. Puede ser
robusta, o tener algún grado de protección, porque en sus alrededores se produce socavación. Su elevación sobre el lecho fluvial debe ser pequeña.- La cresta se desarrolla longitudinalmente, desde la orilla hasta la punta del espigón. Generalmente desciende hacia el eje del río. La cresta determina la altura del espigón, el que puede estar sumergido o no.- Fundación, en realidad es una transición entre el cuerpo del espigón (convenientemente profundizado en el fondo del río) y el lecho fluvial.
4.2.3 FUNCIONES GENERALES DE LOS ESPIGONES Las funciones de los espigones dependen del objetivo que se busque, pero en general pueden ser las siguientes: Reducir la velocidad de la corriente cerca de la orilla. Desviar, es decir, alejar, la corriente de la orilla Prevenir la erosión de las márgenes Establecer y mantener un ancho fijado para el río Fijar las márgenes, es decir, estabilizar el cauce fluvial Controlar la migración de meandros Creación del efecto de curva en una bocatoma
11 4.2.4 FORMAS DE ESPIGONES Desde el punto de vista de su forma los espigones pueden ser: Espigones rectos, o a un cierto ángulo con la orilla. La cabeza o punta del espigón es más robusta y tiene algún sistema de protección contra la socavación que se desarrolla en sus alrededores. Espigones en forma de L, la que actúa como protección contra la socavación. Espigones en forma de T, la que generalmente es a 90° con respecto al espigón. De cabeza redondeada De doble ángulo Espigones curvados, tipo ―Hockey‖
Figura 3.4 Formas de espigones
4.2.5 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE USO Las ventajas generales que ofrece un sistema de defensas con espigones con respecto a una defensa continua son las siguientes: Facilidad de construcción, bajo costo, facilidad de reparación, posibilidad de usar diversidad de materiales, posibilidad de introducir mejoras, uso de la experiencia y la mano de obra locales, construcción por etapas y no se requiere mano de obra altamente especializada. Una desventaja manifiesta de los espigones es que constituyen elementos extraños dentro de la corriente y, por lo tanto, causan diversas formas de erosión y sedimentación en el lecho fluvial. Una de las desventajas más importantes se refiere a la socavación que se produce en los alrededores de la punta de cada espigón como consecuencia de los vórtices y corrientes secundarias. Todo esto debe ser tenido en cuenta en el diseño. Sin embargo, el sistema tiene la ventaja de ser flexible, de poderse reparar luego de una crecida y, eventualmente, ir perfeccionando su diseño. Además es más económico. En algunos proyectos, un sistema de protección con espigones tiene frente a una defensa continua la desventaja de disminuir el área hidráulica del cauce. La ventaja de
12 una defensa continua es que puede considerarse una estructura definitiva, en cuanto algún sistema de defensas fluviales pueda considerarse definitivo
4.2.6 TIPOS DE ESPIGONES 4.2.6.1 ESPIGONES PERMEABLES Son aquellos que permiten que el agua pase a través de ellos con pequeña velocidad, son útiles cuando se desea favorecer la sedimentación y formación de playas entre los espigones. La ―permeabilidad‖ es una medida de la proporción de vacíos que tiene el cu erpo del espigón en la dirección de la corriente y se puede expresar como un porcentaje. Estos espigones pueden ser de alta o de baja permeabilidad. Su función es la de retardar el flujo y disminuir la velocidad cerca de las márgenes. Se les llama ―retardadores‖. Generalmente están más espaciados que los
impermeables. Los espigones permeables se caracterizan por lo siguiente: El agua, cargada de sedimentos finos, debe pasar a través de ellos. El espacio comprendido entre un espigón y otro debe irse rellenando con el depósito de los sedimentos finos en suspensión. Posteriormente, debe favorecerse el desarrollo de la vegetación. Protegen y robustecen la orilla fluvial; en realidad contribuyen a la formación de una ―orilla virtual‖ como consecuencia de lo señalado en los dos puntos anteriores.
Se pueden ir modificando y adaptando a las circunstancias que se presenten. Los requerimientos de construcción son simples. Se usa los materiales existentes en el área y debe buscarse siempre aprovechar la experiencia local
4.2.6.2 ESPIGONES IMPERMEABLES Los espigones impermeables se pueden considerar deflectores. Se usan preferentemente cuando se trata de un río navegable en el que se trata de mantener una sección hidráulica central con un determinado calado. Se caracterizan por lo siguiente: Su función esencial es alejar la corriente de la orilla. Son fundamentalmente deflectores Se busca un estrechamiento del cauce y un aumento del calado (profundización), lo que implica un aumento de la velocidad de la corriente. Los procedimientos constructivos son más complejos. Se trata por lo general de ―estructuras definitivas‖.
Favorecen la navegación, pues con ellos se aumenta el calado. En general, con un sistema de espigones impermeables se busca aumentar la velocidad media de la corriente.
4.2.7 ELECCIÓN DE TIPO DE ESPIGON Dentro de los factores que determinan la elección del tipo de espigón están los siguientes: El objetivo que tienen La función que deben desempeñar Las características generales del río Las características hidráulicas y sedimentológicas del tramo fluvial comprometido La disponibilidad de materiales de construcción Los costos involucrados Las restricciones que pudiera haber en el mantenimiento La experiencia local El tiempo disponible
13 4.2.8 MATERIALES NECESARIOS Roca Madera o bambú Gaviones Concreto Elementos prefabricados Tetrápodos Hexápodos Geotubos rellenos de material Acero(pilotes) Fajina Sacos de concreto Sacos de mortero Muchos otros más
4.2.9 MANTENIMIENTO •
Los espigones requieren un mantenimiento continuo. Especialmente después de cada avenida grande y esto s e va mejorando el diseño; la reparación y el mantenimiento se hace en la época de estiaje; cuando existan menor empotramiento de los espigones entonces estos requerirán mayores reparaciones y por ende más costo en este ámbito. •
4.2.10 DISEÑO DE ESPIGONES 4.2.10.1 Criterios: Los espigones son obras transversales que avanzan desde la orilla existente hasta el centro del cauce, se ha proyectado espigones de lanzamiento del tipo sumergible, la cresta es ascendente hacia la orilla, en donde por las características geométricas proyectadas, determinan una longitud de trabajo y una longitud de empotramiento. Los espigones son estructuras unidas a la orilla o diques, ubicadas en el cauce cuyo efecto principal es alejar las líneas de corriente de la orilla y así asegurar que ella no sea socavada.
4.2.10.2
Orientación y pendiente
La orientación de un espigón queda definida por el ángulo que forma el eje longitudinal del mismo con la tangente al dique o a la orilla en el punto de arranque del espigón. En cuanto al ángulo de orientación recomendable para la zona del Bajo Piura será de 70 . Los espigones deben construirse con una pendiente hacia el río, la cual debe estar entre 0.05 a 0.25. La cresta del espigón debe ser menor que el nivel correspondiente de la corona del dique u orilla a proteger, por lo tanto se debe tomar en cuenta el nivel del pelo de agua del caudal de diseño. La altura mínima en el extremo recomendada será de 2.00 m. La pendiente final de la nariz debe tener como mínimo la inclinación del ángulo de reposo de la roca de 32 . La pendiente de los taludes debe ser, aguas arriba de (V:H) 1:1.0 y aguas abajo como mínimo 1:1.5
14 4.2.10.2.1
Dimensionamiento y separación
La longitud total del espigón se divide en longitud de empotramiento y longitud activa. La longitud activa en (m), medida sobre la corona deberá estar entre los límites:
Donde: B es el ancho medio del cauce en (m) H o el tirante medio en (m), ambos para el caudal de diseño. La longitud L debe considerarse desde el talón del espigón hasta la cresta de la nariz. Para el espaciamiento de los espigones se ha tomado como criterio el caso de curva regular, donde el espaciamiento es Sp = 4 L como máximo. Se debe considerar una longitud de empotramiento máxima de
4.2.11 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA DE DEFENSA 4.2.11.1 Concepción del sistema. Debemos de tener mucho cuidado al explorar los resultados y tener en cuenta muchos aspectos( desde hidráulica fluvial y transporte de sedimentos hasta materiales de construcción). Debe de determinarse la longitud de márgenes a protegerse y esta o debe de alterar demasiado el comportamiento fluvial de dicho medio; también se debe de conservar las curvas que existen en este cauce del rio, con estas concepciones anteriormente descritas uno debe de respetar las leyes de la hidráulica fluvial (blench). Luego de determinado el ancho nuevo del rio seleccionar cuidadosamente el tipo de espigón.
Figura 6.1. Curvatura de un espigón
Donde: B: ancho del rio: R: radio de curvatura
a) Consideraciones: Longitud del tramo fluvial que requiere protección. Selección del tipo de espigón Características de los espigones: Materiales Orientación (ángulo) Socavación Longitud Separación
15 b) Localización en planta Si los espigones resultan muy próximos sería preferible una defensa continua, hay que determinar cuidadosamente la línea virtual.
c) Definición del Angulo de un espigón Es el ángulo alfa formado hacia aguas abajo por el eje del espigan y la tangente a la margen en el punto de arranque del espigón.
d) Socavación. El espigón es un cuerpo extraño dentro de la corriente, la cabeza (nariz) del espigón causa una perturbación local, remolinos y erosión. La socavación depende del ángulo de la orientación del espigón.
1. Erosión local: Contr a la corri ente inclinado hacia aguas arriba
En senti do de la corr iente inclinado hacia aguas abajo la erosión producida por esta es más
cerca de la orilla
16 e) Longitud de los espigones La longitud depende de varios factores como puede ser: la función del espigón, su tipo, ancho del rio, etc. Si:
;
Entonces no aumenta la protección ; Entonces funciona satisfactoriamente
La longitud depende de la distancia entre la orilla existente
y la orilla ―virtual‖ o de
diseño. Consideraciones: No se debe de construir espigones muy largos, es preferible construirlos
gradualmente y es recomendable que cumpla con las siguientes características:
f) Separación entr e espigones
Angulo de la corriente Longitud del espigón de aguas arriba Tramo fluvial (recto o curvo) Angulo de expansión
g) Constru cción por etapas
A veces es preferible ahorrar en el empotramiento y efectuar las reparaciones que sean necesarias, después de las primeras crecidas. La separación se hace durante el estiaje: el espigón se une a la orilla erosionada.
1. Etapas: Primera etapa
17
Segunda etapa
4.2.12 DISEÑO HIDRÁULICO Y CÁLCULO ESTRUCTURAL 4.2.12.1 CALCULO HIDRAULICO A. Cálculo de Profundidad de la Uña del Espigón (Puña) Conocida la profundidad de socavación y teniendo en cuenta que el material de fondo del río será reemplazado por roca suelta, cuyo peso específico es 2.11 Ton/m 3 . Se utilizará en método de Lischtvan – L evediev, para suelos no cohesivos, para calcular la profundidad de la uña, el cual está basado en determinar la condición de equilibrio entre la velocidad media de la corriente y la velocidad media del flujo que se requiere para erosionar un material de diámetro y densidad conocido. Luego:
Donde: = diámetro medio X = exponente para material no cohesivo en función del diámetro característico α = 0.37 B e = Ancho estable del cauce = 600 m (ancho neto del tramo) β = Coeficiente que toma en cuenta el periodo de retorno. Tabla 0.97 (para Tr = 50 años)
Para
: 1000 mm (Tamaño de roca) 0.19 0.84
Tirante que corresponde a la profundidad a la que se desea evaluar la velocidad erosiva (m) 1.12 m P = 1.12 m…… Adoptar por seguridad 2.0 metros, compatible con (1) uñ a
18 Ancho de la Uña (Auña ) ) A uña = 1.5 P uñ uñ a
A = 1.50 x 2.0 m A=
3.00 3.00 m
B. Longitud del Espigón La longitud total de los espigones se ha dividido en la longitud de anclaje o empotramiento en el dique natural y la longitud l ongitud de trabajo que está dentro de la corriente. Las longitudes se han determinado determinado teniendo en cuenta: cuenta:
a) Longitud de trabajo Donde B = ancho ancho medio del cauce dominante actual (margen izquierda) = 180 m
tirante medio del cauce para caudal dominante (6.10 m) H = tirante Se ha calculado tres tipos de espigones con longitud de trabajo de 40 m, 30 m y 25 m.
b) Longitud de empotramiento Para este caso se considera considera una longitud máxima máxima de L t/4 = 4 m
c) Separación de los Espigones Se ha tomado como criterio el caso de curva regular, donde el espaciamiento es Sp = 4 L t como máximo
d) Elevación y pendiente de Corona Por razones hidráulicas y geométricas a usar en la corona del espigón, la pendiente será del orden del 5% al 8% arrancando desde la altura máxima del tirante, según caudal de diseño.
4.3 DISEÑO DEL CANAL DE UNA CORRIENTE
19 Para el diseño adecuado adecuado de las estructuras estructuras hidráulic hidráulicas as laterales se requiere diseñar el canal del río tanto en su ancho, como forma en planta y profundidad. profundidad. Para minimizar el ataque de la corriente sobre las obras de estabilización y rectificación se recomienda que el alineamiento del río consista en una serie de curvas. Debe evitarse las l as orillas rectas o ligeramente ligeramente curvas c urvas debido a que existe la tendencia de flujo a divagar de lado a lado de la orilla. El radio óptimo de las curvas debe ser aproximadamente el de las curvas estables del río en la zona. Como una norma de diseño este debe adaptarse a las curvaturas naturales del río. Un estudio de las curvas naturales del río debe determinar cuáles deben ser las formas del nuevo río; sin embargo, debe tenerse en cuenta que las curvas demasiado fuertes son difíciles de estabilizar y requieren zedwojski y otr os, os, 1995). estructuras muy costosas de construir y mantener (Pr zedwojski La planeación del nuevo alineamiento alineamiento depende de la morfología morfología del río, de las condiciones geológicas pero también depende de los requerimientos de asentamientos humanos, establecimientos industriales, muelles, ríos tributarios, etc. La localización de los puentes determina en buena parte las posibilidades posibilidades de diseño. Debe evitarse la localización de puentes en las zonas de transición donde el río es muy difícil di fícil de controlar. Los tributarios deben en lo posible entregarse al nuevo río a ángulos entre 25º y 45º por la parte parte cóncava de la orilla. Genera Generalment lmentee los los diseño diseñoss se se trabaj trabajan an utilizando utilizando curvas curvas de coseno, utilizando la información información de las curvas del río original. Con valores seleccionados de radio y longitud de onda, las curvas de coseno generadas pueden implementarse en la mayoría de los ríos meándricos (Chang, 1988).
4.3.1 Criterios de diseño ookess- 1983): Para el diseño de una canalización se recomienda seguir recomienda seguir los siguientes criterios (Kell er y Br ooke 1.
Estimar la estabilidad o comportamiento de la corriente después de la canalización. Esto se requiere para realizar las recomendaciones necesarias específicas de las obras de protección adicionales que se requieren para garantizar la estabilidad de la corriente.
20
FIGURA: ESPIGONES EN PILOTES
Dise Di seña ñarr un canal ca nal te nien ni endo do en cuen cu enta ta dos do s escenarios: escenarios: el primero el flujo normal y el segundo el flujo de una avenida aveni da extraordina extra ordinaria ria con un determinado periodo de retorno. En ocasiones se requiere diseñar dos canales diferentes uno central para central para aguas normales normales y otro ampliado para aguas máximas. El canal pequeño se diseña generalmente para la avenida de un periodo de retorno de dos años, y el canal amplio para un periodo de más de 200 años, de acuerdo a los requerimientos. 3. Siempre que sea posible debe utilizarse la vegetación como el método mejor para la estabilización de las orillas. ca nali liza zaci ción ón debe de be mini mi nimi miza zars rsee a lo estrictamente estrictamente necesario, teniendo en cuenta que las 4. La cana modificaciones modificaciones del sistema sistema natural natural de la corriente producen cambios ambien tale s irreparables. La idea es realizar la menor cantidad posible de obras artificiales y como lo propone L eopold (1977) respetar respetar los ríos. Thames Wate Waterr Auth ori ty en Un ejemplo de este esquema de canalización es el utilizado por la Thames Inglaterra, Inglaterra, en la forma indicada. Este esquema tiene como objetivo no solamente la protección contra inundaciones sino también la importancia de mantener un canal natural meándrico para proteger los recursos de pesca y la fauna acuática. Los trabajos se diseñan para minimizar la alteración del canal natural pero al mismo tiempo, generando un nuevo canal con capacidad suficiente y comportamiento homogéneo. Por ejemplo, el fondo del canal se profundiza profundiza para aumen au menta tarr las áreas pantanosas y se utiliza la vegetación como sistema de estabilización conjuntamente con rip-rap o enrocado en los sitios más críticos de erosión. 2.
4.4 TIPOS DE ESTRUCTURA LATERAL 4.4.1 ESTRUCTURAS LONGITUDINALES: Una de las formas más eficiente de controlar el cauce de un río es la construcción de muros o diques revestidos longitudinales a lo largo de la corriente, siguiendo los patrones de curvatura típicos de la corriente. Estos muros o diques pueden construirse dentro del cauce disminuyendo la sección para facilitar la navegación o separar las corrientes de la orilla o pueden construirse con medidas de protección a lo largo de las orillas actuales. La construcción de estructuras longitudinales favorece la formación de un canal más estable y uniforme. Generalmente se diseña para un ancho permanente normal y se pueden dejar espacios entre el muro y la orilla para que sean sedimentados posteriormente. Desde el punto de vista hidráulico las estructuras longitudinales ayudan a aumentar la velocidad y disminuir la resistencia, al movimiento y la erosión. En ocas oc asio ione ness las la s cana ca nali liza zaci cion ones es pued pu eden en dar da r resultados negativos si el ancho diseñado es muy pequeño para acomodar el caudal de las avenidas del río.
21 En estos casos existe el problema de que no es posible reacondicionar los muros para corregir el error, cosa que sí es posible en las canalizaciones con espigones donde se puede disminuir la longitud de los espigones después de construidos (Pr zedwojski, 1995). En ocasiones se dejan espacios permeables en los diques para facilitar la entrada de agua y sedimentación por detrás de las estructuras, este sistema ayuda adicionalmente a la fauna acuática.
4.4.1.1 Estructuras laterales en ríos de montaña Los espigones no se recomienda utilizarlos en ríos con pendientes superiores al 2%, debido a que las corrientes son tan fuertes que es prácticamente imposible garantizar la estabilidad de los espigones. En ríos de montaña se recomienda construir obras longitudinales más no espigones.
a) Espigones cortos (spurs) Los espigones cortos o spurs son diques transversales de: Donde: L P = Es la longitud de la estructura proyectado sobre la línea perpendicular a la corriente y B 1 = es el ancho de la sección definitiva del río. Kon dap y Prayag (1989 ) recomiendan limitar la longitud de los espigones a 0.2B, donde B es el
ancho del río y el espaciamiento entre espigones a 3L. El espaciamiento máximo que puede permitirse es 4L.
22 b) Espigones Largos (Groynes) Los espigones son estructuras relativamente sólidas alargadas que se colocan para desviar la corriente de agua o controlar el arrastre de materiales del fondo, Un espigón es una estructura construida a un ángulo con la dirección de flujo, anclada en la orilla del canal y con una cabeza para el manejo del flujo en la punta. Los espigones incrementan la velocidad del agua al disminuirse la sección del río, aumentando el gradiente y generando macro turbulencia intensa. La turbulencia generada por los espigones puede producir remolinos o vórtices fuertes que generen a su vez socavación, la cual representa un problema de estabilidad para la estructura del espigón. Los espigones pueden construirse con bloques de roca, bloques de concreto, gaviones, hexápodos, tetrápodos, pilotes de acero, madera, o bambú o combinaciones de varios materiales. Los espigones de enrocado tienen generalmente una sección trapezoidal. Los materiales de gran tamaño se acumulan unos sobre otros, formando una estructura alargada. El objetivo del espigón es desviar la corriente del río alejándola de zonas críticas para prevenir la erosión de la orilla y establecer un canal más estable. Ellos se utilizan también en ríos anchos trenzados para establecer un canal bien definido que no sufra ni agradación ni degradación y que mantenga su localización de año en año. En este caso los espigones pueden tener diques muy largos en su punta junto al agua para ayudar a definir el canal del río. Los espigones se utilizan además, en ríos meándricos para controlar el flujo en la entrada o salida de la curva. Los espigones se emplean para protección de las riberas de los ríos, en el caso del golpeo de las corrientes del río contra los taludes de las riberas. Se coloca generalmente a intervalos de dos a cuatro veces la longitud de las secciones individuales. Se recomienda un mínimo de tres espigones para resultados efectivos. c) Espigones permeables e impermeables
Los espigones pueden ser permeables o impermeables en el sentido que pueden permitir o no el paso del agua a través de ellos. Los espigones permeables son más efectivos en los ríos que tienen mayor cantidad de carga de fondo y altas concentraciones de sedimentos, debido a que estos espigones facilitan la sedimentación. Los espigones impermeables son más efectivos cuando se requiere mantener una profundidad de cauce para navegación, debido a que la socavación es mayor y por lo tanto el cauce va a tener una mayor profundidad.
4.5 Forma de los espigones Los espigones pueden también clasificarse de acuerdo a su forma en planta, así: 1. 2. 3.
4.
Espigón recto formando un ángulo con la orilla y que tiene una cabeza con un sistema de protección contra la socavación en la punta. Espigón en forma de T, el ángulo a es generalmente de 90 grados y el dique en la punta es paralelo a la dirección del flujo. Espigón en forma de L, que permite mayor espacio para sedimentación entre espigones y menos socavación en su cabeza y son más efectivos para facilitar la navegación. Espigones en forma de jockey que poseen huecos los cuales son más extensivos en área que los en forma de T.
23
F I GURA 12.3 Formas en planta de espigones.
4.6 Partes de un espigón Un espigón consta de cuatro elementos así: a) L a punt a del espigón: la
cual constituye el punto crítico para su socavación por la concentración de corrientes y la velocidad del agua en este punto. La socavación de la cimentación de la punta depende de la sección del río con o sin espigones, de la inclinación de los taludes y de los caudales del río.
b) L a cresta: puede
ascender hacia la orilla o ser horizontal además puede ser sumergida o levantada con respecto al nivel del agua de diseño. Si la cresta es desbordable debe proveerse de un sistema de protección contra la socavación en el lado aguas abajo. c) Anclaje: el anclaje depende de la situación real del sitio ante la posibilidad de que el agua pase por detrás del espigón. d) Cimiento: es el factor que determina la durabilidad del espigón. El cimiento a su vez está constituido por la fundación propiamente dicha y por un tapete o colchón, como protección contra la socavación. Para evitar la destrucción o barrida de los espigones debe profundizarse los espigones tanto como sea posible dentro del fondo del río. Un espigón de alta flexibilidad va adaptándose al terreno a medida que se produce la socavación. La obra cede en la parte erosionada, se flexiona y adopta la nueva forma del terreno. Puede ocurrir, sin embargo que la flexibilidad del espigón no sea lo suficientemente alta y tienda a romperse por flexión para ser arrastrada por el río, o que la fuerza de la creciente sea tal que arrastre totalmente el espigón.
24
F I GURA 12.4 Rectificación de orilla y eliminación de isla utilizando espigones.
4.7 DISEÑO DE ESPIGONES El diseño de un grupo de espigones es una función de los siguientes factores: 1) Var iables del f luj o a) Profundidades
de aguas mínimas, normales y máximas. b) Cantidad de carga suspendida con relación a la carga de fondo. 2) Par ámetr os del cauce a) Pendiente
y velocidad del río. b) Características del material de fondo (arcilla, limos, arena, grava, cantos, guijarros). c) Tamaño del canal (ancho y sección). 3) M aterial es disponibl es para constr ucci ón
Previamente al diseño debe analizarse las posibilidades de materiales para su construcción. 4) Posibi li dad de avalanch as y otras amenazas
Ha ocurrido un número muy alto de fallas de espigones que justifican un replanteo total de los sistemas de análisis, diseño y construcción empleados hasta ahora. Para evitar la destrucción y/o arrastre de los espigones deben tenerse en cuenta las siguientes características: a) Conocimiento del régimen hidráulico del río. b) Cálculo de socavación del cauce con
el espigón. c) Diseño de una cimentación con la profundidad adecuada. d) Diseño hidráulico del espigón. e) Diseño estructural (resistencia y flexibilidad) del espigón.
25 El espigón no debe causar un cambio brusco en la dirección de la corriente, sino por el contrario producir un cambio suave. Los espigones son efectivos solamente si el espaciamiento entre ellos no es muy grande.
FIGURA 12.5 Localización en planta de espigones.
4.7.1 Elementos a diseñar Los puntos más importantes a tomar en cuenta al diseñar una protección basado en espigones son: (M aza, 1975) a) Localización
en planta. Radios de las curvas, longitud de las tangentes, ancho estable del río. b) Longitud de los espigones. c) Elevación de la cresta de los espigones d) Espaciamiento entre espigones. e) Número de espigones f) Pendiente de la corona. Angulo de orientación res la orilla.
26 h) Taludes
laterales de los espigones. i) Permeabilidad del espigón. j) Características y tamaño de los Materiales para la construcción de los espigones. k) Determinación de las condiciones de fl ujo alrededor de los espigones. l) Predicción de la socavación en la curva y socavación local en el extremo del espigón. 4.7.1.1 LOCALIZACIÓN EN PLANTA
Al proyectar una obra de defensa ya sea protegiendo la orilla actual, o bien, en una margen nueva (al hacer una rectificación) se requiere trazar en planta el eje del río y en las orillas dibujar una línea paralela al eje a la cual llegarán los extremos de los espigones. La longitud de cada espigón, estará dada por la distancia de la orilla real a esa línea. La separación entre las nuevas orillas, es decir el ancho B, estará dado por el estudio de estabilidad de la corriente, el cual tomará en cuenta si el tramo será navegable, el cambio de pendiente si se rectifica el río, etc. Cuando se trata de una rectificación en cauces formados por arenas y limos, conviene dentro de lo posible, que los radios de las curvas nuevas, medidos hasta el eje del río tengan la longitud R siguiente:
Donde:
R =Radio de Curva B =Ancho del río Al respetar los radios anteriores, la defensa que se haga sobre la base de espigones, trabajará eficient emente. Si los radios de curvatura son menores, la separación de los espigones disminuye y económicamente es preferible construir una defensa marginal apoyada en la orilla. Si los radios son mayores, el río tiende a formar un cauce con menores radios dentro de la curva y no todos los espigones trabajan eficientemente. Cuando solo se desea proteger las orillas actuales de un río, y no se desea hacer trabajos de rectificación, la línea que une los extremos de los espigones deberá trazarse lo más uniformemente posible, aunque no necesariamente tendrá un radio único. Los proyectos de este tipo son los más comunes en la primera etapa de desarrollo de una región ya que se trata de fijar las orillas al menor costo posible. La selección de la línea que une los extremos de los espigones incluye en la longitud de los mismos y ésta, junto con la orientación que se les dé, determinan la separación, entre ellos. Por lo tanto es indispensable estudiar varias localizaciones en esa línea. Al protegerse, ya sea una sola curva, o un tramo completo, los primeros tres espigones de agua arriba deben tener longitud variable. El primero deberá ser de la menor longitud posible (igual al tirante), y los otros aumentar uniformemente, de tal manera que el cuarto tenga ya la longitud de proyecto. La pendiente longitudinal de la corona debe ser uniforme en todos ellos y por lo tanto la misma de los demás espigones. Por último conviene aclarar que aunque la línea teórica que une los extremos de los espigones pueda tener diversos radios de curvatura, nunca deberá tener un tramo en que su radio de curvatura se mida hacia la orilla exterior. Todos los radios de esa línea se deberán medir hacia el mismo lado; es decir, hacia el interior de la curva.
4.7.1.2 SEPARACIÓN ENTRE ESPIGONES La separación entre espigones se mide en la orilla entre los puntos de arranque de cada uno y depende primordialmente de la longitud del espigón de aguas arriba de su orientación y de la localización de la orilla.
27 Para calcularla se toma en cuenta la inclinación del espigón respectivo a la orilla de aguas abajo y la ampliación teórica de la corriente al pasar por el extremo del espigón. El ángulo de esa desviación es de 9° a 14°. La longitud de anclaje debe ser mayor cuando las orillas son de poca altura, con el objeto de evitar que la corriente pueda desviarse por detrás de los espigones. Generalmente, se construye primero el espigón localizado más aguas arriba y luego los espigones subsiguientes hacia aguas abajo. Esto se hace con el objetivo de poder construir los espigones en aguas bajas y calmadas. Los espigones se construyen en grupos mínimo de cuatro espigones seguidos (Derr ick, 1998).
F I GURA 12.6 Orientación de espigones con respecto al flujo.
Una de las decisiones más importante del diseño es la separación entre espigones individuales. Los espigones deben colocarse a una distancia tal que la acción conjunta de ellos pueda separar el eje de flujo de la orilla, se debiliten las corrientes entre espigones y se promueva entonces, sedimentación en los espacios entre ellos (Pr zedwojski 1995). Si los espigones están demasiado separados, las corrientes pueden atacar la orilla que se pretende proteger entre dos espigones, generándose erosión o produciéndose meanderización de la corriente. La construcción de espigones muy cerca unos de los otros produce un sistema menos eficiente y más costoso.
28 Generalmente la distancia entre espigones está relacionada con el ancho del río la longitud del espigón, la velocidad del flujo, el ángulo a y la curvatura de la orilla. Generalmente los espigones permeables pueden ser espaciados a mayores distancias que los impermeables.
Las recomendaciones de Maza Álvarez (1989) son las siguientes: a.
Separaci ón en tr amos rectos:
Cuando se requieran construir espigones en tramos rectos y sin empotramiento en la margen, la separación deberá ser la que se indica en la tabla 12.1. b.
Separación en curvas
Para la localización de espigones en curva Maza (1989) recomienda suponer un ángulo b de 9º a 14º de desviación de la corriente para la colocación del siguiente espigón. La separación Sp, entre espigones colocados en curva, conviene controlarla gráficamente como se indica en la fi gura 12.8 . Si la curva es regular y tiene un único radio de curvatura la separación que TABLA 1 Separación de espigones en tramos rectos Ángul o de Orientación
Separación Sp
90º a 70º
(5.1 a 6.3) Lt, (5.2 a 6.4) Lto
60º
(5 a 6) Lt, (5.7 a 6.9) Lto
29
F I GURA 12.8 Método para determinar el espaciamiento entre espigones en orillas curvas.
F OTOGRAF ÍA 12.3 Espigones de hexápodos prefabricados de concreto armado.
F OTOGRAF ÍA 12.4 Espigones de bolsacreto. TABL A 12.2 Separación de espigones (Criterio de Maza-Álvarez - 1989). α
Lt
Sp teórico en función Lto
Sp teórico en función Lt
S recomendable Empotrado No empotrado
60
1.15 Lto
5.7 - 6.9
5.0 - 6.0
6 Lt
5 Lt
70
1.06 Lto
5.4 - 6.6
5.1 - 6.3
6.3 Lt
5Lt
5.1 - 6.3
5.1 - 6.3
6.3 Lt
5 Lt
90
Lto
30 Se ha probado con buenos resultados es Sp = (2.5 a 4) Lt; para radios de curvatura mayores de cuatro B se han usado separaciones de 4 Lt. Si la curva es irregular o con un radio de curvatura pequeña la separación de espigones necesariamente debe encontrarse en forma gráfica. El evaciones y pendi entes longi tudi nal es de la cresta
Se han construido espigones sin pendiente longitudinal (S = 0) hacia el centro del cauce y con pendiente de 0.02 a 0.25. Experimentalmente se ha probado espigones con cresta horizontal y con pendientes de 0.1 a 0.5 y 1
FI GURA 12.9 Sección de espigón en enrocado.
Los espigones deben construirse con pendiente hacia adentro del río. Deben inclinarse a la elevación de la margen o a la elevación de la superficie libre correspondiente al gasto dominante. El extremo dentro del cauce debe tener alturas máximas de cincuenta centímetros sobre el fondo actual; con ellos se logran pendientes de 0.5 a 0.25. Los espigones construidos con pendientes longitudinales de 0.1 o mayores han proporcionado más favorablemente el depósito de sedimento entre ellos y han resultado más económicos.
31 Pendientes lateral es de los espigones
Antiguamente se construían espigones con la pendiente suave en la pared aguas arriba y pendiente fuerte aguas abajo, pero en los últimos años se ha cambiado totalmente el sistema, utilizando pendientes muy suaves a ambos lados. Generalmente la pendiente lateral varía desde 3H: 1V a 5H: 1V en la zona de la cabeza y un poco menos inclinados a medida que se avanza hacia la orilla. La corona o cresta se deja por lo general de 2 metros de ancho.
4.7.1.3 ORIENTACIÓN DE LOS ESPIGONES La orientación de los espigones se mide por el ángulo que forma hacia aguas abajo, el eje longitudinal del mismo con la tangente a la orilla en el punto de arranque. Se debe analizar tres tipos de espigones así: 1.
Espigones incl in ados hacia aguas arr iba (ángulo α > 90º)
El sistema más popular en el mundo es el de colocar los espigones inclinados hacia aguas arriba, porque según los autores ellos producen el mejor efecto, en lo que se refiere a sedimentación de materiales y a desvío de la corriente de la orilla (Ri chardson y otr os 1975). A estos espigones se les llama espigones deflectores porque según algunos autores repelen el flujo hacia el centro del cauce. La mayoría de las referencias en la literatura recomiendan inclinaciones entre 100º y 120º (Beckstead, 1975). D errick (1998) recomienda limitar el ángulo de inclinación a 110º
F I GURA 12.10 Espigones en gaviones con ángulo variable (Gaviones Maccaferri).
32 2.
Espigones in cli nados hacia aguas abajo (ángulo α < 90º)
Estos espigones no son recomendados por algunos autores porque se argumenta que atraen el flujo hacia la orilla y por lo tanto nunca deben colocarse en la parte cóncava de las orillas (Przedwojski 1995). En cambio Maza recomienda ángulos de inclinación de 70º, porque según él se disminuye la socavación en la cabeza del espigón. Según Maza en un tramo recto, en una curva regular, conviene que los espigones formen un ángulo de 70° con la dirección de la corriente. Si la curva es irregular y aún más si tiene un radio de curvatura menor de 2.5B, los ángulos de orientación serán menores de 70° y pueden alcanzar valores hasta de unos 30°. 3.
Espigones ortogonales al fl uj o (ángul o α = 90º)
Un espigón a 90 grados protege en forma similar los lados aguas abajo y arriba del espigón. Estos espigones son más cortos pero poseen menores ventajas de sedimentación que los inclinados hacia aguas arriba, sin embargo, son utilizados con frecuencia en los casos en los cuales se requiere controlar un canal navegable.
FI GURA 12.11 Espigones en gaviones con tapete de ancho variable (Gaviones Maccaferri).
33 4.7.1.4 Altura de los espigones Los espigones pueden ser sumergidos o no sumergidos. Aunque los espigones sumergidos presentan una mayor socavación aguas abajo del espigón, la socavación en la punta es menor y se adaptan mejor a las condiciones de inundaciones. Sin embargo, algunos autores recomiendan que los espigones permeables o sólidos trabajen en condiciones no sumergidas para disminuir la socavación lateral la cual puede destruir los espigones (Pr zedwojski 1995).
Los espigones permeables funcionan mejor sumergidos porque crean alteraciones menores al flujo. Algunos investigadores recomiendan que no se permita que el flujo pase por encima del espigón para evitar socavación lateral del mismo. Para propósitos de navegación en Holanda la altura de los espigones se construye entre 0.3 y 1.3 metros por encima del valor medio de agua anual. M aza (1989) recomienda pendientes longitudinales de la cresta entre 10% y 25%, sin embargo, otros autores
difieren de su apreciación y prefieren espigones con muy poca pendiente en la cresta. La utilización de espigones de baja altura disminuye la sedimentación pero forman unas áreas de aguas bajas entre espigones que facilitan la vida acuática.
34
FI GURA 12.12 Espigones en gaviones con tapete completo.
Cabeza de l os espigones Debido a la formación de huecos de socavación junto a la cabeza de los espigones tanto en las riberas cóncavas como convexas, las cabezas deben ser lo suficientemente resistentes y tener pendientes muy suaves para disminuir la socavación. Muchos autores prefieren la cabeza en forma de punta como un sistema de disminuir la amenaza de socavación.
Espigones con punta en L
La construcción de una cabeza en la punta del espigón formando una L restringe las corrientes sedimentadoras de moverse hacia el área entre espigones e inducen socavación profunda a lo largo de la
35 cara de la L, paralela al flujo: sin embargo la socavación es menor que en los diques con punta. Estudios biológicos realizados en los Estados Unidos (Shi elds, 1983) revelan que en las aguas bajas detrás de las eles se forman comunidades acuáticas muy diversas. La socavación local en la punta de los espigones es de importancia durante su construcción, cuando se utilizan elementos que están sueltos entre sí (bolsas, piedras, gaviones, etc.). La socavación local en el extremo del espigón deja de tener importancia si el espigón se construye con una fuerte pendiente longitudinal.
FI GURA 12.13 Ejemplo de espigones en hexápodos.
L ongi tud de los espigones
36 La longitud total de un espigón se divide en longitud de anclaje o empotramiento y longitud del trabajo. La primera es la que está dentro de la margen y la segunda la que está dentro de la corriente. La longitud de los espigones se determina con base a buen juicio de ingeniería, basándose principalmente en el estudio de la morfología de la corriente, características del thalweg y comportamiento de la corriente (Derrick 1998). Cuando la curva es uniforme (rectificación) todos los espigones tienen la misma longitud, ángulo de orientación y por lo tanto la separación entre ellos es la misma. La longitud de trabajo, medida sobre la corona, se selecciona independientemente y se ha comprobado que conviene que esté dentro de los límites siguientes: Donde: ancho medio del cauce, y tirante medio; ambos para el gasto dominante. longitud efectiva del espigón. Los espigones se pueden construir en ocasiones sin tener longitud de anclaje; es decir, sin que penetren dentro de la margen, apoyados únicamente a la orilla. La máxima longitud de empotramiento es igual a L/4. H uecos o discontinuidades en el cuerpo del espigón: Los huecos son discontinuidades o indentaciones en la cresta de los espigones. Estos huecos pueden construirse en los diques nuevos o excavarse en diques existentes. El propósito de estos huecos es permitir el flujo de agua a través del espigón en avenidas intermedias para disminuir la sedimentación y formar piscinas detrás de los espigones aguas abajo. Este sistema se ha utilizado con mucha frecuencia en el río Mississippi (Shi elds, 1983). Generalmente, el flujo a través de la discontinuidad genera un hueco de socavación inmediatamente aguas abajo, formando pequeñas piscinas internas dentro de la corriente. Desde el punto de vista de erosión, estos huecos dentro del cuerpo del espigón requieren de la construcción adicional de obras para impedir que esta socavación genere inestabilidad en el espigón. B = h = L =
FI GURA 12.14 Detalles de diseño de hexápodos en concreto armado.
37 4.7.1.5 Materiales para espigones Para la construcción de espigones se utiliza una gran variedad de materiales, entre los cuales se encuentran los siguientes: Enrocado Gaviones Pilotes Madera o bambú Elementos prefabricados de concreto.
4.8 PATRONES DE FLUJO EN RÍOS CON ESPIGONES
F I GURA 12.15 Patrón típico de flujo junto a un espigón en un cauce recto (Pilarczyk, 1989).
Los espigones limitan y confinan el flujo principal a cierta parte de la sección del río y afectan apreciablemente la estructura cinemática del flujo en sus vecindades. Las velocidades aumentan así como los caudales específicos, debido a la disminución de la sección. El incremento en la velocidad conduce a un aumento del gradiente y una mayor intensidad de generación de macroturbulencia (Przedwojski 1995). El aumento de velocidad y la formación de remolinos o vórtices son las principales causas de la socavación alrededor de los espigones. Al golpear el agua con el espigón se forma un vórtice con un movimiento profundo de corriente hacia el cauce principal, formando una especie de rotación hacia afuera del agua. El cambio de dirección del flujo y la ocurrencia de fuerzas centrífugas genera flujos de jets hacia la cabeza del espigón. A lo largo de la línea de separación aguas abajo de la cabeza del espigón se forman vórtices con ejes verticales, los cuales son conocidos como vórtices de Von Karman. Los vórtices de Von Karman actúan como pequeños tornados que succionan los sedimentos y ésta es una de las principales causas de la socavación junto a los espigones. Los vórtices más fuertes de Von Karman ocurren en espigones con paredes verticales atacados por flujos de alta velocidad.
38 4.8.1 Sistemas de circulación Sobre la base de modelos Copeland (1983) definió una serie de flujos para la zona entre espigones como se indica en la figura 12.16. 1.
Sistema de cir cul ación tipo I
En este sistema la corriente principal es deflectada hacia fuera del campo de los espigones en un solo remolino o vórtice que se desarrolla entre los espigones. Este sistema es el deseable para proyectos de navegación porque se produce un canal profundo continuo a lo largo de la cara del grupo de espigones. Este tipo de corriente se forma cuando S/L ≅ 1.5. 2.
Sistema de cir culación tipo I I
Al aumentar el espaciamiento entre espigones aparece un segundo remolino pero la corriente principal es deflectada hacia fuera del campo de los espigones. 3.
Sistema de cir culación tipo II I
A mayor distancia entre espigones la corriente principal es dirigida hacia el espigón, creando un mayor remolino detrás del espigón y mayor turbulencia a lo largo de la cara posterior del espigón y en la cabeza baja del espigón. Este tipo de corriente se forma para un valor de S/L 2.5 y las velocidades medidas junto a la orilla son aproximadamente el 40% de las que se presentan para una protección de muro longitudinal, junto a la orilla. 4.
Sistema de cir culación tipo I V
Cuando se desarrolla este tipo de corriente la estabilidad que proporciona el espigón aguas arriba hacia el espigón aguas abajo desaparece y ocurre una corriente sencilla reversa que ataca directamente el segundo espigón. Este tipo de corriente se forma para un valor de S/L 3.5 y las velocidades medidas junto a la orilla son aproximadamente el 50% de las que se presentan para una protección de muro longitudinal, junto a la orilla. 5.
Sistema de cir cul ación tipo V
A mayor distancia entre espigones el flujo desviado por el espigón aguas arriba es dirigido directamente hacia la orilla. Se forman remolinos en ambos lados de este flujo, creando una protección aparente de la orilla. 6.
Sistema de cir culación tipo V I
El remolino aguas abajo que se formaba en el sistema tipo V desaparece y la corriente ataca directamente la orilla, sin ningún sistema de protección. FI GURA 12.16 Variación de los patrones de flujo al aumentar el espaciamiento. (Copeland, 1983
39 4.8.2 Efectos hidráulicos de los espigones a) Socavación y sedimentaci ón
La construcción de espigones produce socavación en las zonas de altas velocidades y sedimentación en las barras o playas. Los caudales que pasan por encima de los espigones generan socavación dentro del cauce e impiden el establecimiento de vegetación permanente de algunas especies de vida acuática. La construcción de espigones también se utiliza para eliminar canales secundarios y consolidar las islas, uniendo unas con otras. La construcción de espigones puede requerir de obras de control de erosión en la orilla opuesta. A su vez los espigones pueden utilizarse como sistemas de protección en orillas opuestas a las de revestimientos laterales para concentrar el flujo en un ancho de canal determinado. Debido a su efecto sobre los patrones de flujo y transporte de sedimentos los grupos de espigones pueden tener un efecto profundo sobre la morfología del río y la vida acuática. b) Problemas ambientales
Los criterios de diseño para espigones en el pasado se han limitado a manejar el control de erosión, la inundación y los objetivos de navegación, olvidándose de los aspectos ambientales, sin embargo, la práctica mundial actual de diseño de espigones permite definir criterios basados en consideraciones ecológicas. Como los espigones permanecen por debajo del agua la mayor parte del tiempo, ellos representan un hábitat importante para peces y macro invertebrados. La idea es diseñar grupos de espigones que promueven sedimentación, controlan la corriente y permitan la vida acuática. Por esta razón los nuevos métodos incluyen la utilización de longitudes y elevaciones de cresta que permitan la formación de piscinas internas y la construcción de huecos o discontinuidades a lo largo del espigón. La construcción de huecos o discontinuidades en el espigón, es tal vez el detalle ambiental más ampliamente empleado en los últimos años. Aunque existe controversia sobre la efectividad de estos huecos, sus ventajas ambientales los favorecen ampliamente. c) Efecto sobre la m or fol ogía del río
El efecto de la construcción de espigones sobre la morfología del río y la hidráulica varía considerablemente de un sitio a otro. En una escala más local los grupos de espigones producen patrones complejos de flujo y transporte de sedimentos. La mayor turbulencia ocurre cerca de la punta del espigón o en los huecos o discontinuidades. Cuando el flujo pasa por encima del espigón se produce socavación profunda, aguas abajo junto a la pared del espigón. La velocidad del agua, aguas abajo de los diques es reducida en flujos bajos, permitiendo la sedimentación y generalmente se forman barras de sedimentos entre espigones. Cuando el flujo no sobrepasa el espigón se forman aguas prácticamente quietas entre un espigón y otro.
.
40
FI GURA 12.17 Espigón en pilotes y enrocado.
4.9 CÁLCULO DE LA SOCAVACIÓN EN ESPIGONES El conocimiento de la socavación alrededor de un espigón es determinante para establecer el diseño de la cimentación y la longitud del espigón. Se han desarrollado más de veinte fórmulas para calcular la socavación alrededor de espigones. La mayoría de estas fórmulas son derivadas de experimentos en modelos hidráulicos de pequeña escala y por lo tanto deben utilizarse con mucho cuidado. La socavación en los espigones depende de los siguientes factores: Número de Froude de flujo antes del espigón Fr Relación de contracción Ángulo de inclinación del espigón con respecto a la corriente Inclinación de los taludes o paredes del espigón Diámetro de las partículas del cauce Concentración de sedimentos en el flujo. De las fórmulas planteadas la más confiable en nuestro criterio es la de Buy Ngok (1981):
41 Donde: H’ = Profundidad relativa de socavación
=
Profundidad de socavación = Pendiente lateral del espigón (1: m), el cual comúnmente fluctúa entre 0 vertical y 3. n = Relación de contracción n = L espigón / ancho total del cauce.
z =
α
= Angulo de inclinación, variable entre 30º y 140º
= Altura total del espigón. h = Profundidad del agua sin incluir la socavación
= Factores que dependen de la tracción sobre
los granos
La socavación aguas debajo del cuerpo de los espigones sumergidos puede calcularse, utilizando las mismas expresiones empleadas para el cálculo de socavación en vertederos, la cual se explica a detalle en el siguiente capítulo.
4.9.1 MINIESPIGONES Consisten en elementos de longitudes generalmente inferiores a dos metros que se colocan perpendiculares a la dirección de la corriente a lo largo de la orilla, para que actuando como espigones pequeños, desvíen la corriente y ayuden a la protección de la orilla. Estos mini espigones pueden ser de los siguientes materiales: 1.
Tr oncos de madera.
En el caso de utilización de troncos se acostumbra dejar las raíces del árbol hacia la corriente y complementar la protección con un enrocado longitudinal (Vaughn y Thornbrough, 1998), y/o un proceso de revegetalización de la orilla. Se reporta la utilización de troncos hasta de 6 metros de longitud. (Kinney y Gulso 1998). 2.
Atados de fibra de coco u otr as fibras vegetal es.
Se utilizan materiales similiares a las fajinas y su uso se limita a corrientes de baja velocidad. 3.
Enrocado.
Los mini espigones de enrocado tienen una sección longitudinal triangular con mayor espesor hacia dentro de la corriente. 4.
Prefabr icados de concreto
Tetrápodos, hexápodos, camarones, etc. 5.
Tubos de geo textil rell enos.
Se utilizan membranas en forma de tubo de geo textil a base de poliéster de diámetro hasta de 1.6 metros y se rellenan con arena bombeada del mismo río. Su orientación es de aproximadamente 15º hacia aguas arriba. La duración de estos tubos es de muy pocos años debido a que el geo textil se deteriora con los rayos UV del sol, y se recomienda complementar el sistema con un proceso de revegetalización de la orilla con estacas vivas.(Kinney y Gulso 1998).
42 6.
Combi naci ones de diversos materiales
Se utilizan materiales como pilotes y enrocado o madera y enrocado.
4.10ESTRUCTURAS RETARDADORAS Las estructuras retardadoras son grupos de elementos colocados alejados de la orilla en forma semiparalela al flujo con el objeto de disminuir las velocidades, favorecer la sedimentación y evitar la erosión lateral. No alteran propiamente el alineamiento de la corriente pero disminuyen las velocidades laterales en zonas de curva. (Figura 12.18). Por tratarse de elementos aislados el uno del otro el grupo en sí es una estructura permeable. En Colombia los retardadores más comunes consisten en hileras de pilotes de madera o tubos metálicos hincados. Se acostumbran dos o tres hileras semiparalelas. En ocasiones se colocan cables y fibras vegetales horizontalmente entre pilotes para aumentar su efecto. Si la corriente transporta cantos o bloques, la parte superior del pilote debe estar por debajo de la altura máxima de flujo para que los objetos grandes pasen por encima. Los pilotes deben ser hincados con la profundidad suficiente para prevenir una falla por socavación. La punta de la estructura retardadora debe unirse a la orilla para evitar que se forme un flujo paralelo de alta velocidad entre la estructura y la orilla. Se pueden utilizar estructuras retardadoras de cantos o bloque de roca; de pilotes con malla o con tubos horizontales, de hexápodos o camarones de concreto. En California (EE.UU.) es común el empleo de tetraedros de riel de acero unidos con cables.
43
FI GURA 12.18 Estructura retardadora con pilotes de madera.
44
FI GURA 12.19 Retardadores en pilotes con malla metálica.
45 4.11MUROS Y ESTRUCTURAS LONGITUDINALES La protección de la orilla utilizando muros ha sido empleada desde hace muchos años. Algunos tipos de muro, como los muro criba rellenos de suelo no son muy eficientes, debido a que el relleno es extraído por la fuerza del agua en movimiento (Knott, 1998).
4.11.1 Muros en gaviones Los muros en gaviones por su flexibilidad y la posibilidad de interacción con la vegetaci ón representan una alternativa muy eficiente para la protección de orillas, especialmente cuando en el cauce existe piedra que facilite la construcción del muro. Igualmente se pueden utilizar muros de tierra reforzada, utilizando pantalla de gaviones (sistema Terramesh). 4.11.2 Defensa de márgenes con cajones de piedra y madera
En lugares donde hay abundante madera se puede construir este tipo de protección. Los cajones son colocados de dos posiciones: horizontalmente en la base de talud o inclinados sobre el talud. Esta clase de defensa se usa cuando las fuerzas de arrastre son pequeñas. Las maderas se utilizan a manera de tablestacados y como pilotes. La manera más sencilla de utilizar la madera es hincando los pilotes y en medio de ellos colocar madera rolliza, formando una especie de muro de contención. Hay que tratar en lo posible de utilizar la madera sumergida con el fin de evitar su rápida descomposición. En ocasiones se utiliza prefabricados tipo «Criba», dejando espacios en forma de cuadrícula, los cuales se cubren con vegetación o con piedras unidas con mortero. Estos elementos también pueden fundirse en el sitio. Otro tipo de enchape puede consistir en piedra partida o cantos de roca. 4.11.3 Atados de fibra de coco (Coir fiber logs)
Se utilizan atados alargados en forma de tubo de fibra de coco u otros compuestos vegetales, los cuales se colocan a lo largo de la orilla del río para absorber la energía de los flujos de agua y reducir la erosión. Cada elemento puede tener aproximadamente 30 centímetros de diámetro y 6.0 metros de largo. Los elementos de fibra de coco son anclados con estacas de aproximadamente 120 centímetros de longitud. Se acostumbra anclarlos con estacas vivas, con el objeto de obtener una protección con arbustos, una vez haya desaparecido el atado de fibra de coco. Es importante proveer una protección adicional para la superficie arriba de los atados, utilizando un revestimiento que permita la formación de una cobertura vegetal.
46
5.1 MATERIALES:
Bibliografía encontradas mediante las páginas de internet Computadora
5.2 METODOLOGÍA 5.2.1 DISEÑO DE ESPIGONES 5.2.1.1 Criterios: Los espigones son obras transversales que avanzan desde la orilla existente hasta el centro del cauce, se ha proyectado espigones de lanzamiento del tipo sumergible, la cresta es ascendente hacia la orilla, en donde por las características geométricas proyectadas, determinan una longitud de trabajo y una longitud de empotramiento. Los espigones son estructuras unidas a la orilla o diques, ubicadas en el cauce cuyo efecto principal es alejar las líneas de corriente de la orilla y así asegurar que ella no sea socavada.
5.2.1.2 Orientación y pendiente La orientación de un espigón queda definida por el ángulo que forma el eje longitudinal del mismo con la tangente al dique o a la orilla en el punto de arranque del espigón. En cuanto al ángulo de orientación recomendable para la zona del Bajo Piura será de 70 . Los espigones deben construirse con una pendiente hacia el río, la cual debe estar entre 0.05 a 0.25. La cresta del espigón debe ser menor que el nivel correspondiente de la corona del dique u orilla a proteger, por lo tanto se debe tomar en cuenta el nivel del pelo de agua del caudal de diseño. La altura mínima en el extremo recomendada será de 2.00 m. La pendiente final de la nariz debe tener como mínimo la inclinación del ángulo de reposo de la roca de 32 . La pendiente de los taludes debe ser, aguas arriba de (V:H) 1:1.0 y aguas abajo como mínimo 1:1.5
5.2.1.3 Dimensionamiento y separación La longitud total del espigón se divide en longitud de empotramiento y longitud activa. La longitud activa en (m), medida sobre la corona deberá estar entre los límites: Ho
L
B/4
Dónde: B es el ancho medio del cauce en (m) y H o el tirante medio en (m), ambos para el caudal de diseño. La longitud L debe considerarse desde el talón del espigón hasta la cresta de la nariz.
47 Para el espaciamiento de los espigones se ha tomado como criterio el caso de curva regular, donde el espaciamiento es Sp = 4 L como máximo. Se debe considerar una longitud de empotramiento máxima de Lt/4.
5.2.2 DISEÑO HIDRÁULICO Y CÁLCULO ESTRUCTURAL 5.2.2.1 Calculo Hidráulico 5.2.2.1.1 Cálculo de Profundidad de la Uña del Espigón (Puña) Conocida la profundidad de socavación y teniendo en cuenta que el material de fondo del río será reemplazado por roca suelta, cuyo peso especifico es 2.11 Ton/m 3. Se utilizará en método de Lischtvan – Ledeviev, para suelos no cohesivos, para calcular la profundidad de la uña, el cual está basado en determinar la condición de equilibrio entre la velocidad media de la corriente y la velocidad media del flujo que se requiere para erosionar un material de diámetro y densidad conocido. Luego:
Donde: diámetro medio
exponente para material no cohesivo en función del diámetro característico (Cuadro)
Datos:
Ancho estable del cauce = 600 m (ancho neto del tramo) Coeficiente que toma en cuenta el periodo de retorno. Tabla 0.97 (para Tr = 50 años)
Para :
1000 mm (tamaño de roca)
Reemplazando tenemos:
48
Tirante que corresponde a la profundidad a la que se desea evaluar la velocidad erosiva (m)
. Adoptar por seguridad 2.0 metros.
5.2.2.1.2 Calculando el ancho de la Uña (Auña)
5.2.2.1.3 Longitud del Espigón La longitud total de los espigones se ha dividido en la longitud de anclaje o empotramiento en el dique natural y la longitud de trabajo que está dentro de la corriente. Las longitudes se han determinado teniendo en cuenta:
5.2.2.1.4 Longitud de trabajo Donde:
B = ancho medio del cauce dominante actual (margen izquierda) = 180 m H = tirante medio del cauce para caudal dominante (6.10 m)
Se ha calculado tres tipos de espigones con longitud de trabajo de:
5.2.2.1.5 Longitud de empotramiento Para este caso se considera una longitud máxima de Lt/4 = 4 m a. Separación de los Espigones Se ha tomado como criterio el caso de curva regular, donde el espaciamiento es Sp = 4 Lt como máximo: Entonces tenemos:
49 b. Elevación y pendiente de Corona Por razones hidráulicas y geométricas a usar en la corona del espigón, la pendiente será del orden del 5% al 8% arrancando desde la altura máxima del tirante, según caudal de diseño. 5.2.2.2 Calculo Estructural 5.2.2.2.1 Calculo del tamaño de la roca ( ) para el enrocado La estabilidad del enrocado depende de la forma, tamaño y masa de las rocas y de una adecuada distribución de tamaños. La estabilidad de una roca, está en función de su tamaño expresada en términos de peso o diámetro equivalente. Se han efectuado muchos estudios para determinar el tamaño de las rocas, entre los que tenemos. a) FORMULA DE MAYNORD
; Donde el Dm es el diámetro medio de las rocas y los valores recomendados de C 1 y C2 se muestran a continuación
Valores de C1 Fondo plano Talud 1:3 Talud 1:2
C1 = 0.28 C1 = 0.28 C1 = 0.32
Valores de C2 Tramos en curva C2= 1.50 Tramos rectos C2= 1.25 En el extremo de espigones C2 = 2.0
V = Velocidad media = 2.57 m/s Tirante medio = 4.87 m
Para el proyecto, se adoptará:
Reemplazando datos tenemos:
50
Se recomienda utilizar rocas con una adecuada distribución, cuyo diámetro medio sea mayor de 0.50 m, es decir de D60 a D100. De acuerdo a experiencias en la construcción de espigones en el río Piura, se adopta el uso de rocas de D100 (1.0 m), ante la presencia de rocas de mayor tamaño, colocar en el núcleo del espigón, o para la trabazón entre rocas grandes.
Análisis de estabilidad del espigón: en la situación desfavorable de la estructura, que se presenta en el extremo inferior, o nariz del espigón.
A. EMPUJE DEL AGUA
Donde Peso específico del agua = Velocidad de flujo de agua = Profundidad = Reemplazando datos tenemos:
Fuerza hidrostática Fuerza dinámica
= =
51
Ubicación de la fuerza
= =
B. PESO DE LA ESTRUCTURA Corona Base inferior Altura del cuerpo Volumen de rocas Jr (Peso específico de las rocas) W (Peso de la estructura) Ubicación de la fuerza C. FUERZA DEL SISMO
Donde
D. FUERZA DE INERCIA
E. ANALISIS DE ESTABILIDAD Momento de empuje de agua Momento debido al sismo Momento debido a fuerza de inercia Momento debido al peso
DESLIZAMIENTO
= 1,475.40 kg.-m = 873.60 kg.-m = 1,958.04 kg.-m = 78,750.00 kg.-m
VOLCADURA
52 CALCULOS BASICOS DE INGENIERIA CIVIL APLICADOS A DEFENSAS RIBEREÑAS 1.1 CÁLCULOS HIDRÁULICOS A 50 AÑOS DE RETORNO OBRA: DEFENSA RIBEREÑA RIO PIURA MARGEN DERECHA SECTOR LA QUEBRADA TAMBOGRANDE 1.1.1 SECCION ESTABLE (CÁLCUO DEL ANCHO ESTABLE): 1.1.1.1 FORMULA DE BLENCH ALTUNIN (BASADO EN UN RÉGIMEN ESTABLE)
Donde:
Q (m ³/s)
Fb
Fs
B (m )
3,390
0.80
0.10
298.07
1.1.1.2 FORMULA DE SIMONS Y HENDERSON
Donde:
1.1.1.3
K = Condiciones de fondo de río (4.2 Para fondo de arena y orillas de material cohesivo) Q (m³/s)
K
B (m)
3390
4.20
244.54
MÉTODO DE MANING:
; Donde:
53
MATERIAL DEL CAUCE
K
Material muy resistente Material fácilmente erosio. Material aluvial CARAT. DEL CAUCE Ríos de montaña Cauces aluviales en desemb. Cauces arenosos
3-4 8 - 12 16 - 20
m 0.50 1.00 0.70
Q (m³/s)
S (m/m)
n
m
K
A
Bo
3390
0.0006
0.035
0.70
8.00
1.05
270.51
Resultados: BLENCH - ALTUNIN 298 SIMON HENDERSON 245 ALTUNIN 271 SE ASUME: 450 (Es un valor más cercano al ancho real del río) 1.1.2 CÁLCULO DEL TIRANTE PARA UNA MÁXIMA AVENIDA: 1.1.2.1 FÓRMULA DE MANNING STRIKER:
Donde:
Q (m³/s) 3,390
Ks 35.00
B (m) 450
S 0.0006
t (m) 3.68
54 Donde: STRICKLER
; y que corresponde a ríos con fuerte transporte de acarreo; según
1.1.3 ALTURA DE ENCAUZAMIENTO
; Donde:
Donde:
Ks
R (m)
S
V (m/sg)
35.0
3.62
0.0006
2.03
1.70
g (m/s²)
BL (m)
9.81
0.36
Según tabla de la Pag. Nº 36 del Manual "Diseño y Construcción de Defensas Ribereñas"; para caudales entre 2000-3000 m3/seg se usa 1.70 ENTONCES:
Se considera:
1.1.4 PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN: 1.1.4.1 FÓRMULA DEL L.L. LIST VAN LEBEDIEV (PARA CAUCES NATURALES)
Donde:
Donde:
55
; Según el cuadro de coeficientes B para
socavación de Picandex Kreimer. Sección estable Tirante que corresponde a la profundidad que desea evaluar la velocidad erosiva Dm = Diámetro medio (Dm = 0.5 mm) x = exp. para mat.no cohesivo ( x = 0.43; suelos no cohesivos de D = 0.5 mm; según Picandex Kreimer) Q (m³/s)
t (m)
a
3390
3.68
450
0.86
a
t (m)
B
0.86
3.68
Dm (*) (mm) 0.5
1/ (X+1) 0.71
0.94
(m) 6.44
Según estudio de la granulometría del cauce.
1.2 DISEÑO DEL DIQUE CON UN PERIODO DE RETORNO DE 50 AÑOS 1.2.1 SECCION ESTABLE O AMPLITUD DE CAUCE (B) RECOMENDACIÓN PRACTICA Q (M3/S) ANCHO ESTABLE ( B2 ) 3000 200 2400 190 1500 120 1000 100 500 70 3390.00 B2 = 200.00 ( * ) Aplicable caudales mayores 100 m3/s 1.2.1.1 METODO DE PETITS:
METODO DE PETITS 3,390.00
B= B=
Caudal de Diseño (m3/s)
Ancho Estable del Cauce (m) m 258.51
56
1.2.1.2 MÉTODO DE SIMONS Y HENDERSON
METODO DE SIMONS Y HENDERSON
B = K 1 Q1/2 CONDICIONES DE FONDO DE RIO Fondo y orillas de arena Fondo arena y orillas de material cohesivo Fondo y orillas de material cohesivo Fondo y orillas de grava Fondo arena y orillas material no cohesivo SELECCIONAR >>> >>>>> >>>>>>>> >>>>> K 1 =
3,390.00 B= B=
K 1 5.70 4.20 3.60 2.90 2.80 4.20
Caudal de Diseño (m3/s)
Ancho Estable del Cauce (m) 244.54 m.
1.2.1.3 MÉTODO DE BLENCH – ALTUNIN
METODO DE BLENCH - ALTUNIN Fb = Fbo = B=
Fb = Fs =
Fbo(1+0.12C) D501/3 1.81(Q Fb/Fs)1/2 Caudal de Diseño (m3/s)
Factor de fondo de cauce del Rio (Tabla) Factor de Orilla de cauce de Rio (Tabla) Factor de Fondo Fb 0.80 Material Fino 1.20 Material Grueso SELECCIONAR >>>>>>>>>> 0.80 >>>>>> Fb = Factor de Orilla Fs 0.10 Materiales sueltos (Barro y arena) 0.20 Materiales ligeramente cohesivos (barro arc. Fang.) 0.30 Materiales cohesivos 0.20 SELECCIONAR >>>>>>>>>>>>>>>> >>>>>> Fs =
57
1.2.1.4 MÉTODO DE BLENCH – ALTUNIN
METODO DE MANNING B= Q= S= n= K= m=
(Q1/2/S1/5) (n K 5/3 )3/(3+5m) 3,390.00 Caudal de Diseño (m3/s) 0.00060 Pendiente Tramo Obra Coeficiente de rugosidad Coeficiente Material del Cauce (Tabla) Coeficiente de Tipo de Rio (Tabla)
TABLAS DE LOS VALORES CORRESPONDIENTES
Valores rugosidad de Manning (n)
n
Cauce con fondo solido sin irregularidades Cauces de rio con acarreo irregular Cauces de Ríos con Vegetación Cauces naturales con derrubio e irregularidades Cauces de Rio con fuerte transporte de acarreo Torrentes con piedras de tamaño de una cabeza Torrentes con derrubio grueso y acarreo móvil SELECCIONAR >>>>>>>>>>>>>>>> >>>>> n =
0.025 0.030 - 0.029 0.033 - 0.029 0.033 0.035 0.040 - 0.036 0.045 - 0.050
Descripción Material de cauce muy resistente Material fácilmente erosionable Material aluvial Valor practico SELECCIONAR >>>>>>>>>>>>>>>> >>>>>> K =
0.033
K 3a4 8 a 12 16 a 20 10 8.00
Descripción m Para ríos de montaña 0.50 Para cauces arenosos 0.70 Para cauces aluviales 1.00 SELECCIONAR >>>>>>>>>>>>>>>> 0.70 >>>>> m = 263.26 m. B=
58 SELECCIÓN DEL ANCHO ESTABLE Recomendación Practica Método de Pettis Método de Simons y Henderson Método de Blench Método de Manning PROMEDIO REDONDEADO SELECCIONAR >>>>>>>>> >>>>> B =
B 200.00 258.51 244.54 210.77 263.26 235.00 450.00
Justificar: Se toma el valor obtenido de acuerdo a la fórmula de Manning y por qué en la zona de La Quebrada el ancho, del río es amplio.
1.2.2 TIRANTE DE DISEÑO (t) METODO DE MANNING - STRICKLER (B > 30 M) t= (Q/(Ks b S 0.5))3/5 Q= 3,390.00 Caudal de diseño (m3/s) Ks = Coeficiente de Rugosidad (Tabla) Ks Valores para Ks para Cauces Naturales Cauce con fondo solido sin irregularidades 40 Cauces de rio con acarreo irregular 33 - 35 Cauces de Ríos con Vegetación 30 - 35 Cauces naturales con derrubio e irregularidades 30 28 Cauces de Rio con fuerte transporte de acarreo 25 - 28 Torrentes con piedras de tamaño de una cabeza 19 - 22 Torrentes con derrubio grueso y acarreo móvil SELECCIONAR >>>>>>>>>>>>>>>> 35.00 >>>>> Ks = 450.00 Ancho estable (m) B= 450.00 b= 0.00060 Pendiente del tramo (m/m) S= Tirante hidraúlico de diseño (m) t= t= 3.68 m CALCULO DE LA VELOCIDAD y AJUSTES INGRESAR TALUD >>>>>>>>> >>>>> 1.50 >>>>>>>>>> Z= METODO DE MANNING - STRICKLER Vm = Ks R2/3 S1/2 Z= 1.50 Talud Coeficiente de rugosidad (Inversa de Ks = 35.00 Manning) t= 3.684 Tirante Hidraulico Maximo b= 450.00 Plantilla (m)
59 P= A = R= S= Vm = Vm =
457.37 1657.75 3.625 0.00060
Perimetro Mojado (m) Area (m2) Radio hidraulico Pendiente (Manning) Velocidad ( m/s ) m/s
2.023
1.2.3 REGIMEN DEL CAUDAL DEL RIO
V= g= A = D=
Numero de Frode F = V/(g*A/T)1/2 Velocidad (m/s) 2.023 Aceleración de la 9.810 gravedad Área hidráulica (m2) 1657.75 Altura del Cauce (m) 3.684 F = 0.337
Q= Q1 = DIFERENCIA =
FLUJO SUBCRITICO
VERIFICACION 3390.000 3353.495 36.505 m3/s
m3/s m3/s 1.08%
1.2.4 CALCULO DE LA PROFUNDIDAD DE SOCAVACION (Hs)
Seleccionado
Coeficiente de Contracción, µ Vm = 2.02 B= 450.00
µ=
0.99
METODO DE LL. LIST VAN LEVEDIEV 5/3
a=
Q/(t B µ) 5/3
0.28
5/3
1.18
ts =
((a t )/(0.68 D
ts = Q= t= B= µ= a= D=
((a t )/(0.60 w
1/(x+1)
ß))
1/(x+1)
ß)) Caudal (m3/s) Tirante hidraúlico (m) Ancho del Cauce (m) Coeficiente Contracción (Tabla)
3,390.00 3.684 450.00 0.99 0.87 Diámetro Medio de las partículas (mm)
60 x= 1/(x+1) = ß=
Valor obtenido de la Tabla Valor obtenido de la Tabla Coeficiente por Tiempo de Retorno
SELECCIÓN DE x EN SUELOS COHESIVOS (Tn/m3) o SUELOS NO COHESIVOS (mm) Suelos No Cohesivos (2) Suelos Cohesivos (1) 2 Peso específico x 1/(x +1) D (mm) x 1/(x +1) Tn/m3 0.80 0.52 0.66 0.05 0.43 0.70 0.83 0.51 0.66 0.15 0.42 0.70 0.86 0.50 0.67 0.50 0.41 0.71 0.88 0.49 0.67 1.00 0.40 0.71 0.90 0.48 0.68 1.50 0.39 0.72 0.93 0.47 0.68 2.50 0.38 0.72 0.46 0.68 4.00 0.37 0.73 0.96 0.45 0.69 6.00 0.36 0.74 0.98 0.44 0.69 8.00 0.35 0.74 1.00 0.43 0.70 10.00 0.34 0.75 1.04 0.42 0.70 15.00 0.33 0.75 1.08 0.41 0.71 20.00 0.32 0.76 1.12 1.16 0.40 0.71 25.00 0.31 0.76 1.20 0.39 0.72 40.00 0.30 0.77 1.24 0.38 0.72 60.00 0.29 0.78 1.28 0.37 0.73 90.00 0.28 0.78 1.34 0.36 0.74 140.00 0.27 0.79 1.40 0.35 0.74 190.00 0.26 0.79 1.46 0.34 0.75 250.00 0.25 0.80 1.52 0.33 0.75 310.00 0.24 0.81 1.58 0.32 0.76 370.00 0.23 0.81 0.31 0.76 450.00 0.22 0.82 1.64 1.71 0.30 0.77 570.00 0.21 0.83 0.29 0.78 750.00 0.20 0.83 1.80 0.28 0.78 1,000.00 0.19 0.84 1.89 0.27 0.79 2.00 SELECCIONE >>>>>>>>> 1.800 >>>> D (Tn/m3) o D(mm) = x= 0.200 1/(x +1) = 0.833 Valores del Coeficiente ß Periodo de Retorno (Años)
Probabilidad de Retorno (%)
Coeficiente ß
2.00
0.00 50.00
0.77 0.82
61 5.00 10.00 20.00 50.00 100.00 300.00 500.00 1,000.00 SELECCIONAR >>>>>>>>>>>>>>>> >>>>> ts = ts =
20.00 10.00 5.00 2.00 1.00 0.33 0.20 0.10 ß= Tirante de socavación 6.44 m
0.86 0.90 0.94 0.97 1.00 1.03 1.05 1.07 0.97
PROFUNDIDAD DE SOCAVACION (Hs) EN TRAMOS RECTOS Hs = ts - t ts = 6.44 Tirante de socavación (m) t= 3.68 Tirante hidraúlico con avenida de diseño (m) Hs1 = Profundidad de socavación Hs = 2.76 m. PROFUNDIDAD DE SOCAVACION (t MAX) ALTUNIN Método de Altunin t MAX =e dr B= 450.00 Ancho del cauce del Rio R= Radio de curva del Cauce del Rio INGRESE >>>>>>>>> R = 5000 R/B = 11.11 Valor de Ingreso a tabla Valores Coeficiente "e" R/B = 11.11 R/B e Infinito 1.27 El Propósito de esta prueba es determinar 6.00 1.48 un radio de curvatura máximo en el tramo de la obra, sin incrementar la profundidad 5.00 1.84 de socavación calculada anteriormente 4.00 2.20 2.57 3.00 3.00 2.00 e= 1.27 3.68 Tirante de diseño dr = t = t MAX = 4.68 m HS = t MAX -t HS = Profundidad de socavación en curva HS = 0.99 m PROFUNDIDAD DE CIMENTACION DE LA UÑA Hs1 = 0.99 m Hs2 = 2.76 m
62 1.88 Promedio = SELECCIONE >>>>>>>>> >>>> >>>>>>>>>>>> HUÑA =
m
1.50
CALCULO DE LA ALTURA DEL DIQUE (Hd) CALCULO DE BORDO LIBRE DE LA DEFENSA (Bl 1) He = V2/2g Vm = Velocidad del Caudal de Diseño (m/s) g= Aceleración de la Gravedad He = 0.21 Energía Cinética (m) Bl = ¢ He Caudal máximo m3/s = ¢ 3000.00 4000.00 2.00 3000.00 1.70 2000.00 2000.00 1.40 1000.00 1000.00 1.20 500.00 500.00 1.10 100.00 ¢ = 2.00 Bl1 = 0.42 Recomendaciones Prácticas: m3/s Bl 0.60 > 200 1.00 200 a 500 0.80 0.42 500 a 2000 1.00 Bl2 = 1.00 Bordo libre Menor Bl1 = 0.42 Bordo libre Mayor Bl2 = 1.00 Selección Bl = 1.60 CALCULO DE ALTURA DEL DIQUE HD = t + Bl 3.68 Tirante de diseño (m) t= Bl = 1.60 Bordo libre 5.28 m. Hd = CRITERIO ADICIONAL PARA AJUSTE FINAL INGRESAR CAUDAL DE PRUEBA S= 0.0006 z= 1.50 Hd = Y = 3.59 b= 450.00 n= 0.033 Q= 3,390.00 Riesgo = 26%
Q100 = 3,100.00 Bl1 = 1.50 t = 3.68 A = 1,634.83 P= 462.94 R2/3 = 2.32 QM. Max = 2,814.05 50.00 T. Retorno
63 DESCRIPCION Altura dique Hd (m) = Tirante t (m) = Bordo Libre Bl (m) = Altura uña Hu (m) = Altura total Ht (m) =
Calculado 5.28 3.68 1.60 1.50 6.78
Ajustado 5.30 3.68 1.62 1.50 6.80
DIMENSIONAMIENTO DEL DIQUE O DEFENSA A
NH
1
Es
H4 Z2 HT
Z1
H2
H1
nnn1
F1
A7
V F2 H3
P2
P1 P.M. A
P3
A
4
A
3
A
Q= V= H1 = H2 = H3 = H4 = HT = Z1 = Z2 = A1 = Es = wa =
3,390.00 2.02 5.30 3.68 1.50 1.62 6.80 1.50 1.00 3.00
wR =
1.80
1.00
A
2
4
5
INFORMACION ANTERIOR Caudal de deseo (m3/s) Velocidad del agua (m/s) Altura del Dique (m) Tirante de Agua (m) Profundidad de la Uña (m) Bordo Libre (m) Altura Total del Dique (m) Talud húmedo del dique Talud seco del dique Ancho de Corona del Dique (m) Espesor del Revestimiento (m) Peso específico del agua (Tn/m3) Peso específico promedio del material del dique (Tn/m3)
64 Tablas)
PESOS ESPECIFICOS Y ANGULOS DE FRICCION DE SUELOS Clase de terreno PESO ESPECIFICO (Tn/m3) Angulo de Fricción Tierra de terraplén seca 1.40 37 Tierra de terraplén húmeda 1.60 45 Tierra de terraplén empapada 1.80 30 Arena seca 1.60 33 Arena Húmeda 1.80 40 Arena empapada 2.00 25 Légamo diluvial seco 1.50 43 Légamo diluvial húmedo 1.90 20 Arcilla seca 1.60 45 Arcilla húmeda 2.00 22 1.83 37 Gravilla seca 1.86 25 Gravilla húmeda 1.80 45 Grava de cantos vivos 1.80 30 Grava de cantos rodados VALORES TIPO PARA EL ANGULO DE FRICCION INTERNA OBTENIDOS A PARTIR DE ENSAYOS DE CORTE EN DIVERSOS TIPOS DE ROCA Y SUELO (HODK Y BRAY) PESO ANGULO DE FRICCION TIPO MATERIAL ESPEC. MATERIAL GRADOS (TM/m3) Gruesa y Compacta, bien 1.44 40 - 45 seca graduada, uniforme Uniforme, gruesa 1.60 35 - 40 Fina y seca arena fina o suelta ARENA Arena bien suelta 1.84 35 - 40 Húmeda graduada Muy Arena fina seca 1.92 30 - 35 Húmeda Común 1.76 35 - 40 Común mixta mixta NO COHESIVO Fluvial grava 2.24 40 GRAVA 1.84 40 - 45 Suelta Compacta arenosa 1.92 35 - 40 Arenosa Suelta arenosa Piedra partida en 1.6 -2.00 35 - 45 Granito fragmentos 1.76 35 - 45 Basalto ROCA 2.24 SUELTA 1.28 35 - 45 Calcárea Yeso fragmentado 1.92 1.0 - 1.28 35 - 45 Yeso
65
ARCILLA
COHESIVO COBERTURA
MACIZO ROCOSO
1.92
Bloques de arcilla gruesa Bloques de arcilla húmeda Arcilla compacta
10 - 20
1.60
Arcilla blanda
5-7
Seca
1.76
Húmeda
1.84
Saturada Marga Arenosa
40 30
Marga
1.76
Con grava Suelo Superfic. Suelo seco Suelo húmedo Suelo saturado Granito Cuarcita Arenisca Caliza Porfido Yeso
2.00
Material calcáreo de zona de deslizamiento Material de falla
1.36
Suelo de cobertura
30 - 35
Granito Cuarcita Arenisca Caliza Porfido Yeso fragmentado
30 - 50 30 - 45 30 - 45 30 - 50 30 - 40 30 - 40
20 - 27 14 - 22
1.44 1.60 1.68 2.61 2.61 1.95 3.17 2.58 1.76
DIMENSIONAR A2 = A2 = A3 = A3 = 2.00 A5 = A5 =
F1 = Wa = h=
Ancho de la Base del Dique (m) A1 + Z1H1 + Z2H1 16.25 Ancho de la Base del Dique (m) Ancho Inferior de la uña (m) 1.5 H1 2.25 Ancho Inferior de la uña (m) Ancho Superior de la Uña (m) <<<< <<<<<<<<< Con un talud (1), con dos taludes (2), sin taludes (3) 2 Z1H3 + A3 Ancho Superior de la Uña (m) 5.25 Fuerza de Empuje del Agua Presión del agua (Kg por metro de wh2/2 dique) 1.00 Peso específico del agua (Tn/m3) Distancia en metros de la 5.30
66
F1 =
wR = AS = W1 = U= wa = A2 = H1 = U=
MwS = A2 = W1 = MwS = Mw A = H1 = F1 = Mw A = U= A2 = MU = R= f= F1 = W1 = U= f= Tan ( f' ) =
14.05
Presión del agua (Kg por metro de dique)
Peso del Dique por metro W1 = AS wR Peso específico del dique (Tn/m3) 2.00 Vol. (Área) de la sección transversal de un metro de 51.01 ancho (m3) 102.03 Peso de Cuerpo del Dique por metro Supresión wa A2 H1 /2 Kg por metro de presa 1.00 Peso específico del agua (Tn/m3) 16.25 Ancho de la Base del Dique (m) 5.30 Altura del Dique (m) 43.06 Fuerza ejercida por la supresión Tendencia del Dique al Volteo MwS >= 1.5 (Mw A + MU) = R A2 W1 /2 Momento del peso del cuerpo del dique 16.25 Ancho de la Base del Dique (m) 102.03 Peso de Cuerpo del Dique por metro 828.95 Momento del peso del cuerpo del dique H1 F1/3 Momento de presión del agua sobre el dique 5.30 Altura del Dique (m) 14.05 Presión del agua (Kg por metro de dique) 24.81 Momento de presión del agua sobre el dique MU = 2 U A2/3 Fuerza ejercida por la subpresion 43.06 Ancho de la Base del Dique (m) 16.25 466.51 Momento de la Subpresion 736.98 ES ESTABLE Tendencia del Dique al Deslizamiento F1 / (W1 - U) Coeficiente de seguridad contra el deslizamiento 14.05 Fuerza del agua que obra para desalojar el dique en dirección aguas abajo Peso de Cuerpo del Dique por metro 102.03 43.06 Fuerza ejercida por la subpresion 0.24 Menor o igual al Coeficiente de Seguridad 0.61 ES ESTABLE
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