MANUAL Defensas Ribereñas Ruben Teran Edicion 1 Libro PDF

Escuela Superior de Administración de Aguas

CHARLES SUTTON

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DISEÑO Y CONSTRUCCION DE DEFENSAS RIVEREÑAS

1998

Por Ing. Ruben Teran A.

Escuela Superior de Administración de Aguas

CHARLES SUTTON

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DISEÑO Y CONSTRUCCION DE DEFENSAS RIVEREÑAS

1998

Por Ing. Ruben Teran A.

DEDICATORIA A la memoria de mis padres Edilberto y Luisa, a mi esposa y a mis hijos y hermanos, así como los colegas y amigos que me impulsaron a plasmar este trabajo que sale a luz gracias al patrocinio de la Escuela Superior de Administración de Aguas Charles Sutton

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Ing. Rubén Terán

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DEFENSAS RIBEREÑA

PRESENTACION

Ing. Absalón Vásquez Villanueva

Ing. Rubén Terán Adriazola Edición Nº 1-1998 -Versión PDF “

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INDICE

INTRODUCCION 1.

EROSION ............................................................................................................................ 9 1.1 ASPECTOS GENERALES ........................................................................ 9 1.1.1 Suelo ............................................................................................... 9 1.1.2 Cuenca ............................................................................................ 9 1.1.3 Rio .................................................................................................. 9 1. 2 DESC RI PC IO N DE EROS ION. ............................................................... 9 1.2.1 Significado de Erosión .................................................................. 9 1.2.2 Mecanismo de la Erosión por el Agua. .................................................10 1.2.3 Tipos de Erosión ............................................................................10

2. MEDIDAS DE PREVENCIÓN Y CONTROL DE EROSION EN LAS RIBERAS DE LOS RIOS 12 2.1 MEDIDAS AGRONÓMICAS .......................................................................12 2.1.1 Defensas Vivas - Nat urales .............................................................12 2.1.2 Defensas Vivas-Forestadas ..........................................................13 2.2 MED IDAS EST RUC TURALES ..................................................................13 2.2.1 Permanentes ................................................................................14 2.2.2 TEMPORALES ..................................................................................18 3.

ASPECTOS DE DISEÑO .................................................................................................. 21 3.1 EVALUACION DE AREAS SUSCEPTIBLES A EROSIÓN ...............................21 3.1.1 ASPECTO AGRÍCOLA .....................................................................21 3.1.2 URBANO ......................................................................................21 3.1.3 INFRAESTRUCTURA ......................................................................22 3.1.4 INDUSTRIAL ................................................................................22 3.2 GEOMORFOLOGIA ..............................................................................22 3.2.1 Curso de Agua .............................................................................22 3.2.2 Tipos de Flujo ..............................................................................23 3.2.3 Tipo de Lecho ..............................................................................23 3.2.4 Potencia de Flujo ..........................................................................24 3.2.5 Sedimentos .................................................................................24 3.3 HIDROLOGÍA .....................................................................................25 3.3.1 Características Generales del Río ....................................................25 3.3.2 Descarga Máximas .......................................................................25 3.3.3 Métodos de Determinación de Máximas Avenidas .............................26


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3.3.4 Método de Distribución de Valores Extremos – Método de Gumbel ......29 3.3.5 Otros Métodos .............................................................................31 3.3.6 Avenida de Proyecto .....................................................................33 3.4 HIDRÁULICA ......................................................................................33 3.4.1 Formas de Encauzamiento .............................................................33 3.4.2 Longitud y Ubicación de Encauzamiento ..........................................34 3.4.3 Sección Estable de Río o Amplitud de Cauce ....................................34 3.4.4 Tirante de Máxima Avenida y Altura de Encauzamiento .....................35 3.4.5. Profundidad de Socavación ...............................................................37 3.5 TOPOGRAFÍA .....................................................................................40 3.5.1 Levantamiento Topográfico con Coordenadas ...................................40 3.5.2 Secciones Transversales ................................................................43 3.5.3 Perfil Longitudinal.........................................................................43 3.5.4 Red de Base Marcadas (B.M) ........................................................43 3.5.5 Planilla de Movimiento de Tierras ...................................................44 3.6 ASPECTO ECONÓMICO ........................................................................45 3.6.1 Daños Probables por Inundación y Necesidades de Obras de Defensa .45 3.6.2 Beneficio con las Obras de Encauzamiento.......................................45 4.

PROCEDIMIENTO DE CONTRUCCIÓN DE DIQUE ENROCADO ............................... 46 4.1 PRELIMINARES...................................................................................47 4.2 ARMADO DE TERRAPLÉN Y EXCAVACION DE UÑA ...................................48 4.2.1 Terraplén o plataforma..................................................................48 4.2.2 Excavación de la uña de estabilidad ................................................49 4.3 ACABADO DE LA PLATAFORMA O TERRAPLÉN ........................................51 4.3.1 Lastrado y Acabado ......................................................................52 4.4 ENROCADO ........................................................................................53 4.4.1 Preparación de la roca en cantera ...................................................53 4.4.2 Selección de Roca ........................................................................56 4.4.3 Carguío, Transporte y Colocado ......................................................58

5.

CONSIDERACIONES EN LA CONSTRUCCIÓN DE ESPIGONES .............................. 63 5.1 CONSIDERACIÓN DE EJECUCIÓN DE ESPIGONES ...................................63 5.2 TIPO DE ESPIGONES RESPECTO AL RIO ................................................64 5.3 DEFLECTORES DISIPADOS ..................................................................67

6.

PROCEDIMIENTO EN LA CONTRUCCION DE GAVIONES ........................................ 69 TRAZADO Y PREPARACIÓN DE TERRENO ...............................................69 ARMADO DE GAVIONES ......................................................................69 SELECCIÓN Y ACOPIO DE CANTOS RODADOS ........................................69 LLENADO DE GAVIONES ......................................................................70 LLENADO DE COLCHONES ...................................................................71

6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 7.

LIMPIEZA O MANTENIMIENTO DE CAUCE ................................................................. 72

8.

EJEMPLO PRACTICOS ..................................................................................................... 78

9.

PRESUPUESTO, CRONOGRAMA Y FÓRMULA POLINÓMICA .................................... 95


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DISEÑO Y CONSTRUCCION DE DEFENSAS RIBEREÑAS

1. EROSION 1.1 ASPECTOS GENERALES 1.1.1 Suelo Es la cobertura superficial de la corteza terrestre que se forma por procesos de oxidación, hidratación e hidrolisis, carbonatación y disolución. El suelo es útil para la agricultura porque los procesos químicos dejan libres sustancias minerales en forma de iones, los cuales pueden ser absorbidos por las plantas y utilizados para su desarrollo vital. 1.1.2 Cuenca Es el área ocupada por todo un sistema hidrológico íntimamente ligado a un río que tiene su cono de deyección at mar o a otro río mayor. 1.1.3 Rio Es la concentración de las aguas de escorrentía en un cauce definido y sobre el cual discurren, a través de las acciones de su curso superior, medio e inferior. Las partes de un rio son: cauce, álveo y lecho. 1.2 DESCRIPCION DE EROSION. 1.2.1 Significado de Erosión Es un proceso destructivo de los materiales de la corteza terrestre por acción de los procesos geológicos, que implica fractura miento, fisura miento, alteración física y/o química hasta el momento de arranque de


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los materiales, sin considerar el transporte. Los agentes erosivos son: agua, viento y el hombre mismo. La erosión es una fase del proceso de degradación, el cual tiene 3 fases: erosión, transporte y sedimentación. La erosión fluvial es un trabajo continuo que realizan las aguas corrientes sobre la superficie terrestre. La erosión fluvial considerando el drenaje socava el valle en forma de V (perfil transversal), causando la profundización del cauce, el ensanchamiento y el alargamiento; según el estado de desarrollo hará más o menos intenso el proceso. (Figura N° 1)

FIGURA N° 1. EROSION FLUVIAL - RIBEREÑA 1.2.2 Mecanismo de la Erosión por el Agua. Los pasos principales de la erosión son: La acción del agua en el suelo, el desprendimiento de las partículas y su transporte. El desprendimiento se produce por el impacto de las gotas de lluvia. El transporte es el movimiento o traslado del suelo por el agua de escorrentía, llevándolo de un lugar a otro. 1.2.3 Tipos de Erosión Cuando hay desprendimiento y transporte de materiales o partículas de suelo, según las condiciones, se presentan diversos tipos de erosión: a) LAMINAR Es la erosión más común y probablemente la que más daño hace debido a que es imperceptible. Es la remoción de una delgada capa o "lamina" de suelo. Aquí el suelo es desprendido por el impacto de las gotas de lluvia. Al trasladarse l as partículas de suelo en el agua y cuando hay zonas de s edimentación, se forman costras muy delgadas sobre la superficie, las cuales muchas veces actúan como capas impermeables, disminuyendo así la capacidad de infiltración y aumentando la escorrentía superficial.


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b) SURCOS O CANALES Y CÁRCAVAS Ocurre cuando el agua superficial se concentra. Así, el agua como masa en movimiento suministra la energía para el desprendimiento y el transporte del suelo, formando verd aderos surcos o ca nalet as en la superficie del lecho. Cuando la erosión por surcos se acent úa, se van formando verdaderas "zanjas" o cárcavas, que se presenta donde la topografía permite la concentración de agua, especialmente donde hay una fuerte pendiente. (Figura N°2)

FIGURA N° 2. EROSION POR CARCAVA c) CORRIENTES Es el transporte de material de las márgenes y del lecho de las quebradas. La parte externa es la que más expuesta está a la erosión, debido a que la energía del agua se dirige hacia ell a.

FOTO N° 1. EROSION TIPICA POR RIBERAS


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2. MEDIDAS DE PREVENCIÓN Y CONTROL DE EROSION EN LAS RIBERAS DE LOS RIOS Es el conjunto de medidas tendientes a solucionar problemas generados por la energía erosiva del agua. Entre las medidas de prevención y control se tiene: medidas agronómicas y medidas estructurales. 2.1 MEDIDAS AGRONÓMICAS Entre las medidas agronómicas se tienen a las defensas vivas:

2.1.1 Defensas Vivas- Naturales Estas son las mejores defensas contra la inundación y la erosión del rio, y viene a ser el conjunto de varieda des de árboles y arbustos de buena densidad, que existe en ambas márgenes del lecho de rio, manteniendo espesores de 30 - 40 m, que es la garantía de su protección. La acción del hombre y su inadecuada explotación para fines de madera o usar el área deforestada para cultivo, origina el debilitamiento de la misma, permitiendo que el rio se desborde causando serios daños. (Figura N° 3)

FIGURA N° 3. DEFENSAS VIVAS-N ATURALES


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2.1.2 Defensas Vivas-Forestadas Está basado en la plantación de arbustos y árboles de raíces profundas, la cual se realiza una vez determinada la sección estable del rio. Su densidad debe ser en función a las características de las especies. La plantación se efectuara en sectores críticos, o como complemento a las estructuras o defensa artificial. El ancho de plantación en cada margen varía de acuerdo a las características del rio, por lo general es de 10 a 30 m. En la costa peruana las especies más empleadas son los "Sauces", "Huacán", "Huarango"; arbustos como "Chilca", "Callacas", "Pajaro Bobo", etc.; también caña en sus variedades "Guayaquil", "Castilla", "Carrizo", "Cana brava", etc. (Figura N° 4)

Figura N°4.Defensas vivas-forestadas 2.2 MEDIDAS ESTRUCTURALES Son todas aquellas medidas que consisten en estructuras diseñadas en base a los principios de la ingeniería, para controlar la erosión producto de la escorrentía superficial. En el aspecto de diseño se toma en cuenta la hidrología e hidráulica. En la hidrología, es necesario tener en cuenta los 'registros hidrológicos, es decir las descargas de los ríos y la frecuencia con las que estas se producen; por lo general se recomienda 50 años de registro anteriores al año de ejecución, para determinar el periodo de retorno y la descarga máxima de diseño. En hidráulica, se debe recabar da tos en lo concerniente a pendiente, sección estable, tirante, sedimentación, socavación, etc.; para el diseño de la estructura. Los tipos de estructuras más utilizadas en la previsión y control de la erosión en las riberas de los ríos, son:


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2.2.1 Permanentes Son aquellas estructuras que se construyen en base a concreto armado, ciclópeo, rocas y gaviones. Su diseño y ejecución requieren conocimientos y experiencia especializada. Se emplean para prevenir y controlar la erosión hídrica de terrenos de cultivo y otros efectos, desviando el flujo de agua y encauzando el rio en los sectores críticos. Estas estructuras son:

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DIQUES ENROCADOS Son estructuras conformadas en base a material de rio dispuesto en forma trapezoidal y revestido con roca pesada en su cara húmeda; pueden ser continuos o tramos priorizados donde se presenten flujos de agua que actúan con gran poder erosivo. Las canteras de roca deben ser de buena calida d y estar ubicadas a una determinada distancia, recomendándose lo más cercano posible a la zona de trabajo. (Ver figura N° 5).

FIGURA N° 5. DIQUE ENROCADO

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ENROCADOS CON ROCA AL VOLTEO Son los revestidos con roca pesada al volteo o colocado en forma directa por los volquetes, puede ser en forma parcial, solo la cara húmeda o en forma total, uña y cara húmeda. El volumen de roca empleado es mayor y su talud de acabado no es muy estable


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FOTO N° 2. DIQUE ENROCADO CONTINUO VALLE OCOÑA QMAX 3100 m3/seg. • ENROCADO CON ROCA COLOCADA

Cuando la roca es colocada con empleo de cargador frontal, excavadora o pala mecánica, en la uña y cara húmeda de terraplén. El volumen de roca empl eado es menor y el talud que se logra es estable y guarda las especificaciones de diseño. • ESTRUCTURAS DE CONCRETO

Estas obras son construidas en base a concreto y sirven para la protección de la acción erosiva del rio, sobresalen dentro de estas obras los muros de encauzamiento, destacándose los siguientes: Muros de Concreto Ciclópeo Son de forma longitudinal, de dimensiones variables en función al caudal máximo de diseño y el nivel de socavación. Son construidos con material de rio. (Figura N° 6- A) Muros de Concreto Armado Construidos con armadura de fierro y son d e dimensiones menores que los muros de concreto ciclópeo. (Figura N° 6-B)


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FIGURA N° 6. MUROS DE CONCRETO Dados Son cubos de concreto de 1 - 1,5 m de lado, construidos in situ y superpuestos entre si con empleo de maquinaria pesada. Se utiliza material del rio, su ventaja es que conforme se van hundiendo, puede colocarse encima otro, hasta estabilizarse. Son estructuras de gravedad. Tetrapodos .Son estructuras individuales que se asemejan a un "Yack" por apoyarse en sus brazos que son cuatro. Son empleados como disipadores de energía y permiten en cierta forma un control OE la erosión hídrica, ( Figura N° 7 ).

FIGURA N° 7.-TETRAPODOS LOSAS Son de concreto armado que se colocan en la cara húmeda del dique trapezoidal y espaciados entre si. (Figura N° 8-A) COLCHONES Son estructuras hechas en base a malla de alambre galvanizado, de espesor variable y que se coloca en la cara húmeda del dique (Figura N° 8-B)


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FIGURA N° 8.LOSAS DE CONCRETO-COLCHONES PRESAS DE REGULACION Se emplean en aquellos lugares donde la estabilización de los ríos no es suficiente con la protección de las riberas. Estas presas regulan el caudal de descarga, almacenando el agua en los momentos de descarga máxima.(Figura N° 9)

FIGURA N° 9.PRESAS DE REGULACION GAVIONES Son estructuras flexibles construidas por una red de mall as hexagonal tejidas a doble torsión. Se compone de alambre galvanizado c on un recubrimiento plastificado, que debe garantizar una vida útil adecuada del alambre El llenado de las cajas de gaviones normalmente se hace en base a canto rodados, que se encuentran en los cauces de los ríos. Estas estructuras son apropiadas en zonas donde el rio presenta pendiente suave y media.(Figura N° 10)


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FIGURA N° 10. GAVIONES 2.2.2 TEMPORALES Son aquellas estructuras cuyo costo son menores y su construcción no requiere mayormente de conocimiento técnico especializado. Su finalidad es desviar el flujo de agua en forma relativa de los terrenos de cultivo, a fin de protegerlos. Dentro de estas estructuras temporales se tiene: •

ESPIGONES Dentro de las obras de carácter temporal, son las que demuestran mayor eficiencia de trabajo de control. En si vienen a ser acumulaciones de material de río dispuestos en forma trapezoidal, revestidas con roca pesada. Construidos con empleo de maquinaria, los espigones van dispuestos en forma perpendicular o paralelos al flujo del rio, con longitudes variables de 50 a 100 m y espaciamientos entre sí de 50 a 200 m. , en este caso se denominan deflectores disipadores,(Ver figura 11)}

FIGURA N° 11. EPIGONES DEFLECTORES


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RAYADO O TERRAPLENES Consiste en la acumulación de material de rio mediante maquinaria pesada, por lo general tractores de oruga; esta acumulación se hace con el objeto de desviar el flujo y proteger terrenos de cultivo; este material arrimado por lo general toma la forma trapezoidal con dimensiones de 15 m de base mayor por 5 m de corona y alturas variables de 2 a 2.5 m en función de caudal, y sección estable. El material acumulación no es compactado, en otros casos solo se acumulan frente a los terrenos de cultivo, tratando de profundizar el cauce. Estos trabajos son ejecutados anualmente ya sea por cuenta estatal o por los propios agricultores, siendo sus resultados bastante irregulares, ya que por lo general con una d escarga de 400 m 3 /seg., fácilmente lo erosiona debido al flujo concentrado en la zona de trabajo

FIGURA N°12.RAYADOS O TERRAPLENES •

LIMPEZA DE CAUCE Consiste en la limpieza y uniformización del cauce del rio mediante el empleo de maquinaria pesada para obtener así una sección estable, tratando de recuperar la pendiente de equilibrio del rio en tramo critico La profundidad de corte de la parte central es en promedio 1.5 m con respecto al nivel de las formaciones de la terraza ultima o nivel de terreno a proteger; del al formación de la terraza ultima o nivel de terreno a proteger; estableciendo un ancho minimo estable de 60 m., lo cual permite en las primeras avenidas definir un cauce no erosivo. (Figura N° 13)


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FIGURA N°13. LIMPIEZA DE CUACE •

CABALLOS-ABARCADOS Son la estructuras formadas por troncos en número de 3 a 4 y dispuestos en forma piramidal, amarrados con alambre; en la parte media lleva una plataforma amarrada, la cual es cargada con piedra de rio o de cantera si la hubiera cerca. Las dimensiones más usadas son troncos de 3 a 4 m de altura y de espesor de 40 a 50 cm, siendo por lo general de “sauce”,

los troncos más usados. Los caballos cuando van fijados en baterías de 10 a 20, se les denominan “abarcados”, existiendo una separación mínima de 80 cm, entre ellos,

en la parte media y en las bases en forma continua. En la parte media va una plataforma, en la cual a manera de depósito tiene un cajos tejido con troncos, el cual es llenado con cantos rodados de 12” a 20”. Se le

emplea en gran parte de los valles y su estabilidad depende de la magnitud de la descarga del rio. Si estas estructuras son colocadas en forma perpendicular al flujo del agua, serán fácilmente arrasadas, no siendo así con los que sirven de desviación del flujo y colocadas en forma paralela. A mayores caudales o concentración del flujo en el punto establecido, son destruidos.(Figura N° 14)

FIGURA N°14. CABALLOS ABARCADOS


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CESTONES Son depósitos de forma cónica o canasta construidos en base a ramas o troncos flexibles y llenados con piedra de rio, amarrados en la parte terminal. Se comportan como estructuras de gravedad. En crecientes se usa como medida para evitar desbordes. (Figura N°15)

FIGURA N° 15. CESTON 3. ASPECTOS DE DISEÑO 3.1 EVALUACION DE AREAS SUSCEPTIBLES A EROSIÓN Esta evaluación se efectúan en las áreas que se encuentran en evidente estado de erosión, para lo cual se requiere una evaluación de los daños existentes y daños potenciales, a fin de tomar medidas de control o prevención en forman oportuna. Estas evaluaciones se hacen considerando los siguientes aspectos: 3.1.1

ASPECTO AGRÍCOLA Es una evaluación referida a las áreas erosionadas o sujetas a este fenómeno, la rentabilidad de la tierra y los productos que se extraen. La unidad de medida es la hectárea (ha), se considera el valor del terreno como daño. Se tipifica el grado de pérdida del terreno o cultivo

3.1.2

URBANO Se consideran los diferentes centros urbanos y anexos existentes, susceptibles a la inundación y erosión, que pone en riesgo a la población y que requieren protección; para ello es necesario un inventario pormenorizado de centros poblados, número de viviendas, servicios, población, etc.


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3.1.3

INFRAESTRUCTURA Se evaluara la infraestructura de riesgo y drenaje del área agrícola, la infraestructura vial, como es el caso de puentes y caminos, el abastecimiento de agua para la población, las plantas hidroeléctricas, etc.; es decir todas las estructuras sujetas a erosión en función a máximas avenidas.

3.1.4

INDUSTRIAL Se deberá evaluar las probables perdidas económicas referidas al aspecto agroindustrial del valle y otras industrias existentes en la zona

3.2 GEOMORFOLOGIA Este elemento de análisis es de micha importancia para los trabajos de diseño de las obras de prevención y control. Ente las evaluaciones se tienen: 3.2.1

Curso de Agua Los ríos con mayor o menor incidencia, presentan un lecho móvil, con varios canales que se unen y se separan. El tiempo de escurrimiento es perenne, con pendientes fuertes,; de gran tamaño como el rio Amazonas que si lecho principal es de 2 km. y otro de menor tamaño; y en cuanto a su aspecto pueden tener un lecho único o dividido por tipo de ríos que se presenta en zonas planas con energía de agua bastante baja. Los torrentes o cursos de agua varían en su longitud, con pendiente variables y regímenes variados, según las épocas de estiaje y de máximas avenidas. Los ríos invaden continuamente las terrazas, al menor incremento, sale el agua de su lecho para ocupar otro de inferior nivel. Por los procesos de sedimentación, este lecho se levanta y el torrente ocupara otro lecho hasta formar su cono de deyección.(Figura N° 16)

FIGURA N° 16. CURSOS DE AGUA


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3.2.2

Tipos de Flujo En época de avenidas cuando los ríos presentan los mayores caudales y de acuerdo a su potencia “Bruta” adquirida, es notorio destacar tipos d e

flujo que son los que determinan los desplazamientos o modificaciones del lecho Por la oscilación de la concentración del mayor caudal en un punto determinado, el flujo en un rio, puede ser de flujo central y flujo lateral. FLUJO CENTRAL: Es turbulento y variable en dimensiones, motivado por el grado de sedimentación y en tipo de lecho. Este tipo de flujo es el que produce erosión en un punto y sedimentación en el lado opuesto. El tirante máximo se moviliza en forma continua t erosiona en el sentido que tome o inunde. El cambio es brusco, cuando la sedimentación es rápida y bastante fuerte. FLUJO LATERAL: Es erosivo en menor grado, produce las sedimentaciones denominadas de deposición. Puede considerarse que un flujo lateral bajo ciertas condiciones especiales de pendiente y nivel con respecto al área agrícola sea bastante erosivo, y puede llegar a ser un flujo central. 3.2.3

Tipo de Lecho Lecho es el espacio que puede ser ocupado por el agua o los cursos de agua. El lecho temporal es un álveo determinado por dos orillas de cantos rodados o vegetación. Los materiales pueden ser ya sea roca o materiales transportados por el rio. Los ríos presentan lechos de inundación recubiertos por aluviones en extensiones variables. El lecho temporal está cubierto por cantos rodados y carece de vegetación, y es de amplitud variable. El canal de estiaje ocupa una parte de lecho ordinario, no está limitado por orillas bien definidas y tienen cursos sinuosos en el lecho aparente, lo cual varía substancialmente en avenidas, donde el lecho se desplaza o moviliza. Las orillas están limitadas por zonas que presentan una cobertura arbórea importante, reduciendo la amplitud del lecho en unas zonas más que en otras.


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La parte de mayor profundidad en el canal de estiaje se encuentra en la curva, cerca de las orillas o cuando estas se pegan al lado rocoso, manteniendo la curvatura. En las partes rectas que atraviesa entre curva y curva son menos profundas. El material del lecho de rio están constituido por cantos rodados que han sido acarreados por la fuerza del agua, de formaciones geológicas de diferente constitución, así mismo se pueden observar los diferentes grados de transporte y rodamiento en el análisis de sus bordes. La movilización del lecho varía con el tiempo y caudales en avenidas; esto se debe a que no tiene estructura alguna que le reste amplitud de cauce y lo defina, estabilizándolo, caso de lecho móvil, ver figura N° 17

FIGURA N°17. TIPO DE LECHO-MOVIL 3.2.4

Potencia de Flujo En un punto y en un momento determinado, todos los cursos de agua tienen una cierta potencia. Esta potencia depende de la masa de agua y de la velocidad de la misma, siendo esta última, función de la pendiente longitudinal del lecho. En las avenidas, existe una potencia bruta que es suficiente para el transporte de materiales, la potencia neta es la utilizada en la erosión del lecho. La potencia bruta se presenta en avenidas donde se tienen los máximos caudales y la energía es mayor, mas no en los casos de estiaje donde el rio modifica su potencia, que es solo suficiente para el transporte de un mínimo de sedimentos y frotamientos internos entre moléculas de agua y sedimentos finos en suspensión.

3.2.5

Sedimentos Es el proceso geológico mediante el cual materiales detríticos erosionados, se acumulan en un determinado lugar como en las depresiones continentales.


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Los procesos de sedimentación en los ríos de régimen torrentoso y jóvenes, constituyen un problema complejo y difícil de evaluar; debido a las características de flujos inestables y no uniformes, lecho móvil, etc. Los procesos de sedimentación varían con el tipo de sedimentos que produce la cuenca. Los sedimentos se mueven en suspensión en la corriente de agua y como acarreo a lo largo del lecho. La saltación, es movimiento de partículas rebotando a lo largo del cauce. Las mediciones de sedimentos son bastante complejas. Los grados de sedimentación dependen de la velocidad y tamaño de las partículas, etc. 3.3 HIDROLOGÍA 3.3.1

Características Generales del Río Las características de los ríos de la costa peruana, obedecen a iguales o similares condiciones hidrológicas entre ellos, es decir son representativos de un régimen permanente a eventual, gran variación de caudal durante el año y elevado caudal en épocas de avenidas, notándose diferencias en el grado de sedimentación y el tipo de sedimentación por la naturaleza de la misma cuenca. Al hablar de ríos cuyas características de formación provienen de lechos de ríos jóvenes o en proceso de rejuvenecimiento, hay que uniformizar criterios basados en observaciones para un área de estudios determinado, siendo estos los que más se ajustan a las condiciones del rio, dadas sus características intrínsecas y a la vez teniendo en cuenta los movimientos oscilatorios leves a nivel de continentes y lecho odónico que pueden hacer variar las mismas, según sea el orden de su incidencia. En base a aspectos específicos que pueden extraerse del estudio, se puede llegar a establecer diseños de estructuras que controlen o den solución a ciertos aspectos negativos que ocasiona esta masa de agua en movimiento, evitando o disminuyendo los daños que causa a lo l argo de su trayectoria y en las riberas con cultivos y sin protección natural alguna.

3.3.2

Descarga Máximas Es conveniente recabar la información de todas las descargas máximas de las estaciones de aforo confiables, que corresponden a cada año.


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El periodo de máximas descargas se da por lo general en los meses de enero-marzo y excepcionalmente en abril, y es debido a las precipitaciones en la parte media y alta de la cuenca, que definen el periodo de avenidas. Los meses de setiembre-noviembre, se caracterizan por presentarse en dicho periodo las descargas mínimas que dan en el periodo de estiaje. Son estos valores extremos que permiten efectuar el análisis hidrológico para el diseño de las obras hidráulicas de control, almacenamiento, regulación y balance del recurso hídrico(Cuadro N°1).

3.3.3

Métodos de Determinación de Máximas Avenidas •

MÉTODOS EMPÍRICOS Lo constituyen las formulas empíricas, las cuales en la actualidad son pocos usadas por la existencia de otros procedimiento y la aplicación de la información. Ante la escasez de datos se opta por estas fórmulas, para conocer en forma rápida la magnitud del máximo caudal que se puede esperar; el mismo que puede ser comparado con daros reales de cuencas vecinas o similares

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MÉTODOS HISTÓRICOS Permiten conocer la máxima avenida registrada para un periodo determinado, en base a la recopilación de datos sobre las avenidas ocurridas. Así mismo permiten conocer o estimar una probable avenida mayor a la máxima conocida. Las dificultades son: La carencia e insuficiencia de datos La calidad de la información El cálculo de la avenida en base a los datos recabados, es referido a niveles y no a gastos

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METODOS DE CORRELACIÓN HIDROLÓGICA Se aplica cuando no se cuenta con datos hidrológicos y pluviométricos; en este caso se aplica la correlación con los datos de máximos caudales de una cuenca vecina o próxima, cuyas características en sus aspectos topográficos, geológicos, suelos y tipos de cobertura, sean similares a la cuenca en estudio. Esto permite un adecuado manejo de la información y estimación racional de las avenidas.


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Cuadro N°1 DESCARGAS DEL RIO MAJES

•

MÉTODOS DIRECTOS O HIDRÁULICOS La aplicación de estos métodos no deben obviarse aunque no cuenta con metodología hidrológica, mayormente permiten obtener información bastante útil, sobre todo para fijar con precisión la altura de niveles alcanzados por el agua en tiempos pasados y permite conocer el gasto máximo instantáneo. Este considera la observación y medición de las características de una sección estable del rio, es decir donde no exista demasiados


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desplazamientos, casos de paredes laterales solidas o fijas conformadas por: roca, buena cobertura vegetal, rellenos de huaico, etc. Para determinar la máxima descarga, la altura de esta se determina por las huellas o rastros dejados en las paredes de la caja del rio. Para su cálculo se aplica generalmente la fórmula de MANNING-STRICKLER, con valores Ks, tomados de cuadro N°5.

•

MÉTODOS ESTADÍSTICOS PROBABILÍSTICOS Permiten a través de un registro histórico de máximas avenidas, estimar la máxima avenida de diseño por si extrapolación mediante su probable distribución en diversos periodos de retorno. Se presentan dos casos: ➢

Con registro aceptable de 50 años, en este periodo se han dado avenidas de moderadas a bajas y al extrapolar un periodo de retorno, lo más probable es que de un valor bajo.

➢

Para las mismas condiciones de 50 años, se presentan avenidas extraordinarias.

La excesiva extrapolación puede acarrear errores de apreciación en ambos extremos.

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MÉTODOS HIDROLÓGICOS Tienen como objetivo la representación matemática del proceso o fenómeno de la formación de la avenida. Se estiman precipitaciones pluviométricas de duración y periodo de retorno determinado, se calcula el escurrimiento que se genera en un punto de la corriente estudiada, hasta establecer o dibujar el probable hidrograma. Reproducen en forma aceptable el fenómeno, en base a parámetros como precipitaciones máximas y características físicas de la cuenca. Existen desventajas al extrapolar algunas de sus variables, por la irregularidades de las lluvias en la cuenca, y determinar las perdidas por infiltración, que pueden distorsionar al estimar las avenidas a partir de las lluvias. Entre los métodos hidrológicos sobresalen: - Método de Hidrograma Unitario, triangulares, sintéticos, adimen-

sionales, instantáneos, etc. - Método de Isócronas(racional) - Método de Isoyetas.


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Con la definición de la información hidrométricas de los cursos de agua que drenan en una cuenca, considerando las características fisiográficas , geomorfológicas y de la cobertura vegetal, se podrá aplicar metodologías o relaciones matemáticas existentes, que más se ajustan a la realidad geográfica de la zona. 3.3.4 Método de Distribución de Valores Extremos – Método de Gumbel Este método, es mayormente empleado para los proyectos de defensa ribereña con bastante aceptación. En base a la fórmula de Gumbel, propuesta para valores extremos observados en muestra, y que sirven para predecir magnitudes máximas de variables hidrológicas, asumiendo que estos valores son independientes, se calcula la distribución teórica de la serie anual y la función de los valores estadísticos de la serie empírica, mediante las siguientes relaciones: -y -e P= e Dónde: P= probabilidad de ocurrencia e= base de los logaritmos Neperiano y= variables reducidas que está dada por la relación: y= a(X – Xf ) Variable reducida Xf = (1-CV Yn /on) X a= on / ox (Xf ) es el modo de distribución, (a) medida de la dispersión, (o n ) y (Yn ), valores teóricos que son funciones solo del valor de la muestra. Según Gumbel, las deviaciones medias(o n) y típicas(Yn) de la variable reducida para una muestra de n datos, tiene los valores siguientes: (Cuadro N°2, 3 y 4); con las relaciones descritas se han efectuado los cálculos de probabilidad de ocurrencia, periodo de retorno de caudales, construidos de la curva de frecuencia, para definir la máxima avenida o avenida de diseño del proyecto. •

VIDA UTIL DEL PROYECTO La determinación de la avenida de diseño del proyecto por el método de Gumbel y el periodo de retorno establecido por análisis de frecuencia nos indica solo el intervalo medio entre sucesos iguales o mayores que una magnitud dada; se debe tener en cuenta la vida útil de la estructura del proyecto, considerando un periodo de retorno mayor


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que la vida estimada y la probabilidad de ocurrir próxima a la unidad. Considerando un tipo de estructura para un periodo útil de 50 años, se asume un periodo de retorno igual a 4 veces la vida útil de la estructura. Los periodos de vida de la estructura tiene que estar en estrecha relación con el aspecto hidrológico. n,

J = P P = 1-1 T

r

Donde: P = probabilidad que el suceso no ocurra en cualquier año. J = riesgo permisible que el suceso ocurra en cualquier periodo N = vida útil de proyecto, conjuntamente con la curva de frecuencia calculada, se determina el caudal de diseño Tr = periodo de retorno

Cuadro N° 2 VALORES DE Yn y On EN FUNCION DE n

Cuadro N°3 DESVIACIÓN ESTÁNDAR REDUCIDA o n


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Cuadro N°4

“Y” EN FUNCION DEL PERIODO DE RET ORNO

3.3.5

Otros Métodos •

MÉTODO DE MAC-MATH

Dónde: Q = máxima avenida (m3 /seg.) Ce = coeficiente de escorrentía P = precipitación máxima anual ajustado en mm Tr = periodo de retorno en años A = área de la cuenca (Km2 ) •

MÉTODO DE TALBOT

Dónde: Q = descarga máxima (m3 /seg.) K= coeficiente del área de la cuenca C1= coeficiente por calidad de vegetación C2= coeficiente por pendiente de la cuenca C3= coeficiente por geología de la cuenca C4= coeficiente por la forma de la cuenca A= área de la cuenca (km2)


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•

MÉTODO DE ISZKOWSKI

Donde: Q= descarga máxima (m3 /seg.) A= área de la cuenca (Km2) P= precipitación total anual promedio (mm.) m= factor por el tamaño de la cuenca C= coeficiente de la morfología de la cuenca •

MÉTODO RACIONAL MODIFICADO Se calcula empleando intensidades máximas de precipitación para diferentes periodos de retorno en función del tiempo de concentración de la cuenca. -

Cálculo del Tiempo de Concentración Tc= 0,0195 K0,77

K=(L3H)1/2

Donde: Tc= tiempo de concentración L=longitud del cauce principal (Km) H= desnivel (%) -

Cálculo de la Intensidad Máxima de Precipitación I Tr máx = PT /24 r Tr= período de retorno

-

Cálculo de la Descarga Máxima por el Método Racional Modificado Q= 0,0283 C I A 4/5 S1/5

Donde: Q= descarga máxima en m3 /s para x años C= factor de escorrentía de Mac-Math


”

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I = intensidad de lluvia (mm/Hora) A = área de la cuenca (Km2) S = pendiente promedio del cauce principal (%)

3.3.6 Avenida de Proyecto La avenida a considerarse dentro del proyecto será la máxima, expresada en m3 /s, con la probabilidad a ser igualada o excedida en 0,005. Para un periodo de retorno determinado que permita diseñar una estructura adecuada, cuyo costo económico sea justificable comparativamente a un menor periodo, es preferible comparar las alturas de muros de encauzamiento y su variación. Para obras que requieren mayores a los 500 años.

3.3.7 Áreas Inundables La determinación del área inundable para una máxima avenida es muy relativa por las características del rio, sobre todo debido a la variabilidad del lecho, que implica desplazamiento del flujo central. Como referencia se considera el cauce actual y a partir de este la sección que ocuparía la máxima descarga, es recomendable efectuarlo para labores de prevención. En la práctica, el rio concentra su acción en diferentes direcciones y secciones variables, debido a la resistencia que presenta las orillas o riberas.

3.4

HIDRÁULICA 3.4.1

Formas de Encauzamiento El sistema de encauzamiento tiene por objetivo proteger áreas de cultivo, poblaciones, infraestructura, industrias, etc. a fin de evitar el desborde del rio y la erosión, ya sea por avenidas normales o extremas en función del desplazamiento del lecho del rio. Generalmente el encauzamiento es en base a material arrimado de rio, revestido con roca pesada en su cara húmeda, pudiendo ser potra estructura en función a la disponibilidad de materiales, recursos económicos y cercanía a canteras, en caso de gaviones, muros de concreto, etc.


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3.4.2

Longitud y Ubicación de Encauzamiento Considerando la protección directa de la zona critica, la recuperación de áreas de cultivo que forman parte del cauce por erosión, desplazamiento, y la amplitud de cauce que permita controlar el tirante de la máxima avenida, se determina la longitud necesaria y la ubicación del encauzamiento para cubrir las necesidades actuales; se considera los puntos críticos. Con una sección estable se puede controlar el desplazamiento del lecho del rio, y para que consecuentemente se tenga al flujo central en una caja inferior y con su misma energía.

3.4.3

Sección Estable de Río o Amplitud de Cauce Existen varios métodos de cálculo de la sección estable del lecho del rio, se considera que las condiciones de los ríos, requieren una observación directa; en tal sentido, en base a ensayos en este tipo de obras en los ríos de la costa, se puede establecer una sección representativa para el rio. Siendo recomendable en condiciones de valle, verificar el ancho estable, como el caso de zonas forestadas, y en base a esto efectuar los cálculos de otros parámetros. Para el cálculo de las sección estable se considera la teoría del régimen estable de Blench o Altunnin, empleando las relaciones:

Dónde: Dm= Diámetro mediano B= ancho medio de la sección Fb= factor de fondo Fb= 1,2 material grueso Fb= Dm1/3 para gravas Fs= factor de orillas Fs= 0,2 para material ligeramente cohesivo S= pendiente hidráulica (%) Q= caudal de diseño (m 3 /seg.) g= gravedad K= factor secundario H= profundidad media (m) C= concentración de material de fondo en 10-5


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Valores Aproximados de Fs (Factor de Orilla) Tipo de Orilla

Valos de Fs

Materiales sueltos (Orilla de barro y arena)

0.10

Materiales ligeramente cohesivos ((Orilla de barro-arcilla-fangoso)

0.20

Materiales cohesivos

0.30

También se pueden emplear la fórmula de Simons y Henderson.

b= K1(Q)1/2 Rangos en que se trabajan:

S= 0.06- 10% Dm= 0.03- 80mm Q= 0.15- 250 m3 /seg. Tabla de valores de K1 para trabajar con la fórmula de Simons y Henderson Condiciones de Fondo de río

K1

Fondo y orillas de arena Fondo arena y orillas de material cohesivo Fondo y orillas de material cohesivo Fondo y oril las de grava Fondo arena y orillas material no cohesivo

3.4.4

5.70 4.20 3.60 2.90 2.80

Tirante de Máxima Avenida y Altura de Encauzamiento Teniendo en consideración la avenida de diseño del proyecto, la pendiente promedio de la zona del proyecto, el coeficiente de rugosidad de Manning y la sección estable del rio, se determina el tirante máximo, según la relación:

Donde: Q= caudal de avenida del proyecto (m 3 /seg.) A= área de sección (m2) R= radio hidráulico (m) S= pendiente del rio (%) n= coeficiente de rugosidad


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La altura que tendría el dique de encauzamiento será igual al tirante máximo, más un bordo libre, que se aproxima a la altura de la inercia, o energía de velocidad o carga de la misma, multiplicado por un coeficiente que está en función de la máxima descarga y pendiente del rio.

BL = Фe e = V2 /2g= [Q2 /(2g A2] Donde: H = altura del dique (m) h = tirante de la máxima avenida (m) BL = bordo libre (m) V = velocidad media del agua (m/s) g = gravedad (m/s2) Ф = coeficiente en función de la máxima

descarga y pendiente (práctico) e = energía de la velocidad El borde libre permite controlar la variación instantánea del caudal por disminución de la velocidad y elevación del tirante.

También se puede calcular, teniendo en consideración el perfil normal, el mismo que permita el escurrimiento de las aguas, y el transporte de acarreos. Deberá tomarse en consideración los tramos donde el rio haya alcanzado su equilibrio. Formula Manning Strickler:

Vm = velocidad media (m/s) R

= radio hidráulico

S

= pendiente (%)


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Ks = coeficiente de rugosidad que depende del lecho natural del rio (Cuadro N°5) Considerando valores de acarreo para secciones anchas b o>30m Se tiene: Q=bo*t(Ks t2/3S1/2) T=[Q/(Ks*bo*S1/2)]3/5 Cuadro N°5 VALORES PARA Ks

Fuente: BRETSCHNEIDER, curso sobre regulación de rios

3.4.5. Profundidad de Socavación Para determinar la socavación se estima que el método propuesto por L.L. List Van Lebediev, es el que más se ajusta a los trabajos ejecutados, en cauces naturales definidos. Es necesario evaluar la erosión máxima esperada, en una sección calculada para un caudal de diseño o máxima descarga. Este método considera la velocidad erosiva, que es la velocidad media calculada capaz de degradar el fondo del rio y se expresa:

Ve= 0,5 1,18B.tsx Esta velocidad Ve se dará cuando se efectúe contracciones en el cauce del rio, para fines determinados como, construcción de puentes, defensas ribereñas, etc. Se opera con suelos cohesivos y rugosidad uniforme. A partir de la expresión indicada y considerando la sección estable y el tirante calculado, tenemos:

Q= Ks.b0 t5/3S1/2 Ing. Rubén Terán Adriazola Edición Nº 1-1998 -Versión PDF “

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Haciendo a= KsS1/2(constante)

Q= ab0t5/3 Luego:

a=

  5/

La velocidad Vr (Velocidad real), con la profundidad incrementada hasta ts (tirante que corresponde a la profundidad a la que se desea evaluar la velocidad erosiva) disminuirá de tal forma que:

Q = Vrts bo = abot5/3 Despejando Vr:

Vr

5/  = 

La erosión del fondo se detendrá a una profundidad que cumpla la condición:

Ve=Vr Remplazando valores de V e y Vr

0,s

B.tsx

,18

=

 5/ 

Despejando ts obtenemos: (Suelo Cohesivo)

5/) /(+) ( ts= [ (0,6,) ]

En forma similar para suelos no cohesivos: Ve= 0.68 Dm0.28B.tsx Luego:

/(+) 5/ ) ( ts= [ (0,68,) ] Luego la profundidad de socavación será Hs= ts- t


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Donde: Ve = velocidad erosiva (m/s) Vr = velocidad real (m/s)

s = peso específico del suelo seco que se encuentra a la profundidad Hs en Ton/m3 (Cuadro N° 8) B = coeficiente que depende de la frecuencia con que se repite la avenida que se estudia según el efecto de erosión (Cuadro N°6) Q = descarga de diseño (m3 /seg.) b0 = sección estable determinada (m) ts = tirante que corresponde a la profundidad a la que se desea evaluar la velocidad erosiva (m) t = tirante norma (m) Hs = profundidad de socavación X = exponente para material no cohesivo en función al diámetro característico (Cuadro N°7) Dm = diámetro medio (m) Cuadro N°6 COEFICIENTE B PARA SOCAVACION


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Cuadro N°7 VALORES DE X y 1/(X+1)

3.5 TOPOGRAFÍA 3.5.1

Levantamiento Topográfico con Coordenadas Las coordenadas son las distancias “X” e “Y” medidas a partir de un par de ejes. Las coordenadas “Y” se llama coordenadas Norte y la “X” se

llama coordenadas Este. Cuando se da la coordenadas Norte y Este, de un punto, queda determinado el sistema de coordenadas rectangulares, y a partir de ello ese puede establecer una cuadricula rectangular


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Cuadro N°8 PESO ESPECIFICOS Y ANGULOS DE FRICCION DE SUELOS

En los levantamientos topográficos efectuados con coordenadas absolutas, es fácil localizar un punto específico en un plano, asimismo el replanteo correspondiente para ubicar y definir el proyecto de construcción.(Figura 18-A). Es conveniente tomar los detalles del rio asi como las variaciones del lecho. Deberá de considerarse ambas márgenes del rio, su colindancia las áreas agrícolas afectadas y sujetas a erosión, centros poblados, los servicios, etc. En gabinete se procede a efectuar el dibujo y de acuerdo a los cálculos hidrológicos e hidráulicos, se fija el eje central y la amplitud del cauce, lo que permitirá determinar las áreas a proteger en forma directa, áreas a recuperar y áreas a ganar a la caja del rio, así como la ubicación de los muros de encauzamiento


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Figura N°18-A PLANO DE PLANTA DE ZONA A PROTEGER Y SECCION TPICA DE UN DIQUE

Ing. Rubén Terán Adriazola Edición Nº 1-1998 -Versión PDF PDF “

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3.5.2

Secciones Transversales Una vez definidos el eje principal de diseño en gabinete, se procede en el campo a efectuar secciones transversales cada 20 m y a ambos lados del eje, de acuerdo a los requerimientos y consideraciones topográficas del terreno, a fin de determinar áreas de corte y rellenos. Se recomienda tomar el área afectada e ambas márgenes (Figura 18-B), así como, tener en consideración el área inundable para la máxima avenida, cada 100m

FIGURA N°18-B. SECCIONES TRANSVERSALES 3.5.3

Perfil Longitudinal Teniendo la progresiva inicial y final del proyecto, se define el perfil lonl ongitudinal trazando la rasante diseñada, con la pendiente adecuada, teniendo en cuenta el acotamiento tanto de la uña de estabilidad, la cota de coronación, la cola de fondo cada 20 m (Figura N°19)

3.5.4

Red de Base Marcadas (B.M) La nivelación de red de Bases Marcadas (B.M) (B. M) se deben materializar debidamente, empotrándolas en lugares adecuados y seguros, de tal forma que sirvan de base para futuros trabajos topográficos; asimismo las estaciones de los poligonales deben ser niveladas altimétricamente, a fin de tener cotas reales.


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3.5.5

Planilla de Movimiento de Tierras Definidas las áreas de corte y relleno de cada sección y las distancias equidistantes, se procede a confeccionar la planilla de movimiento de tierras, que establece los volúmenes de corte y relleno para cada progresiva (Cuadro N°9)

FIGURA N°19. PERFIL LONGITUDINAL DEL PROYECTO


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Cuadro N°9 PLANILLA DE MOVIMIENTO DE TIERRAS

3.6 ASPECTO ECONÓMICO 3.6.1

Daños Probables por Inundación y Necesidades de Obras de Defensa La determinación de estos daños económicos, son en base a los efectos que ocasionaría una avenida superior a la del promedio de las avenidas anuales registradas. Se considera los daños en base a la evaluación de áreas susceptibles de erosión; es decir, tanto el cultivo en producción, como los terrenos, viviendas, infraestructura, industria, etc. que se podría producir en épocas de avenidas La predicción de los daños es relativo y está en función del comportamiento del rio en su aspecto erosivo, a fin de establecer las necesidades de defensa, para alcanzar a cubrir todos los sectores que requieren de ejecución de obras, con el fin de evitar mayores daños, protegiendo áreas de producción y planteando una política de recuperación y ampliación de terrenos agrícolas.

3.6.2

Beneficio con las Obras de Encauzamiento El encauzamiento de un rio, implica beneficios bien definidos como son:


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- Protección de áreas de cultivo - Recuperación de áreas perdidas por el efecto erosivo - Incorporación de nuevas áreas al cultivo que constituye cajas de rio - Protección de viviendas y centros poblados - Protección de obras de infraestructura de servicios

La protección de sectores urbanos repercute en el equilibrio socioeconómico con los sectores de producción agrícola Dentro de los lineamientos de la política de encauzamiento, se incrementa áreas de producción, con inversiones de bajo costo con beneficios inmediatos, incidiendo en el incremento de la economía familiar y nacional.

4.

PROCEDIMIENTO DE CONTRUCCIÓN DE DIQUE ENROCADO Periodo de ejecución La ejecución de estas obras de defensa debe ser en los meses de estiaje, por lo general de mayo a diciembre, época que permite efectuar una obra enmarcada dentro del proceso constructivo y cumplir con las especificaciones técnicas, constructivas. Las obras que se ejecutan en periodo de avenidas, diciembre a abril, requieren un empleo mayor de maquinaria incidiendo en el costo de la obra y su calidad Sin Proyecto Por lo general después de un periodo de avenidas, meses de diciembre a abril, y cuando los caudales han bajado significativamente, se procede a efectuar las labores de campo, abril, mayo (topografía, suelos, geomorfología, etc.) para luego en gabinete estructurar el proyecto, el mismo que debe estar culminado en el mes de junio. Se estima para su financiamiento o tramite 30 días, lo cual significa que la ejecución de la obra se debe iniciar en el mes de agosto y debe culminarse en el mes de diciembre (20 máximo), para no correr el riesgo del deterioro de la obra. Obviamente, si el ciclo de avenidas se retrasara es factible proseguir la ejecución de estas obras, para lo cual se tomaran las medidas del caso y correr los riesgos. Con proyecto De contarse con un proyecto integral de obras de defensa efectuado antes de las avenidas y que se trabajó parte de él, se proseguirá en los meses de abril a diciembre. Si es un proyecto nuevo elaborado con anterioridad a las avenidas y que recién se inicia su ejecución, el periodo será el mismo, teniendo en consideración lo indicado en el acápite anterior.


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4.1 PRELIMINARES Descripción El trabajo consiste en desviar los brazos del rio existentes que obstaculizan las obras siguientes: preparación de vías de acceso tanto de cantera de rio, foto N°3, como para limpieza de material flotante (tronquería) acarreado por el rio y depositado en la zona de trabajo. Se considera también dentro de este acápite la preparación de via paralela a la uña de estabilidad para efectuar el vaciado del material pesado, ya que efectuarlo por la plataforma no es bien distribuido en la superficie que tenga que ocuparlo o si es colocado facilite esta operación. Estos trabajos se deben efectuar con anterioridad, requiriendo para tal acción visitas a la zona de trabajo y hacer un análisis sobre la manera de operar y los obstáculos naturales que se pueden presentar y que de no tomarlos en cuenta repercuten en la ejecución de la obra, ocasionando pérdidas de tiempo y recursos económicos.

Foto N°3- Preparación de vía de acceso Equipo El equipo recomendado a emplear consiste de tractores de oruga con buldócer de 160 HP a 250 HP. Por lo general el equipo deberá tener un rendimiento de trabajo en estas obras superior a los 300 m 3 /día. En otras circunstancias es necesario emplear algún equipo adicional que este en función del tipo de suelo o vegetación de la zona; tales como moto-niveladora , volquetes, cargador frontal; que servirían para estabilizar las vías por donde pasara el equipo con roca pesada para la construcción de la obra.


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Características y rendimiento de la maquinaria

Operación El desvío del brazo del rio se efectuara mediante el tapado o desvío de estos con el empleo del tractor oruga, para evitar el ingreso de agua a la zona de trabajo. El material será cortado del cauce principal hacia el brazo del rio a cortar, para posteriormente cerrarlo con el empuje de material de costado. Las vías de acceso serán efectuadas con el tractor de oruga, el cual eliminara los desniveles, uniformizado la vía. El material de afirmado para la vía de acceso será preparado en cantera con empleo de tractor de oruga de 140-170 HP cargado con empleo del cargador frontal, transportado en volquetes de 15-17 m 3, y explanando en obra con empleo de motoniveladora. 4.2 ARMADO DE TERRAPLÉN Y EXCAVACION DE UÑA 4.2.1

Terraplén o plataforma Trazado y Características

Efectuado los trabajos preliminares e instalados el campamento, con la brigada de topografía se procede a efectuar el trazado del dique, con empleo de estacas cada 20 m, fijado puntos de apoyo y control. EQUIPO. Esta labor se efectúa con empleo de tractor de oruga y buldócer de 200 HP -250 HP con escarificador o riper, con rendimientos de 800 m3 /día a 1,500 m 3 /día, según el material de rio (Figura N°20). Las características del equipo se indican en la acápite 4.1.


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FIGURA N°20. ARMADO DE PLATAFORMA OPERACIÓN Con el empleo del tractor de oruga se procede a efectuar la acumulación del material de rio en forma transversal al cuerpo del dique, teniendo cuidado que esta acumulación se efectué del cauce del rio hacia la cara húmeda y no de la cara seca o terreno de cultivo hacia el dique, lo que propiciaría un mayor escurrimiento de agua en época de avenidas, originando asentamientos del terraplén con riesgo de ser erosionados (figura N°20). Se verificara las dimensiones y taludes del terraplén. Por lo general esta acumulación de material de rio incluye parte del material que corresponde a la excavación de la uña.

Foto N°4. Tractor iniciando armado de terraplén 4.2.2

Excavación de la uña de estabilidad Trazado y características En base al estudio de campo y gabinete, se ubica en el terreno el trazo de la uña de estabilidad con sus acotamientos respectivos, para así poder llevar el control exacto de los cortes y rellenos existentes.


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Se empleara estacas debidamente marcadas cada 20 m, así como se fijara los BM de control, los cuales serán de concreto y llevarán la señalización de la costa. Equipo El equipo pesado a utilizar consiste en un tractor de oruga y buldócer de 200 HP-300 HP con escarificador o riper, con un rendimiento de 80 m 3 /hr a 120 m 3 /hr, según condición del piso de rio. Una excavadora sobre orugas de brazo de 10 m de 160 HP- 170 HP, con rendimiento de 60 m3 /hr o más. (Figura N°21)

FIGURA N°21. EXCAVACION DE LA UÑA DE ESTABILIDAD

OPERACIÓN Con el empleo del tractor de oruga en la fase de armado de plataformas se cortó parte del material que corresponde a la excavación de la uña, esto en forma transversal. El acabado de excavación se efectuará con el empleo de la excavadora, la cual operará por vía paralela y longitudinal al trazo de la uña; el material excavado será depositado en el terraplén formado parte de este. Se tendrá cuidado que el ancho del fondo de la uña es desde el pie del talud de la cara húmeda del terraplén, y el ancho superior, del piso de rio al talud del terraplén; de no efectuarlo así, al colocar la roca en la cara húmeda esta será inestable, así como el conjunto del dique.


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Foto N°5. Excavadora culminando la apertura de la uña de estabilidad

4.3 ACABADO DE LA PLATAFORMA O TERRAPLÉN Descripción La plataforma es un prisma construido en base a material de rio debidamente compactado y de buena conformación granulométrica, donde debe predominar un 60% de material grueso o cantos rodados, con dimensiones y características de talud, en función al ángulo de reposo; la cara húmeda revestida con roca y la otra cara sin revestir; con ancho de base, de corona y altura según el diseño para las condiciones de rio. Si el material predominante no tuviera contos rodados, se debe prever el uso de un geotextil en la cara húmeda, para evitar las filtraciones y por lo tanto la desestabilidad del talud o caso contrario emplear arcilla compactada.

EQUIPO Se requiere generalmente un cargador frontal tipo CAT 966 o similares de 220240 HP, volquetes (2) de una capacidad de 10 m 3, tractor oruga y buldócer de 230-250 HP y comple mentado por una compactadora tipo “Pata de Cabra”, especifica para el tipo de material, caso contrario se emplea el mismo tractor de oruga.


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OPERACIÓN Inicialmente el material del rio extraído de la apertura de la uña y la acumulación inicial será debidamente explanado y compactado; luego se procede a efectuar el levantamiento de la plataforma hasta completar la altura diseñada, en capas no mayores de 0,40 m formados por material transportado por volquetes; es necesario que a continuación de la plataforma o cerca de ella se acumule el material del rio con el tractor oruga; este material removido será cargado a los volquetes, los que a su vez lo transportarán hasta el prisma, donde será depositado y luego explanado con el tractor de orugas y compactado con la compactadora, en caso de no contar con esta podría efectuarse con el mismo tractor, luego se procederá en forma similar hasta llegar a la altura de diseño. Concluida la altura, se fijan las estacas donde irán las cotas de coronamiento debidamente marcadas, con su respectivo control topográfico. Opcionalmente, si existe cerca de la obra material tal como ripio o canto rodado de cerro, es conveniente usarlo. Luego, se efectúa la preparación de la superficie de contacto en la cara húmeda, a fin de lograr un mejor entrabamiento y afirmamiento de la roca. Se hará en base a material extraído de cantera de gravas gruesas o rocas de 3” a 5”, y se esparce uniformemente en la cara húmeda,

según el avance del enrocado

4.3.1

Lastrado y Acabado Descripción Alcanzado la cota de coronación de acuerdo con el diseño, se afirmará con un espesor de lastre determinado, debidamente compactado. Este deberá ser material que contenga cierto porcentaje de arcilla que le dé una rigidez al acabado proyectado; si existe en la zona algún material


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diferente cuando se carezca del material recomendable, como cascajillo o ripio menudo de cantera, se procera a explanarlo y compactarlo.

EQUIPO Se debe contar básicamente con un cargador frontal de tipo CAT 966 O similares de 220- 240 HP, para efectuar el carguío del lastre; eventualmente un tractor de oruga 200-250 HP para la remoción de lastre, siendo además necesario para la explanación transportarlo en volquetes; asimismo rodillo autopropulsado de 9.5-12 TM y motoniveladora de 140160 HP, tanque cisterna de 3000 galones.

OPERACIÓN El lastre será cortado y acumulado en la cantera con empleo del tractor oruga seleccionado, cargado y transportado en volquetes al dique, explanado y preparado con la motoniveladora, previo humedecimiento (16 a 18%), luego es compactado con el rodillo hasta lograr la rigidez y el acabado deseado 4.4

ENROCADO Se refiere al proceso de preparación de la roca en cantera, selección, carguío, transporte y colocado. 4.4.1

Preparación de la roca en cantera SELECCIÓN DE CANTERA Consiste en seleccionar una cantera de donde se va a extraer material, considerando el tipo de roca que ofrezca las características de diseño.


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Por lo general son rocas ígneas como: granito, granodiorita, diorita, gabro, dolerita, basalto, pórfido granítico y pórfido diorítico, riolita, etc., con peso específico mayor de 2. Ver cuadro N°12 Esto se debe efectuar con anterioridad a los trabajos en el rio y analizando debidamente para tener las alternativas del proyecto, sobre todo en lo que se refiere a distancias al rio Es necesario tener cuidado en la selección de cantera , sobre todo que la roca se encuentra en volúmenes compactados y no fracturados o muy erosionados por la acción del intemperismo Se debe considerar que la distancia de la cantera al rio, sea la más cercana, a fin de economizar el costo de transporte. Se toma en cuenta el estado de la vía por donde se desplaza el equipo, determinando la distancia y los ciclos de transporte óptimos EXTRACCIÓN DE ROCA Descripción: Según el volumen efectivo de roca necesario para la obra, se prepara la voladura, que depende del trazo del calambuco y la carga explosiva a utilizar. Efectuada la selección de roca en cantera con anterioridad a los trabajos preliminares en rio, se procede a la extracción de la roca y su preparación para el carguío CARACTERISTICAS DEL MATERIAL De preferencia se deben emplear las rocas ígneas existentes en la zona, con un peso específico adecuado, volumen mínimo de roca por unidad definido en el diseño, con menor grado de fracturación e intemperismo. La roca debe soportar una compresión promedio de 1480 kg./cm 2, límite de fatiga oscilante entre 370 y 3790 kg/cm2 , tensión de 30 a 50 kg/cm 2, que soporte presión al par de fuerzas entre 150 a 300 kg./cm 2 Se debe considerar los minerales esenciales de rocas ígneas como ortoclasa y cuarzo, accesorios como horblenda y otros, una textura granular con fenocristales de ortosa y horblenda para definir el tipo de roca.

EQUIPO Y MATERIALES Para la extracción es necesario contar con una compresora con 2 martillos de 400 a 800 CFM o libres de presión, con rendimiento


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adecuado a la zona y con barreno de diferentes dimensiones 20, 40 y 60 cm, básicamente. Como materiales explosivos se emplea dinamita del tipo Semexa o similar, fulminante, guía y nitrato de amonio al 65%. Como equipo operativo del personal se debe contar con linternas o lámparas de carburo, guantes, cascos y lentes protectores, soga, baldes, puntas de acero ortogonales, botas de jebe, dando así seguridad al personal.

CONSTRUCCIÓN DEL CALAMBUCO Con la operación de todo el equipo se realiza la preparación del calambuco, previo trazo en base al volumen de roca a extraer. Es necesario tener criterio practico sobre la forma que éste va a tener, sobre todo la taza o deposito final, asi como la dirección con respecto al cuerpo de roca, ya sea frontal o vertical. El calambuco, en si viene a ser un orificio de forma cilíndrica de 50 cm de radio como mínimo, que se efectúa sobre la roca seleccionada con una profundidad variable en función al volumen de roca requerido. Al final de este orificio tendrá la taza que varía de forma, sea circular o rectangular, así como la posición con respecto al eje de orificio sea longitudinal o transversal, con cierta caída. La preparación del calambuco es efectuada con las compresora, es decir con el accionar de los martillos y los barrenos y operados por los perforistas, efectuando los destajes, consiguiendo la roturación de roca, con dinamita, colocada en orificios pequeños del diámetro del barreno y dispuestos en forma circular. Efectuado el disparo se procede a limpiar, es decir a sacar el material disgregado, para luego seguir en forma similar hasta llegar a la taza. Una vez concluida la taza, se procede al carguío que es el operación en la cual se va colocado los explosivos y el nitrato de amonio, el cual se hace dormir en petróleo en proporción de un galón por


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cada saco de nitrato (grado anfo). Esta carga explosiva se calcula en función al volumen y tipo de roca. Colocados los materiales explosivos, se procede a ir cerrando el orificio con tierra y piedras chicas, siendo estas golpeadas con barretas, para así poder formar cámara cerrada que permitan un accionar perfecto de los gases del nitrato así como la onda explosiva de la dinamita. Concluido el sellado, se acciona sea mediante chipas eléctricas o con el prendido de la guía, el cual está en contacto con el material explosivo, efectuada la acción explosiva el material quedara diseminado para un posterior selección y acarreo. (Figura N°22)

Figura N°22.CONSTRUCCIÓN DEL CALAMBUCO

4.4.2

Selección de Roca Descripción Después de la explosión o voladura, mediante el tractor de oruga se irá acumulando la roca seleccionada para facilitar la operación de carguío. Para la selección de roca se considera el “cachorreo” o fraccion a-

miento para volúmenes mayores de lo especificado, esto se hará calculando el volumen y la carga que se requiera, debiéndose emplear ciertos porcentajes de nitrato grado ANFO para evitar desperdicio de material extraído, esto se efectúa con empleo de compresoras y barrenos


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Es importante el desplazamiento del equipo para la explanación y carguío. Por lo general siempre debe haber material listo para el carguío.(Figuran N°23) EQUIPO Tractor de oruga y buldócer de 230-250 HP con cuchillas y cantoneras reforzadas, compresoras de 750-800 CFM o Lbs de presión para fraccionamiento de roca

OPERACIÓN Efectuada la voladura se procede a la selección de roca, con el empleo de tractor de oruga que le ira acumulando a un punto determinado para facilitar el trabajo de carguío. Esta actividad es importante dentro del costo del enrocado de ahí que si operación requiere de trabajo coordinado del pool de cantera. Para la selección de la roca se considera el fraccionamiento de roca o “cachorreo” de los volúmenes mayores, es to con el empleo de la compresora y martillo que irán perforando la roca y con el uso de explosivos efectuar su ruptura.

FIGURA N°23. SELECCIÓN DE LAS ROCAS A USAR


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Material de Contacto EQUIPO Se emplea cargador frontal y volquetes que se considera dentro del pool de maquinaria a usar OPERACIÓN El material es cargado en cantera, con el cargador frontal a los volquetes, los cuales lo trasladan al dique y lo descargan en la cara húmeda para si posterior esparcimiento con mano de obra o equipo. Este material será, gravas o roca fraccionada. 4.4.3

Carguío, Transporte y Colocado Descripción CARGUÍO Es el carguío del material seleccionado en la cantera a las unidades de transporte. Debiéndose tener cuidado en el tiempo que se demora en cargar un volquete. Programar este carguío a fin de evitar paros innecesarios que repercuten en el costo de la obra, es importante. Llevar un control por unidad sobre el volumen transportado por día, con la finalidad de ver la fluctuación del costo y los cuadros de avance de obra. Todos estos puntos son fundamentales y se deben tener presente.

Foto N°6-Carguío de roca con equipo


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EQUIPO Es recomendable contar con una pala mecánica de 16 toneladas de izaje, que es más operativa en cuanto al levante de roca y acomodo en las unidades de transporte, esto mediante lo que se denomina el “estrobeado”, que consiste en cables de acero con amarres circulares en los

terminales, los cuales se pasan por la roca y debidamente sujetan al gancho de izaje. En otros casos se puede emplear un cargador frontal de 200-240 HP para in carguío rápido, capacidad de levante 6000 Kg mínimo Para la explanación del material así como para la acumulación de éste, cerca de la zona de carguío, es necesario contar con un tractor de oruga de 140-160 HP

OPERACIÓN El cargador toma el material seleccionado, el cual por lo general son rocas de un volumen mayor a 1 m 3, éste es levantado a la altura de la tolva del volquete, por lo general se carga una parte, por las paredes laterales de la tolva y la otra por la parte trasera, de tal forma que la carga se equilibra, se requiere de una gran destreza del operador, lo cual repercute en el costo de la obra. Las tolvas que no sean específicas para roca, pese a ser reforzadas son seriamente afectadas.

TRANSPORTE Descripción Es el traslado del material pesado desde la cantera al rio, al lugar donde se encuentra el prisma levantado. Este aspecto generalmente representa el 40% del costo de la obra, ya que la eficiencia con que se efectúe será fundamental para que el costo se mantenga dentro de lo presupuestado.


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Se especifica el tiempo de un ciclo de ida y regreso de las unidades, considerando en este tiempo las demora (tiempo muerto) por operación de carguío y descargué; para lo cual previamente se debe haber establecido el tiempo de recorrido en un ciclo completo. Es recomendable tener un control permanente de este punto EQUIPO El equipo para transporte, básicamente estará compuesto de volquetes con una capacidad teórica para el tipo de material, estas unidades deben estar dentro del límite del tonelaje. Por lo tanto son recomendables en zonas que no se puede conseguir unidades de mayor capacidad, pero lo mejor sería contar con volquetes especiales de una capacidad mayor, ya que en la práctica representa un mayor avance de obra y un menor costo, comparado con las otras unidades.

Foto N°7- Volquete especial trasportando roca Es recomendable volquetes de 15 m 3 o de 22 toneladas y con vía adecuada; también puede emplearse volquetes de 17 m 3 o 35 toneladas, pero es fundamental contar con vías especiales para ello.


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OPERACIÓN Los volquetes una vez cargados proceden a trasladar la roca a la zona de obra, estos irán a velocidades no mayores de 30 km/hr en vías preparadas, de no estar en estas condiciones, la velocidades se reducen a 15 km/hr. El material será depositado en la explanada o cancha cerca a la plataforma, así como el pie de la uña REVESTIMIENTO O COLOCADO Descripción Es la operación consistente en el descarguio del material pesado y revestimiento, tanto en la uña de estabilidad como en la cara húmeda del prisma. Se recomienda tener una cancha para acumular la roca lo más cerca posible a la obra. EQUIPO Cargador frontal de 220-240 HP, de las mismas características que el de carguío, excavadora de 160-170 HP sobre orugas con cucharon de 1.0 m3 de capacidad, levante o izaje de 6000 kgs a 8000 kgs a una altura máxima de 3 m

OPERACIÓN El llenado de la uña de estabilidad se hará por la vía de acceso paralela a la uña, para asi lograr una buena distribución del material. No es conveniente efectuarla por la plataforma, en razón de que la distribución del material no será uniforme, ya que se tendría tramos con bastante roca y otros carente de ella.(Figura N°24)


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FIGURA N°24.- LLENADO DE LA UÑA DE ESTABILIDAD Según el volumen de diseño por metro lineal, para lograr el acabado pretendido se efectúa el acomodo y entrabado de las rocas con palas o cargador y personal capacitado para esta operación.

FOTO N°8. EXCAVADORA COLOCANDO ROCA EN LA UÑA NOTESE LA PROFUNDIDAD DE ESTAS

El revestimiento de la cara húmeda se hará posteriormente al llenado de la uña y conforme se vaya elevando el prisma hasta llegar a la altura de diseño, pudiendo efectuar alguna combinación, como es, ejecutar paralelamente el llenado de la uña y una parte del prisma, levantado con el material extraído de la excavación de la uña. (Figura N°25)


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FIGURA N°25. REVESTIMIENTO DE LA CARA HÚMENDA

La parte final de la cara húmeda puede ser revestido por la vía superior de la plataforma del dique. Para evitar que el material tenga algún desperdicio en cuanto a áreas cubrir, es recomendable tener una pala excavadora o cargador en la plataforma, que lo estrobe y lo acomode en la cara a revestir (parte final) En la coronación se marca las progresivas correspondientes según lo propuesto. Es recomendable si la obra se interrumpe, deberá cubrirse con roca toda la parte final incluyendo 10 m de la cara seca, para evitar la erosión de lo ejecutado

5. CONSIDERACIONES EN LA CONSTRUCCIÓN DE ESPIGONES 5.1 CONSIDERACIÓN DE EJECUCIÓN DE ESPIGONES Dentro de las diversas necesidades de defensa ribereña en los valles, a veces lleva consigo a tener presente ciertos criterios prácticos para tomar la alternativa sobre cuáles son los puntos a proteger y en que extensión Sucede que todos los sectores presentan necesidades de contar con alguna estructura que les de ciertas garantía de protección a sus terrenos; es aquí donde el aspecto económico entra en juego, vale decir hay que tener una alternativa adecuada, y está en función del tipo de evaluación que se efectúe. Esta alternativa lo pueden constituir los espigones. En lo técnico hay condiciones de rio que escapan a algún análisis que se haya efectuado, sobre todo en rio de régimen terrentoso


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Los aspectos que a continuación se describen se describen son productos de observaciones practicas a este tipo de ríos de régimen torrentoso ANALISIS DE SITUACION DE RIO Conviene tener un conocimiento general del valle sobre la situación que presenta el rio, e ir anotando todas las zonas en las que se ve una erosión evidente o puntos de cambio que puede adoptar en la próxima avenida, esta observación de campo es recomendable hacerlo desde puntos altos hacia abajo para poder tener una idea más clara del problema. Siendo lo más recomendable contar con fotografías aéreas tomadas después de la última avenida o actualizarlas. Estas fotografías permiten tener criterios mas amplios del problema. Esta labor nos llevara a considerar los puntos críticos del valle, donde se pueden ubicar espigones. Se debe considerar las zonas que presenten defensas naturales y el riesgo de que puedan ser burladas o erosionadas. A veces se logra establecer cual es la tendencia futura del cauce del rio, reduciendo las fluctuaciones producidas por la fuerte sedimentación, con el empleo de espigones. 5.2 TIPO DE ESPIGONES RESPECTO AL RIO Los espigones, tanto por si anclaje o apoyo, como por su ubicación respecto al rio puede ser: a.

Por su anclaje Se refiere dónde van apoyados y en qué tipo de estructura se apoya o inicia ESPIGONES ANCLADOS Se denomina así a los espigones continuos que se inician en estructuras existentes (puentes, vías, etc.), en relieves topográficos (cerro) y en medios forestados. Este tipo de espigón es el que mayores ventajas tiene en cuanto a estabilidad se refiere. En la evaluación del valle es importante tener en cuenta lo señalado antes ya que esto permitirá tener un índice del trabajo que puedan tener los espigones; los medios forestados deberán tener una considerable cantidad de árboles que den la seguridad necesaria. Este sistema de anclaje se ha usado con buenos resultados en trabajo realizados en ríos torrentosos de la costa.


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Este tipo de anclaje es recomendable cuando la forestación es paralela al lecho del rio, mas no cuando estas se presentan en cierta manera perpendicular al rio. Asimismo depende de la amplitud del cauce para que quede estas defesas vivas. Tanto el anclaje inicial como el final en obras integrales de encauzamiento, deberá efectuarse en cerros naturales que presenten en sus bases buena roca. Este anclaje a medios forestados funciona por espacios cortos, ya que cuando existe una infraestructura de encauzamiento aguas arriba, incrementa la erosión a este medio por la reducción de cauce que se efectúa; claro está que puede seguir un proceso de encauzamiento en forma paulatina y este medio permite ayudar a reducir el grado de erosión. (Figura N°26). Se recomienda en su parte terminal protegerlo con roca y construir un alero enrocado corto de 10 m en forma perpendicular al flujo del rio .

FIGURA N°26. TIPOS DE ESPIGONES ANCLADOS ESPIGONES FLOTANTES Son aquellos que no tienen continuidad y ningún tipo de anclaje total, pudiendo tener apoyo en algún medio forestado. Estos espigones no tienen estabilidad y terminan siendo erosionados totalmente. Estas condiciones de rio no permiten emplear espigones flotantes paralelos al flujo de rio; es decir espigones cortos con luces pequeñas y en puntos de influencia de curva, salvo deflectores perpendiculares al flujo del rio. A veces el medio de apoyo es un monte y este termina erosionando, tanto en la parte seca como en la cara húmeda del prisma, salvo que la naturaleza del monte sea de gran densidad y aguas arriba no se produzca ningún cambio de curso, que oriente el flujo hacia la cara seca del prisma marginal. (Figura N°27)


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FIGURA N°27. TIPO DE ESPIGONES FLOTANTES b.

Por su ubicación Se refiere a la forma como van ubicados los espigones respecto al cauce principal y flujo del rio. LONGUITUDINALES Son los espigones que son construidos paralelos al flujo del rio, son cortos de 100-200 m, sirven como control al flujo lateral de rio, en si son enrocados cortos. Su proceso constructivo es similar al del enrocado TRANSVERSALES Son espigones construidos en forma perpendicular al flujo del rio; en ángulos que van de los 70° a 80°, son de longitudes variables de 20 a 150 m. Estos permiten la disipación de la energía de rio en las zonas afectadas, desviando el curso del rio, hacia la parte central. No se recomiendan espigones inclinados en razón que estos dirigen el flujo hacia las orillas opuestas ocasionando daños


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ESQUEMA DE UBICACIÓN DE DEFLECTORES

5.3 DEFLECTORES DISIPADOS Cuando los espigones o deflectores van en baterías espaciados entre sí, de 50 a 200 m, se denominan deflectores disipadores, la separación de disipadores es recomendable que sea 5 veces la longitud del espigón. a= 5L Su funcionamiento básicamente consiste en el representa miento del agua de rio, formando pozas entre deflectores, en los cuales se produce sedimentación del material en suspensión, así como frenar el material de arrastre de fondo, lo cual eleva el lecho del rio, originando socavación en la margen opuesta. Como experiencia práctica se puede mencionar que en el valle de Camaná, se ha logrado estabilizar el rio en una sección de 150 a 180 m. (Figura N°28)

FIGURA N°28. DEFECTORES


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PROCESOS CONSTRUCTIVO Descripción El armado del terraplén, es en forma similar al del dique enrocado, así como la excavación de la uña, lo cual solo es efectuada en la parte terminal en los 30 a 40 metros finales. Debe indicarse que el apoyo del espigón debe ser en zona con cobertura arbórea o en terraza elevada, respecto al piso del rio. La cara húmeda y la cara seca, (20m) será revestida con roca pesada. De igual forma delante de la cabeza del espigón o parte terminal de este, será necesario rellenar la uña con roca pesada, más un ancho adicional de 1.5 veces el valor del ancho superior de la uña, para controlar la energía socavante que se produce en la parte terminal.

Esquema: del revestimiento de la parte terminal del deflector disipador De no efectuar la protección del espigón en la parte terminal, este colapsa. Ver foto N°9

FOTO N°9. DEFLECTO INCLINADO POR FALTA DE PROTECCION EN LA PARTE TERMINAL EQUIPO Para su construcción se emplea la maquinaria pesada indica en los acápites del proceso constructivos del enrocado. Caso tractores de oruga y buldócer,


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cargador frontal, excavadora, volquetes, etc., equipo cuya características y especificaciones técnicas se han indicado. La operación y proceso constructivo de cada uno de los espigones y/o deflectores disipadores, son en forma similar que el del enrocado. Recomendaciones: •

• • •

Por darse procesos rápidos de sedimentación entre deflectores y correr el riesgo que sea sobrepasado por el agua, el muro tendrá una altura adicional de 1/5 de la altura calculada del espigón disipador. El terreno existente entre los espigones debe ser encimado a la misma altura del espigón deflector Debe efectuarse una limpieza de cauce en toda la longitud en que se ubican los espigones. El enrocado de la parte terminal debe efectuarse con roca seleccionada, cuyo volumen unitario deberá ser mayor a 1.5 m 3

6. PROCEDIMIENTO EN LA CONTRUCCION DE GAVIONES Se considera importante describir el proceso constructivo de un gavión, por ser una alternativa viable económicamente, de instalación fácil y empleo de mano de obra no calificada y de la localidad donde se construye la obra. 6.1 TRAZADO Y PREPARACIÓN DE TERRENO Se efectuara el trazo en el terreno con equipo de ingeniería, marcando el eje y ancho a ocupar el área de gaviones y el colchón antisocavante. Luego se procederá a la línea de trazo, puede ser con empleo de tractor de oruga y buldócer de 140-160 HP; el cual, uniformizara el trazo, eliminando arbustos, desniveles, o también con empleo de mano de obra y con las herramientas adecuadas. 6.2 ARMADO DE GAVIONES Tiene fases definidas, como aperturas del fondo, doblado de paneles, amarre de paneles, colocadas de cajas del primer nivel. Luego de llenados, se irá colocando en forma similar los siguientes tramos. 6.3 SELECCIÓN Y ACOPIO DE CANTOS RODADOS Por lo general los cantos rodados existen en los ríos de la costa, los cuales con empleo de mano de obra son seleccionados según las dimensiones del caso. Esta labor se puede efectuar también con empleo de cargador frontal. El material seleccionado será trasladado a los gaviones. Se tienen en consideración que para los colchones antisocavantes las dimensiones de los cantos rodados serán menores y en función a la velocidad, se tendrá en cuenta que deben ser resistentes a los impactos, tener buen peso específicos y sus dimensiones serán 2.5 veces más que las dimensiones de la malla


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6.4 LLENADO DE GAVIONES Será efectuado con el ejemplo de mano de obra, colocando los cantos rodados dentro de las cajas, para evitar deformación y lograr una mejor vista. Se puede encontrar con empleo de madera. El atiramiendo se efectuara al ll egar el llenado a un tercio de la altura del gavión y consiste en amarrar con tirantes cruzados las caras opuestas verticales. Terminado se prosigue el llenado hasta su culminación; luego viene el colocado de las tapas y el amarre que será a los bordes de los paneles verticales. En forma similar se culminara por cajas todo el armado de la estrucutra gavionada. (Figura N°29)

FIGURA N°29. COLOCADO Y LLENADO DE GAVIONES


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6.5 LLENADO DE COLCHONES •

Colocado

Consiste en abrir el fondo, retirar y estirar cada colchón; luego se aseguran los diafragmas y levante de las paredes verticales, y amarre de las alas a los diafragmas. En forma similar las paredes frontales, luego se procede al llenado. •

Llenado

Será con empleo de mano de obra o maquinaria, antes se colocara tirantes verticales, uniendo base con tapa; luego del llenado se tapará y amarrara la tapa al resto de la estructura. (Figura N°30)

FIGURA N°30. LLENADO DE COLCHONES Y LLENADO DE COLCHONES(1/2)


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FIGURA N°30. LLENADO DE COLCHONES Y LLENADO DE COLCHONES(2/2) 7.

LIMPIEZA O MANTENIMIENTO DE CAUCE Los trabajos de limpieza de cauce son necesarios después de un periodo de avenidas, para lo cual se debe efectuar una evaluación sobre el comportamiento del rio, cual ha sido la oscilación entre las orillas, donde fijo si cauce, los procesos de sedimentación o formación de terrazas, etc., para en base a esta información determinar los programas de limpieza. En ríos con caudales máximos menores a


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100 m3 /seg. con una pendiente de fuerte a moderada, se obtendrá resultados óptimos, lo que avala como complemento efectuar la protección de las orillas. En ríos jóvenes cuya característica es tener una fuerte dinámica en su discurrir, con variación de lecho durante las avenidas, el trabajo a efectuar responderá según el criterio y conocimiento del rio, ya sea alejarlo de una cuidad o de áreas agrícolas significativas. En ríos de la costa con caudales extremos de 800 a 2,500 m3 /s. después de una avenida de no existir defensa alguna, el rio por lo general oscila su desplazamiento de lecho en un ancho de 500 a 800 m, sobre todo cuando la cobertura arbórea ha sido destruida o quemada y no ha sido restituida por defensa alguna; esto ocurre en épocas de avenidas menores no significativas, cuando los agricultores ribereños aduciendo que el rio esta “viejo” amplían

sus áreas de cultivo El mantenimiento de cauce significa pues que anualmente es necesario efectuar un plan de limpieza o mantenimiento. En este aspecto es oportuno en base a los resultados obtenidos en materia de defensas ribereñas en varios valles de la costa, indicar el siguiente procedimiento para una adecuada limpieza de cauce: a)

Debe efectuarse un levantamiento topográfico del cauce del rio de margen a margen, con los detalles necesarios sobre todo como discurre, las profundidades del lecho principal y sus ramales, esto en toda la longitud critica del valle. Complementariamente se debe observar el rio desde una parte alta, a fin de objetivizar la tendencia de este En base a la información topográfica y detalles obtenidos del ri o, se procede en gabinete a dibujar el plano y determinar el eje central del rio, se recomienda la participación de las organizaciones de usuarios y la autoridad de aguas para su aprobación

b)

La determinación del eje central o de encauzamiento debe ser en base a criterios estrictamente técnicos, enmarcados dentro de los conceptos de la hidrología e hidráulica que fijan la sección estable o amplitud de cauce. Conocida la amplitud de cauce y fijado el eje central, se procede a partir este , a medir hacia ambos márgenes la mitad del valor encontrado, así como el ancho de la faja marginal, tanto para limpieza de cauce como para las obras de defensa.

c)

Esta labor topográfica en gabinete va a permitir: ubicar el sistema de defensas permanentes y temporales en ambos márgenes, fijar los sectores críticos a defender y la limpieza de cauce según el comportamiento del rio. El plano que estas obedezcan a una política de encauzamiento y no de obras aisladas, que no guardan ninguna relación con estos conceptos técnicos.

d)

En el terreno, se procede a efectuar el replanteo de los diseñados en gabinete, para el caso de los sectores de limpieza de cauce; la amplitud y


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profundidad a excavar con maquinaria pesada. Debería tenerse cuidado que una limpieza de cauce debe iniciarse en punto de anclaje determinado(cobertura arbórea, terraza elevada, puente, etc) que permita cumplir el objetivo de orientar el flujo, alejándolo de las zonas críticas. EQUIPO Para la limpieza de cauce se requiere un tractor oruga y buldócer de 200-250 HP con riper, opcionalmente una retroexcavadora. CARACTERISTICAS Y RENDIMIENTO DE LA MAQUINARIA

OPERACIÓN: • • •

•

La limpieza se efectuara a partir del eje central determinado, empujando el material cortado a ambos márgenes. Si un margen lo constituye un cerro, se recomienda el corte de esta hacia la opuesta La profundidad de corte, debe ser de 1-1,5 m, por debajo del cauce actual o tomar como referencia la profundidad máxima, existente 100m.aguas abajo o arriba, del sector donde se efectúa la limpieza del cauce. El material cortado será depositado en taludes de 1:2,5 como mínimo, con alturas mayores a 2m, esto según la sección estable del rio.

FOTO N°10. TRACTORES DE ORGURA EFECTUANDO LIMPIEZA DE CAUCE


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ALTERNATIVA En muchos valles se ha logrado definir cauce de ríos con empleo de excavadora, complementado la labor del tractor de oruga; deberá tenerse en consideración lo siguiente: •

Efectuada la limpieza o remoción de material con tractor, se procede con el empleo de la excavadora a excavar una caja en el eje de encauzamiento de 15-20 m de ancho y por profundidad la diseñada, el material cortado es colocado en ambos márgenes.

•

El acabado final será dado con el tractor de oruga que explanará el material cortado hacia ambos márgenes del encauzamiento

FIGURA N°31. PLANTA Y SECCIÓN TIPICA DE RIO


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Ejemplo En la figura Nº 31 se presenta un plano en planta de un rio de la costa peruana, donde el rio esta afectando terrenos de cultivo en la margen izquierda; el plano corresponde a un sector critico y forma parte de un levantamiento de 2 km. Este levantamiento y la información hidráulica e hidrológica nos ha permitido determinar los parámetros necesarios como son: Caudal Máximo = 2000 m3/s.para un periodo de retorno de 200 años Pendiente Río = 0.007 Características del material : De fondo : cantos rodados y arena De orilla : arcillo arenoso. Sección Estable

:

180 m

Profundidad Socavón :

4m

Tirante máximo y altura de muro

:

3.5 m


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FIGURA Nº 32 LIMPIA DE CAUCE Y ENCAUZAMIENTO Una buena limpieza de cauce en forma anual permite controlar al rio en forma aceptable en función a sus caudales. Es conveniente que el material de limpieza sea arrimado a las orillas en los taludes indicados. El ancho y la profundidad de limpieza son función de caudales máximos, siendo recomendable los siguientes:


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CUADRO DE PROFUNDIDADES RECOMENDAVLES PARA LIMPIEZA DE CAUCE

Finalmente cabe indicar; que mucho tiene que ver el conocimiento que se tenga sobre el rio, para lograr los objetivos do control de erosión; mayormente es la observación y experiencia en este tipo de trabajos; lógicamente sin un conocimiento adecuado se corre el riesgo de tomar decisiones que originan perdidas de la inversión, y lo pero causar mayores daños. Se debe tener como mete final y complementaria a esta labor, la de efectuar la construcción de defensas de carácter permanente, por lo menos en los sectores críticos. 8. EJEMPLO PRACTICOS Problema N°1 Se debe conocer cuál es el máximo caudal instantáneo que ha pasado por un rio, a fin de determinar el diseño de una obra de defensa. Se carece de información hidrológica. De las observaciones de campo y seleccionado el sector más estable del rio, hemos obtenido que este tiene una pendiente de 7 por mil, sus paredes son de roca estable en talud estimado 1:1, el ancho del rio es de 30 m, se tiene rastros en la pared del rio, que este ha llegado hasta una altura de 1.20 m referido a su piso, además tiene la característica de tener una fuerte transporte de acarreos. Desarrollo del Problema: De las observaciones y mediciones efectuadas tenemos los siguientes datos: Datos: b Z S Y

= = = =

30 m 1 0.007 1.20m

Teniendo en consideración de la formula de MANNING – STRICKLER

Vm = Ks R2/3 S1/2

(1) Ing. Rubén Terán Adriazola Edición Nº 1-1998 -Versión PDF “

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El caudal es igual: Q = V*A

(2)

Remplazando (2) en (1) tenemos Q = Ks * A *R2/3 *S1/2

(3)

El valor de Ks, según la tabla del cuadro Nº 5, para ríos de fuerte transporte de acarreos es igual: Ks = 28

El valor del área para un talud 1:1, Z = 1, será:

A = b * Y + Y2 Remplazando valores: A = 30 * 1.20 + 1.202 A = 37.44 m2 El perímetro mojado será:

P = b + 2 * Y * 21/2 Remplazando: P = 30 + 2 * 1.20 * 21/2 P = 33.39 m El radio hidráulico será : R = A/P Remplazando los valores encontrados tenemos: R = 37.44 / 33.39 R = 1.12


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Luego calculamos el caudal máximo instantáneo según formula (3) Q = 28 * 37.44 * 1.122/3 * 0.0071/2 Entonces: Q = 94.59 ≈ 95 m3/seg

Este caudal instantáneo representa un valor para una frecuencia de cada diez años aproximadamente, luego por consideraciones de diseño este se recomienda incrementarlo en un 80% más, osea: Q = 171 ≈ 180 m3 /seg

Por seguridad tomamos un caudal de 200 m 3 /s., en razón que la altura del miro no representa un incremento económico significativo, si se diseñara para 180 m3 /s.

Problema N°2 Se desea construir una defensa continua en el valle de Majes, a fin de evitar daños al centro poblado de Corire ubicado en el margen derecho; así como a los centros poblados de Pedregal y Cantas ubicados en el margen izquierdo. Para lo cual se ha efectuado el levantamiento topográfico, perfil longitudinal y secciones transversales; y asimismo se ha recopilado la información hidrológica necesaria. (Ver Cuadro N°1). La pendiente en este sector es de 0,007; el lecho de rio está constituido por cantos rodados, con zonas de arbustos. La cantera se ubica a 15 km en el sector Cochate y es un afloramiento de granodiorita de peso específico = 2,60. Determinar: el caudal de diseño, sección estable, profundidad de socavación, altura de muro de encauzamiento. Asimismo, la Curva de frecuencia de máximas avenidas donde se defina las probabilidades de ocurrencia, (Figura N°33) Asi mismo se conoce que : Factor orilla, Fs = 0.2 D = 1,00 mm Factor de fondo para material grueso , Fb = 1,2


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FIGURA Nº 33. CURVA DE FRECUENCIA DE MAXIMAS AVENIDAS DESARROLLO DEL PROBLEMA a) Diseño de Dique enrocado - CÁLCULO HIDROLÓGICO

En primer lugar se analiza la hidrología de la zona a fin de determinar la descarga máxima de diseño, para un periodo de retorno de 200 años, mediante la aplicación del método de Gumbel. En base al cuadro N°1 de descarga máximas, se efectúa el ordenamiento respectivo y se determina la relación: Probabilidad de no ocurrencia (P) y el periodo de retorno respectivo (Tr). Así mismo se determina la descarga promedio (Xpro), su coeficiente de variabilidad (CV) y la desviación estándar correspondiente (S). Mediante el empleo de los cuadros N°2,3 y 4 se


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obtiene las medias típicas y la variable reducida (Yn) y el valor de la desviación reducida (on). De todo lo antes explicado se obtiene: Xpro = 667.20

CV = 0.682

Yn = 0.5342

σn = 1.1047

S = 4.54.97

Luego en base a la curva obtenida, ver figura N°33, se tiene el siguiente cuadro al cual se entra con Tr=200 y se obtiene la descarga máxima de diseño que en este caso será de 2400 m 3 /s. y con una probabilidad de ser igualada o excedida de 0,005

Qmax

P

Tr

m3 / seg 2400 1500 900 500 -

0,997 0,924 0,710 0,417

200,0 13,5 3,4 1,7

CÁLCULO HIDRÁULICO En base a los datos hidráulicos e información topográficas se procede al cálculo de los principales parámetros hidráulicos para diseñar la estructura propuesta.

CÁLCULO DE LA SECCIÓN ESTABLE O AMPLITUD DE CAUCE a) Empleando las ecuaciones de régimen estable de BLENCH-ALTUNIN - Para caso de gravas D50 = 5mm.

Procedemos al cálculo del factor de fondo. Fb = Fbo (1+0.12C) Fbo = (D50)1/3 ósea Fbo =(5)1/3 Fbo = 1.709 Fb = 1,709(1+0.12*0.05) Fb = 1,71 El ancho estable será : B = 1,81 (Q Fb / FS ) 1/2 Para un factor de orilla FS = 0,2 (Material barro)


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Se tiene: B = 1.81*(2400*1.71/0.20) ½ B = 259,26m  260 m - Si el material sólo fuera de arrastre.

Se tiene: FS = 0,2 material de orilla ligeramente cohesivo. Fb = 1,2 factor fondo material grueso. Luego la sección estable mínima B será: B = 1,81 x [(2400x1,20)/0,20] 1/2 B = 217,20 m  220,00 m b) Empleando la fórmula de SIMONS y ALBERTSON Se tiene: K1 = Para fondos y orillas de grava Para K1 = 3.8 (caso río Majes) B = K1*(Q) 1/2 B = 3.8(2400) 1/2 B = 186  190 m Cuadro Comparativo FORMULA

SECCIÓN ESTABLE

BLENCH-ALTUNIN - Máxima - Mínima SIMONS-ALBERTSON Criterio Práctico (Obras realizadas) para un mismo río.

260 220 190 180200

En base a los cálculos efectuados se puede indicar que la fórmula de SIMONS, se ajusta más a los trabajos realizados en la zona PROFUNDIDAD MEDIA Viene a ser la profundidad necesaria para la estructura. Aplicando la fórmula: H = 1,02 [(Q x Fs) / Fb 2]1/3


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Con los factores de fondo y orilla: Fs = 0,20 y Fb = 1,71 H = 1,02 [(2400 x 0,20) / 1,71 2]1/3 H = 5,5 m LA PENDIENTE HIDRAULICA Para las condiciones del rio y las características del material y aplicando la fórmula, se tiene: S = (0,55 x F b5/6 x Fs 1/12) / [(1 + C/233) x K x Q1/6)] Para C = 500, siendo K = 6,6g/1/4 Donde :

 = Gravedad m2 /seg y = Peso específico del agua. K = 6,6 x 9,81 / (1,0033) 1/4 = 11,42 Reemplazando estos valores en la formula se obtiene: S = (0,55 x (1,71) 5/6 x (0,2)1/12) / [(1 + 500/233) x 11,42 x 2400 1/6)] S = 0,006 CÁLCULO DE LA PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN Este se determina, con el método propuesto pro L.L LIST VAN LEBEDIEV, para cauces naturales. Consideramos para fines ilustrativos 2 casos: a) Suelo cohesivo: Teniendo en cuenta la relación.  = Q / (t5/3 x bo)  = 2400 / (3,17 5/3 x 190)

a = 1,84

Aplicando la fórmula de ts, para suelo cohesivo, se tiene los datos de las tablas y cuadros (Peso especicfico = gs, ver cuadro Nº 8, Tabla de valores = X1/(X+1) Cuadro Nº7, y Coeficiente de Socavación = B, Cuadro Nº 6. ts = 1,80; 1/(X+1) = 0,78 ; B = 0,82


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Remplazando en la ecuación: 1

ts =

  * t    1,18  0.6 *  B   

ts =

 1,84 * 3,17 5 / 3    1 , 18  0.6 *1,80 0.82   

5/3

X +1

0.78

Se obtiene: ts =

7,30

Luego la profundidad será: Hs = ts – t Hs = 7,30 – 3,17 = 4,13 m b) Suelo no cohesivo: Aplicando la ecuación pertinente se tiene: 1

  * t     0.68 D 0.28 B    5/3

ts =

X +1

m

para Dm = 5 mm. ts =

 1,84 * 3,175 / 3     0.68 * 50.280.82   

ts =

7,15

0.74

Luego, la profundidad de socavación será Hs = 7,15 – 3,17

3,98 ≈ 4,00 m

PROFUNDIDAD DE UÑA Determinada la profundidad de socavación, ésta indicada hasta donde excavaría el rio, profundidad hasta la cual deberán llegar las cimentaciones de las estructuras Para el caso de estructuras longitudinales de defensa ribereñas, el pie de éstas en su cara húmeda está sujeta a socavación. Siendo necesario construir estructuras antisocavantes que den estabilidad a las obras de gravedad, caso de diques enrocados, muros de gaviones, etc. .La profundidad se calcula con la siguiente consideración: a)

SUELOS COHESIVOS

Se asume para suelos cohesivos que el material de fondo de rio al pie de la estructura será reemplazado por roca suelta, caso granito cuyo peso específico


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es 2.60 Tm/m 3, X= 0.25, la misma que será colocada sobre el fondo del rio, lo que permite reducir la profundidad de socavación. Se calcula el valor de ts.

 1,84 * 3,17 5 / 3     0.6 *1,801,180.82   

ts =

0.80

ts = 5,42 La profundidad de la uña será: Puña = ts – t Puña = 5,42 – 3,17 Puña = 2,25 ≈ 2,20 b)

SUELO NO COHESIVOS Con el mismo criterio se asume que el material del piso del rio sea roca suelta con un D= 1000 a 1500 mm. y X= 0.84, obteniendo una profundidad. Hs = ts

 1,84 * 3,175 / 3   ts =   0,68 *10000, 280,82   

0.84

ts = 2,69 ≈ 2,70 Para el caso se asume que Ts = Puña, en razón que no se desplazamiento. La profundidad en tramos rectos será de 2.00 m y en curva 2.50 m. El ancho de uña en la base será: Auña = 1.5 * P uña Auña = 1.5 * 2 = 3.00 m CÁLCULO DE LA ALTURA DEL MURO También se puede determinar el tirante normal, teniendo en consideración el perfil normal, el mismo que permita el escurrimiento de las aguas y el transporte de acarreos. Deberá tomarse en consideración los tramos de rio donde ya se haya alcanzado su equilibrio. Empleando la fórmula de Manning Strickler: Vm = Ks R2/3 S1/2 Vm = Velocidad media R = radio hidráulico


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S = Pendiente Ks = Coeficiente de rugosidad que depende del lecho natural del río ver cuadro Nº 5 Considerando valores de acarreo para secciones o ancho (b 0) mayores de 30 m, se tiene: Q = b0 t(Ks t2/3 S1/2) t = [Q / (ks bo S1/2)]3/5 Se obtiene reemplazando valores encontrados Qmax, b 0 y Ks = 22, del cuadro numero 5 t = (2400/22 *190*0.0071/2)3/5 t = 3,17 tirante Luego La altura del muro será: HM = t + BL BL = Ф V2 2g Donde: Ф = Coeficiente en función de la máxima descarga y pendiente, para el caso

según tabla. 1.70 para caudales de 2,400 m3/seg Luego reemplazando valores obtenemos BL = 1.70

3.902 19.62

BL = 1.31 HM = 3.17 + 1.31 = 4.48 4.50 CÁLCULO DEL VOLUMEN DE ROCA Se tiene que calcular la fuerza de empuje y el volumen de roca que equilibra a está. Fuerza de Empuje La fuerza unitaria de empuje ejercida por la presión del flujo del agua es: F = ( Dw Cd V2 A) / 2


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Donde: F = fuerza de empuje (Kg.) Dw = densidad del agua (kg/m3) Cd = coeficiente de arrastre A = área de las caras de partícula (m 2) V = velocidad de flujo (m/s) Reemplazando Valores: F = (101,94 x 0.65 x 1x 3.9 2)/2 F = 503.91 Kg . El volumen de la roca que equilibra la fuerza unitaria de empuje es: Vr = Ws / (Pr – Pw) WS = peso sumergido de la roca (Kg.) Pr = peso específico de la roca sumergida en (Kg/m 3). Pw = peso específico del agua (Kg/m3 ) Vr = Volumen de roca Reemplazando valores: Vr = 503.91 / (2500 - 1000) Vr = 0.340 m3

El volumen hallado representa un peso de roca que no va a ser arrastrado, por se requiere emplear mayor volumen de roca para revestimiento del dique, para lograr una labor de disipación de energía máxima; si la fuerza de empuje esta en función al cuadrado de la velocidad, en todo caso debe considerarse un factor de seguridad para que el volumen de roca cubra una superficie media y su preparación no demande mayor gasto de fraccionamiento y sea de fácil transporte, para el caso se considera un factor de seguridad 4 veces el volumen máximo de roca, o sea 1,3 m3

f

=

1

2 sen  −

sen 2 "

Angulo del Talud Angulo de Friccion Interna del m aterial.


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Cuando el talud es 1:2 el ángulo es = 26º34”, para la roca de granito de peso específico 2.6 ton/m3.Le corresponde un angolo de friccion de 38º00”(Cuadro Nº 12)

f

=

1

sen

2

26º34"

sen

2

38º 00"

−

= 0.69

La densidad relativa del material será:  =

 S − 

 =

2600 − 1000

 ∆ s

= 1,60

1000

Densidad Relativa del material Densidad de la roca Densidad del agua

b

factor para condiciones de mucha turbulencia, piedras redondas, y sin que permita movimiento de piedra, se adopta un valor b =1.4

b V 2 1 * d 50 = *  2 g f

1,4 3,90 2 1 d 50 = ( ) * ( )*( ) 1,6 19,62 0,69

= 0,983 m

Luego se calcula, la probabilidad que se moviese una piedra con un diámetro mediano, para lo cual se usa la formula para calcular el factor de estabilidad. Froca (D50) = 0,56 *(V2 /2g) * (1/ D50 )* (1/ ∆) Froca (D50) = 0,56 *(3,902 /19,62) * (1/ 0,983 )* (1/ 1,60) = 0,276

c/t =1/n = 3,62> 0,99 Lo cual demuestra que hay una mayor seguridad. El peso de la piedra con diámetro D 50 es: W50 = ∆

s D50

3 =

0,65 X 2600 x0,983 3 = 1605 kg


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CÁLCULO DE ESTABILIDAD DE TERRAPLÉN La fuerza que se opone al deslizamiento del terraplén está definida mediante la relación: R = W tg Φ P =Pw H 2 / 2 Donde : R = fuerza resistente (Kg/m) W = peso terraplén (kg) (Fig. 18 A) Φ = ángulo de fricción interna Pw = peso específico del agua (kg/m 3) H = tirante de agua (m) - Cálculo De La Fuerza Resistente, Reemplazando en la ecuación los valores para las dimensiones del dique propuesto: R = [(4+16.25)/2)x4X1800 tg25º R = 33 993.87 kg/m Cálculo De la Presión de Flujo La presión del agua ejercida al terraplén es: Reemplazando valores. P = 1000(3.17)2 /2) = 5024.45 (kg/m2) Si se comparan los resultados obtenidos, la fuerza resistente es 12.5 veces mayor que la presión que ejerce el agua sobre el dique, lo que significa, que el dique es lo suficientemente estable a la presión del agua. FR > 6.76 P Luego la sección del dique enrocado será la que se indica en la figura Nº 34

FIGURA Nº 34SECCION TIPO DE DIQUE


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b) Diseño de Gaviones Con los datos básicos de topografía, así como con los parámetros hidrológicos e hidráulicos en forma similar como para enrocado se toma: CÁLCULO HIDROLÓGICO - CAUDAL DE DISEÑO

Este será el caudal máximo, para un periodo de retorno de 200 años, es decir 2 400 m 3 /s. CÁLCULO HIDRÁULICO -

SECCIÓN ESTABLE Con los métodos empleados, se ha determinado un ancho o sección estable de 190m

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ALTURA DE MURO En base a la relación de Manning-Strickler, se obtiene un muto de 3,17 m, más un bordo libre e= V 2 /2g, lo cual da una altura total de 4 m, que será la altura de los gaviones. Los gaviones, serán seleccionados según las dimensiones del cuadro N°10. La sección transversal típica será la que se indique en la figura N°35

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SOCAVACIÓN Se ha determinado para el presente caso una socavación de 4 m, luego el colchón antisocavante tendrá una longitud: 1,5x4=6 Lcolchon = 1,5 * Hs Lcolchon = 1,5 * (4) Lcolchon = 6 m El espesor del colchón será en función a la velocidad, que para este caso es 3,9 m/s. y usando el cuadro N°11. Seleccionar un espesor de 0,30 m, por seguridad y piedra de relleno de 70-120 m

-

ESTABILIDAD El cálculo de estabilidad, será dado al vuelco o volteo, así como el grado de sismicidad


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SECCION TRANVERSAL TIPICA


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COLCHÓN 6,0 * 1 = 6 m Espesor = 0,3 m

-

CÁLCULO DE ESTABILIDAD DE GAVIONES Para determinar el valor de empuje se utiliza la teoría de Coulomb, adoptan en el cálculo el estado limite activo del terreno.

a)

El empuje activo será F1 = ½**t2 F1 = ½ x 1 x 3,272 F1 = 5,35 ton/m Actúa a: d= H/3 H = altura del Muro Luego: d = 4/3 = 1,33 m

b)

Seguridad al deslizamiento: W = área del muro. p = Peso específico del relleno g = Peso específico del gavión δ = φ = 30º ángulo de fricción n = Porcentaje de vacíos. = 0,3 g = p * (1-n) = 2,40(1-0,3) = 1,68 ton/m3

Cálculo del Componente Vertical del Empuje Activo: Ev = Ea*sen(90º +δ -β) δ= Angulo de fricción del terreno. β= Angulo de formado por el plano de empuje y horizontal

Ev = 5,35 sen(90º + 30º -90º) Ev = 2,68 Cálculo del Componente Horizontal: Eh = Ea*cos(90º +δ -β) Eh = 5,35 cos(90º + 30º -90º) Eh = 4,63


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n´= [(w + Ev)cos + EHsen]tgφ +(w + Ev)sen EH*cos  =

angulo del talud del material sobre el muro w = Peso de la estructura n´= [(w + Ev)cosº + EHsenº]tg30º +(w + Ev)senº EH*cosº a = 0 => w = área*g = 9*1,7 = 15,3 n´= [(15,3 + 2,68) + 0]*0,58 +(15,3 + 2,68)*  4,6.*1 n´= 10,37 = 2,25 > 1,5 4,63

c) Verificación de la Seguridad al Volteo El momento que produce el volteo será: Mv = EH * d = 4,63 * 1,33 = 6,16 ton/m d = Altura punto de aplicación empuje El momento de la resistencia será MR = Ws + Ev*S MR = 15,3 * 1,5 +2,675*3 = 30,98 n = MR ≥ 1,5 Mv n = 30,98 = 5 ≥ 1,5 6,16 Verificación: e = b/2 – (MR-Mv)/n e = Excentricidad de la resultante n = (W+Ev) cos + EHsen n = Resultante de fuerzas normales a la base del muro


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n = (W+Ev) cos0º + EHsen0º n = (15,3 + 2,68)*n = 17,98 n = 3 -30,98 – 6,16 = 0,12 < 3 = 0,5 2 17,98 6 Tensiones: 7,98 6∗0,2 2 2 G1 = 1  6  =  3 1  3  = 7,43 T/m = 0.73 kg/cm <2 6∗0,2 2 2 G2 = 7,98 1− 3 3  = 4,5 T/m = 0.45 kg/cm < 2

9.

PRESUPUESTO, CRONOGRAMA Y FÓRMULA POLINÓMICA Teniendo en cuenta el área de las secciones con respecto a la longitud, se obtiene los metrados correspondientes, determinando los volúmenes de excavación, relleno y enrocado; a fin de establecer las partidas del presupuesto para la ejecución de las actividades de una determinada obra. Ver cuadro N° 13 y 14 Determinando la actividad principal considerando los rendimientos, se obtiene los cronogramas de ejecución y desembolso. Cuadro N° 15 y 16 La fórmula polinómica constituyente el medio de reconocimiento práctico de mayores costos, por la fluctuación de los precios de los elementos que determinan el valor de las obras. Ver Cuadro N°17 En los cuadros 18 al 29, se presentan los análisis de los precios unitarios de un trabajo típico sobre defensas ribereñas.


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BIBLIOGRAFIA


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MANUAL Defensas Ribereñas Ruben Teran Edicion 1 Libro PDF

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