Criterios para el diseño de badenes Introducción. La construccion de obras de drenaje en los caminos vecinales demanda un presupuesto alto, por lo que se debera estudiar soluciones tecnicas que sean adecuadas a la economia de este tipo de obras que minimicen el riesgo de su destruccion. En este sentido, el presente trabajo proporciona algunos criterios para el diseño de badenes como una alternativa que puede ser aplicada para la solucion de pasos de quebrada en diferentes regiones.
Elementos del baden El baden es una obra de drenaje que se adecua a las caracteristicas geometricas del cauce y tiene por objetivo facilitar el transito estable de los vehiculos y consta de los siguientes elementos: Plataforma o Capa de Rodadura Muro de Pie Muros de Cabezal Muro de Confinamiento
Plataforma o Capa de Rodadura. Es la parte fundamental del baden. En sentido longitudinal, la losa es el segmento de una circunferencia y en sentido transversal es inclinada con una pendiente del orden del 2% hacia aguas abajo. Muro de Pie. Muro localizado en la parte de aguas abajo de la plataforma, constituye la fundacion del baden y se construye a todo lo largo de este. Muros de Cabezal. Son una prolongacion del Muro de Pie en ambos extremos de este, formando un vertedero con el objetivo de ampliar la capacidad de descarga sobre el baden, y ademas; proteger las laderas contra la socavacion. Muro de Confinamiento. Se denomina asi al muro localizado en el borde de la plataforma en el sector de aguas arriba, elemento que tiene por objetivo la proteccion del baden.
Tipos de badenes De acuerdo a las caracteristicas y condiciones de los curso de agua, se puede diferenciar los siguientes tipos de badenes: Baden simple Baden mixto Baden reforzado Baden combinado
Baden simple Es el tipo de baden que consta de todos los elementos, es decir; capa de rodadura, muro de pie, muros de cabezal y muro de confinamiento, sin ninguna obra adicional. Baden mixto Se da el nombre de mixto al baden simple que, ademas incluye una alcantarilla o paso de agua por debajo de la plataforma. Este tipo de baden se diseña para cursos de agua permanente, haciendo que los caudales hasta un determinado periodo de retorno se evacuen por los tubos u orificios previstos, mientras que los caudales de crecidas con un periodo de retorno mayor; pasan por el baden propiamente dicho. Baden macizo La singularidad de este tipo de baden es que su plataforma es de gran espesor. Estos badenes se diseñan para cursos de rios o quebradas con caudales de magnitud y con arrastre de material grueso. Baden combinado Se denomina asi a aquellos badenes que se construyen junto a otra estructura, por ejemplo un canal de riego paralelo a la plataforma como parte constitutiva de la estructura.
Datos básicos para el diseño Las investigaciones necesarias se centran en tres aspectos fundamentales: Topografia del cauce Geotecnia del sitio Estimacion de caudales maximos La topografía consiste en la planimetria del sector, un perfil transversal y uno longitudinal; levantamiento este que debera cubrir un area comprendida como minimo entre 100 metros aguas arriba y 100 metros aguas abajo del eje del camino y un ancho, a partir de ambas margenes; que permita un conocimiento detallado del sector. El estudio geotecnico se debera centrar en las caracteristicas del terreno de fundacion y de las margenes del rio o quebrada. La estimacion de caudales maximos debera incluir un analisis de los materiales de arrastre y la morfologia del cauce.
Ilustracion de el área que debe cubrir el levantamiento topográfico
Dimensionamiento del baden Para establecer las dimensiones de los elementos del baden, se debera fijar el caudal de diseño (se recomienda un caudal de diseño con un periodo de retorno de T = 50 años). Con el caudal de proyecto se define la longitud de la cuerda y la altura del cabezal, para lo cual se elabora una curva h = f (L) usando la formula de vertedero de pared gruesa. En esta etapa se debera analizar las variantes posibles, a partir de aspectos topograficos y/o geometricos; y la comparacion de estas, permitira seleccionar el tamaño del baden mas economico que cumpla con los requisitos tecnicos. Diseño de la plataforma Para la geometria de la plataforma se tomara como datos de partida la altura y longitud definidos, considerando estos como flecha y cuerda del segmento de circunferencia respectivamente; con lo cual se podra calcular el radio; el cual no sera menor a 80 metros. R² = f² + a² f = flecha a=L/2 L = Cuerda
El ancho de la plataforma es funcion del ancho de la via (4, 6 u 8 metros) y el espesor se debe determinar en funcion de las cargas y de la calidad del terreno de fundacion (en la practica se recomienda un espesor no menor a 20 cm). Diseño del Muro de Pie Su altura depende del terreno de fundacion y del caudal de la crecida de diseño, para lo cual se analizara la socavacion que produce el salto del agua. En este sentido se debera estudiar el perfil del cauce, considerando la pendiente, la potencialidad erosiva y la altura maxima de socavacion. El calculo de la altura de socavacion puede ser realizado mediante la formula experimental de Veronece: d = 1.9 · h 0.225 · q 0.54 d = Profundidad de socavacion en metros h = diferencia de niveles de agua en metros q =Q/Lv - Caudal por metro de vertedero en [m3/seg]/m Q = caudal de diseño en m3/seg Lv = Longitud del vertedero
Para disminuir la altura del muro de pie se puede disponer un voladizo que aleje el chorro de la base del muro de pie y disminuya la influencia de la socavacion.
Se recomienda la implementacion del voladizo para badenes mixtos o cuando el suelo de fundacion es susceptible a una profundidad de socavación de gran magnitud y el arrastre del amterial no sea grueso. Para un suelo de fundacion clasificado como roca blanda, la longitud del voladizo puede ser de 0.50m., para aluvion debera tener un minimo de 1.00m. Muros de Cabezal La altura de los muros de cabezal sobre la plataforma esta determinada por el caudal y la longitud del vertedero formada por estos muros. De la formula del vertedero de pared gruesa: Q = 1.71· Lv·Y 3/2 Obtenemos el tirante normal, a la entrada del baden: Y = [Q/(1.71· Lv)]2/3 El area hidraulica a la salida del baden: A = R²·atan [0.5·Lv / (R-f)] - Lv·[0.5·(R-f) - (Y - f)] La velocidad del caudal a la salida del baden: V = Q / A Finalmente, la altura del cabezal sobre el baden sera: Hc = 0.67·Y +V²/ 2·g + 0.10 m Se recomienda una altura maxima de 1.00 m, su longitud se determina en funcion a la pendiente y al tipo de terreno de las margenes. Eventualmente, la altura de los muros de cabezal sobre la plataforma puede ser sobrepasada y el rebalse puede producir un salto en las margenes del rio o quebrada, por lo que se recomienda disponer de medidas de proteccion, como ser; empedrado u otras que disminuyan la socavacion de las margenes.
Muro de confinamiento Sus dimensiones dependen del caudal y del tipo de arrastre del rio o quebrada. Generalmente sus dimensiones son reducidas, cubriendo todo el espesor de la plataforma mas 20..30cm.
Aspectos constructivos La plataforma puede conformarse mediante una carpeta de hormigon simple sobre empedrado, sobre el cual se vacia la losa de hormigon. Esta losa debe contar con juntas de dilatacion en sentido transversal del baden cada 2..3 metros.
El material utilizado para la plataforma es generalmente hormigon simple con una resistencia cilindrica minima de 180 kg/cm2 a los 28 dias.
El espesor minimo de la capa de rodadura es de 20 cm. Para el curado se recomienda colocar una capa de arena de aproximadamente 10 cm. de espesor, la cual debera ser humedecida durante los 15 dias posteriores al vaciado. En badenes reforzados, la capa de rodadura de gran espesor se logra construyendo bloques de hormigon ciclopeo (concreto) los que deberan ser de 2..3 metros; coincidiendo esta separacion con las juntas de dilatacion. Las superficies de piedra embebida en el hormigon, se adoptan para badenes en cauces con arrastre de sedimentos gruesos de gran dimension (piedras y/o rocas). El material para la construccion del Muro de Pie, preferiblemente debe ser de hormigon ciclopeo; quedando a criterio del ingeniero la adopcion de otro material, dependiendo de las condiciones del suelo de fundacion y de las caracteristicas del cauce del rio o quebrada. Para los casos en que el suelo de fundacion es roca, se recomienda extraer una capa de por lo menos 20 cm de espesor (superficie meteorizada), o hasta encontrar la roca sana para garantizar un buena adhesion del Muro de Pie a la roca. Para los Muros de Cabezal se recomienda que estos monten sobre la losa en una longitud de 0.50 m., formando de esta manera el vertedero para la descarga del caudal de diseño. Debido al posible asentamiento del Muro de Pie, se puede disponer de armadura que absorva los esfuerzos en la union del Muro de Cabezal con el Muro de Pie. Los Muros de Cabezal deberan ser cubiertos por los terraplenes de acceso al baden, en una longitud de aproximadamente 1.0 m., tratando de que la geometria del baden y el terraplen permitan la comodidad de acceso de los vehiculos, ademas de establecer una seccion regular para la ampliacion del area de descarga de caudales superiores al caudal de diseño. El voladizo debera presentar una inclinación del orden del 10% y en los casos de badenes de gran longitud, se debera ejecutar con fuerte pendiente para evitar que las ruedas de los vehiculos monten, ya que el diseño no preve las cargas de tal magnitud.
Baden que colapso por errores de diseño y fallas de construccion
