AGOSTO 2001 624

SERIES DEL INSTITUTO DE INGENIERA

Basado en investigaciones realizadas para Gaviones LEMAC, SA

JAIME E CA MARGO HERNNDEZ VCTOR FRANCO

MANUAL DE GAVIONES

ISSN 0185-2345

l. INTRODUCCIN 1 J./ Consideraciones generales 1 1.2 Desarrollo del manual 3

2. IIlDRULICA FLUVIAL 5 2.1 Resistencia al flujo 5

2.1.1 Sin arrastre 5 2.1.2 Con arrastre 7

2.2 Transporte de sedimentos 9 2.3 Diseo de cauces con arrastre 12

2.3.1 Gasto formativo 12 2.3.2 Cauces estables 13

2.4 Referencias 22 3. CONTROL DE CRCAVAS 25

3.1 Etapas de control 26 3.2 Presas de gaviones 27

3.2.1 Funciones y tipos 27 3.2.2 Criterio de diseo 30

3.3 Recomendaciones de diseo 50 3.4 Aplicacin 53 3.5 Referencias 63

4. ESTABILIDAD Y RECTIFICACIN DE CAUCES 65 4.1 Introduccin 65 4.2 Espigones 66

4.2.1 Datos para diseo 66 4.2.2 Recomendaciones de diseo 67 4.2.3 Estabilidad de la estructura de gaviones 81 4.2.4 Observaciones 81

4.3 Recubrimientos o muros marginales 84 4.3.l Datos para diseo 84 4.3.2 Recomendaciones de diseo 85 4.3.3 Estabilidad de la estructura de gaviones 92

4.4 Canalizacin 102 4.4.1 Consideraciones de diseo 102 4.4.2 Recomendaciones de diseo 109

4.5 Referencias 110 s. MUROS DE RETENCIN 113 5.1 Introduccin 113 5.2 Diseo de los muros 114

5.2.1 Clculo del empuje 115 5.2.2 Estabilidad de los muros 120 5.2.3 Recomendaciones de diseo 130

5.3 Aplicacin 138 5.4 Referencias. 153

La presencia de crcavas en un terreno indica un grado avanzado de erosin, ya que, por lo general, stas se inician despus de que una gran parte del suelo superficial ha sido arrastrado a causa de una fuerte erosin laminar.

En el transcurso del tiempo, la erosin transforma de manera lenta y continua la corteza terrestre. Este proceso es el resultado de la accin combinada de diversos factores, principalmente: el agua, el viento, y la temperatura. La rapidez con la que se efecta este fenmeno depende de las caractersticas geolgicas y climticas de cada regin y, en casos particulares, de la alteracin del medio causada por el hombre.

J. 1 Consideraciones generales

l. INTRODUCCIN

2

En las curvas de los ros que drenan los escurrimientos de la cuenca, se produce el fenmeno de erosin y depsito, debido a la fuerza centrfuga que se genera en stas. Por ello, en las curvas, las secciones transversales tienen mayores profundidades cerca de la orilla exterior y menores hacia el interior. Durante el proceso erosivo, el flujo remueve y arrastra sobre todo las partculas del pie y de la zona baja de talud de la oriUa, con lo que sta tiende a hacerse vertical. Cuando la margen est formada principalmente por material no cohesivo, por ejemplo, arenas y gravas, el talud falla por deslizamiento o fracturamiento, hasta que un bloque cae dentro de la corriente. Por el contrario, si la margen est constituida por material cohesivo, se pueden llegar formar cavidades al pie del talud antes de que se produzca el colapso y falla de un tramo de la orilla. Despus ocurre la falla, la pendiente del talud disminuye y se mantiene as mientras la corriente arrastra lodo el material fallado y el ciclo erosivo vuelve a repetirse.

El control de las crcavas en etapa incipiente es sencillo, pues generalmente basta con pasar el arado o la rastra a travs de las pequeas corrientes o canalillas para que stas desaparezcan y se impida as! su crecimiento posterior y, por tanto, la dificultad de su control. Si se trata de crcavas en etapa desarrollada, para disminuir la velocidad del escurrimiento y reducir al mximo su poder erosivo a fin de evitar que stas crezcan en profundidad y anchura, el control de crcavas, por ejemplo, puede hacerse mediante la

. construccin de presas de gaviones, esto es slo una parte del control integral de cuencas, ya que este problema, para ser resuelto en forma completa, exige un tratamiento adecuado del rea total drenada. Un gavin se define como una caja de malla rellena de piedras de diferente tamao.

Al empezar el proceso de la formacin de crcavas, se presenta el estado de zanjado incipiente, o sea, aqul en que la crcava comienza a notarse sobre el terreno, debido a que el agua que escurre tiende a concentrarse para crear pequeas corrientes que poco a poco convergen y dan origen a otras de mayor anchura y profundidad.

3

En el captulo 3, se incluye lo relativo a la estabilizacin de crcavas con el uso de presas de gaviones para controlar la erosin; estas estructuras reducen la velocidad del agua y el deterioro en los taludes de Ja crcava tratada. Cabe sealar que dicha estabilizacin slo sera total, si se desarrolla vegetacin permanente que retenga el suelo en su sitio.

En el captulo 2, se presentan algunos aspectos tcnicos de Hidrulica Fluvial, para estudiar las dificultades que se plantean al tratar corrientes naturales y canales artificiales, cuyas paredes y fondo estn formados con materiales susceptibles de ser arrastrados por el flujo de agua.

El trabajo se ha dividido en cinco captulos. El captulo 1 tiene la finalidad de formular el problema de la erosin en cauces y crcavas y la manera de controlarla.

1.2 Desarrollo del manual

La erosin que se produce en Ja cuenca o en los ros como resultado de un fenmeno natural es a menudo acelerada cuando el hombre cambia las condiciones propias del suelo, debido a Ja desmedida prctica comercial de la tala de rboles, los incendios no sofocados en los bosques, el pastoreo exagerado, la construccin de vas de comunicacin, etc. En este ltimo caso, para proteger los taludes del terrapln, se utilizan comnmente muros de

. retencin constituidos por gaviones.

Entre las medidas ms comunes para proteger las mrgenes de los ros, sobre todo los exteriores de las curvas, estn los espigones, Jos recubrimientos o protecciones marginales y los diques, cuyo propsito principal consiste en evitar el contacto directo entre el flujo con alta velocidad y el material que forma la orilla; esas estructuras pueden ser construidas con gran variedad de elementos, por ejemplo, Jos enrocamientos y los gaviones.

4

En el captulo 5, se plantea el diseo de los muros de retencin o sostenimiento que se emplean en vas de comunicacin (carreteras y ferrocarriles) para resolver, entre otros aspectos, la estabilizacin de taludes y la erosin de las mrgenes.

En el captulo 4, se presentan las recomendaciones de diseo para la estabilidad y rectificacin de cauces, mediante espigones, recubrimientos marginales y diques, cuando estas obras se construyen con gaviones.

s

V velocidad media, en mis n coeficiente de Manning (ver tabla 2.1)

donde

(2.1) V=_!_ R"2 s12 n H

Una de las frmulas de resistencia al flujo ms usuales en la prctica es la de Manning, dada por

2.1.1 Sin arrastre

2. 1 Resistencia al flujo

2. ffiDRULTCA FLUVIAL

6

DIFERENTES ACABADOS

n l. Concreto, en conductos cerrados

funcionando parcialmente llenos: a) cimbra de acero, sin acabado 0.013 b) cimbra de madera, sin acabado 0.014

2. Concreto en canales excavados a cielo abierto a) acabado con llana metlica 0.013 b) acabado con llana de madera 0.015 e) sin acabar 0.017

3. Fondo de concreto, acabado con llana de madera y taludes a) mampostera junteada y aplanada con mortero 0.020 b) mampostera seca o a volteo 0.030

4. Fondo y taludes de mamposter a) junteada con mortero 0.025 b) sin juntear 0.032

5. Canales revestidos con gaviones tipo colchoneta rellenos de material bien seleccionado y colocados en obra con mucbo cuidado 0.0222

6. Canales revestidos con gaviones tipo colchoneta rellenos de material bien seleccionado y puestos en obra sin mucho cuidado 0.0250

7. Canales revestidos con gaviones tipo colchoneta rellenos de material de cantera no seleccionado y colocado a volteo 0.0270

8. Canales revestidos con gaviones rellenos de material bien seleccionado y puestos en obra muy cuidadosamente 0.0260

9. Canales revestidos con gaviones rellenos de material no seleccionado y colocados en obra sin mucho cuidado 0.0285

1 O. Canales en tierra con malas condiciones de mantenimiento: presencia de vegetacin en el fondo y las orillas, o depsitos irregulares de piedras y grava, o profundas erosiones irregulares. Canales en tierra realizados con excavadoras y sin mantenimiento 0.0303

TABLA 2.1 VALORES DELA "N" DE MANNING PARA

7

Entre los mtodos que permiten obtener directamente la resistencia total, se recomienda el de Cruickshank-Maza, que toma en cuenta la rugosidad relativa de los granos y de manera implcita el cambio de la configuracin del fondo al variar el flujo. Dichos autores proponen dos ecuaciones: una para rgimen inferior con fondo de rizos y dunas, y otra para el superior C-On ondas estacionarias y antidunas.

2. 1.2 Con arrastre

Fig 2.1 Valor del coeficiente de rugosidad de Manning en funcin del tamao del material con el que se llenan los gaviones [8]

0.0252 4 6 8 10 Dimetro medio de los portcutos con los que se lleno el 9avin,en pl9

e 0.032 ~

~ 0.030 -8 ~ 0.028 : - 8

Si se usan gaviones, que son cajas de alambre llenas de rocas, el valor de n tambin se puede determinar con ayuda de la fig 2.1, en funcin del dimetro medio de las particulas con las que se rellena el gavin. Cuando el radio hidrulico es mayor de 1.5 m, se puede utilizar un valor de n = 0.025 con la restriccin de que el dimetro medio de las partculas tenga un tamao que vare entre 5 y 25 cm.

R11 magnitud caracterstica, en m; para flujo en canales, se utiliza el radio hidrulico

S gradiente o pendiente hidrulica, adimensional

8

V velocidad media del flujo, en mis (J);o velocidad de cada de las partculas con dimetro 050, en mis; se obtiene con

ayuda de la fig 2.2 d tirante medio, en m

Dn dimetro de la partcula, donde el subndice n indica el porcentaje en peso de la muestra que contiene partculas menores o iguales a D0 Por ejemplo,

donde

rs=r =-- r

(2.3 b) 1 ( d )0.3Sl -s:66.5 -- s AD84

que se cumple si

(2.3 a) ( d )644(s)0.3Sl V= 6.25so Dg,

Para rgimen superior,

(2.2 b) ( )0.3SO .!. :;:: 83.5 ....!!...._

S AD84

que se cumple s

(2. 2 a) ( d )6:i. ( s)so V = 7.5811>;o Du Para rgimen inferior,

9

Para cuantificar el transporte total de fondo, es decir, la totalidad de partculas que pasan por una seccin, en suspensin o en la capa de fondo, y que proceden del fondo o del lavado de la cuenca, se recomienda utilizar los mtodos de Meyer-Peter y Mller y el de Engelund.

Los sedimentos que pueden ser transportados son los que constituyen el fondo y las orillas del cauce, adems de las partculas muy finas procedentes de los terrenos de la cuenca.

2.2 Transporte de sedimentos

Fig 2.2 Velocidad de cada de las partculas para 2oc segn Rubey [5]

0,en mm 1 1000 100 10 1.0 0.1 0.01

w,en w,en cm/s cm/s

~ ' l 11 ..., .. velocldod de codo, I I en cm/s ~~

11 T' v V t: ~V L J ... L ~ -,

. - "( l~ / V "\. velo

10

(2.5)

La frmula planteada para cauces arenosos es

Mtodo de Engelund

En la ec 2.4b Dso y 090 estn expresados en m. Meyer-Peter y Mller probaron particulas con pesos especficos comprendidos entre 1 250 y 4 200 kgf/m3; los dimetros medios de las muestras variaron de 0.4 a 30 mm.

(2.4 c)

g aceleracin de la gravedad, en m/s2 i, parmetro adimensional de Shields

(2.4 b) Ii'6 D116 n=~=~

21 26

!lBT transporte total de fondo, en kgf/s/m Dm dimetro medio de las particulas, en m

n rugosidad total del cauce; se obtiene de la frmula de Manning n' rugosidad debida a las partculas e igual a

donde

(2.4 a)

La expresin propuesta establece que

Mtodo de Meyer-Peter y MUer

11

Viscosidad Viscosidad Viscosidad Viscosidad Temperatura, dinmica.ji, cinemtica, v, Temperatura, dinmica, , cinemtica, v, en kgf /m2 en 1112/s en kgf s/m2 en m2/s en C (10-8) (l 0-6) enC (10'8) (1 o6)

5 1.548 1.519 16 1.133 1.112 6 1.500 1.472 17 1.104 1.084 7 1.456 l.428 18 1.076 1.057 8 1.413 J.386 19 1.049 1.031 9 1.372 1.346 20 1.025 1.007 10 1.333 1.308 21 1.000 0.983 11 J .296 1.272 22 0.976 0.960 12 1.260 1.237 23 0.954 0.938

. 13 1.227 l.204 24 0.932 0.917 14 1.194 1.172 25 0.911 0.896 15 1.162 1.141 26 0.890 0.876

TABLA 2.2 COEFICIENTE DE VISCOSIDAD DINl\flCA Y CINEMTICA DEL AGUA EN FUNCIN DE LA TEMPERA TURA

Re nmero de Reynolds, adirnensional v viscosidad cinemtica, en m2/s (ver tabla 2.2) V. velocidad al cortante, en mis

donde (2.6 b)

(2.6 a) Re= V.Dso 2: 12 V

donde V es la velocidad media del flujo, en mis. Esta ecuacin se aplica siempre y cuando 0.15 < Dso < 2 mm y el nmero de Reynolds de la partcula asociado a la velocidad al cortante sea igual o mayor de 12, es decir,

12

e) Por ltimo, otros autores consideran como gasto formativo, sobre todo en ros de planicie, el gasto mximo que es capaz de pasar por el cauce principal sin que se desborde hacia la planicie. En la mayora de los problemas estudiados, este criterio ha conducido a resultados ms congruentes.

b) Para algunos autores (entre ellos, Leopold y Madok), el gasto formativo es el que tiene un periodo de retorno de 1.4 aos. Si hay una estacin de aforos cercana, se puede obtener dicho gasto analizando los gastos mximos con los criterios, por ejemplo, de Nash o Gumbel,

a) Gasto dominante. El gasto formativo que recibe este nombre es aquel que, al permanecer constante a lo largo del ao, transportar la misma cantidad de material del fondo que el hidrograma anual. Por tanto, para encontrar el valor del gasto dominante, se calcula para cada da del ao el transporte de fondo en .funcin del gasto medio diario aforado; al sumar todos esos resultados, se obtiene el transporte anual del fondo, el cual se divide entre 365 das de ao, y proporciona el transporte medio diario. Con ste, se determina fcilmente el gasto lquido diario, expresado en m3 /s, que tiene esa capacidad de transporte.

Para el estudio de la estabilidad de un cauce, es indispensable fijar un gasto que represente el hidrograma anual; a continuacin, se describen varios de los criterios que existen en la literatura para determinar dicho gasto.

2.3.1 Gasto formativo

2.3 Diseo de cauces con arras/re

13

(2.7)

La primera permite conocer la velocidad media de la corriente que no produce erosin, considerando el dimetro medio del material del fondo y el tirante,

Altunin propone tres ecuaciones para obtener los tres grados de libertad.

Con ello, supone que una seccin es de tipo a si las orillas son dificilmente erosionables, y de tipo b si stas son erosionadas con facilidad.

Para conocer la estabilidad de un cauce, Altunin toma en cuenta, adems de las variables ya indicadas, la mayor o menor resistencia de las orillas a la erosin y la zona del ro donde se encuentra el tramo en estudio.

Mtodo de Altunin para material granular

Generalmente, conocidos el gasto formativo Q, el transporte de slidos que entra al tramo en estudio gar, y un dimetro representativo, D, del material del fondo, se pueden obtener las pendientes S, el ancho B y el tirante d, es decir, se tiene un cauce con eres grados de libertad. Entre los mtodos para analizar la estabilidad del cauce estn, por ejemplo, los propuestos por Altunin, Maza y Cruickshank, y Blench. El primero se desarrolla para cauces formados con material grueso, como gravas y boleos; el segundo se aplica a cauces arenosos, y el tercero es para cauces con mrgenes de material cohesivo.

2.3.2 Cauces estables

Sin embargo, se recomienda utilizar los tres criterios mencionados y probar los gastos obtenidos. Casi siempre, se puede contar con algn dato adicional que permita conocer cul de stos es el ms acertado.

14

1 si d < 1.50 m (2.11 a) a=- 3 l si l.50 < d 2.50 m (2.11 e) a=- 5

Ct exponente variable que depende del tirante y que puede tomar los valores siguientes:

enm

a constante igual a 1 en la planicie y a 1.1 en la zona intermedia V~ velocidad media mxima, en mis, que soportan las partculas del fondo sin

que se produzca erosin cuando el tirante es de J m; se obtiene con ayuda de la tabla 2.3 en funcin del dimetro medio de las partculas

d tirante medio en la seccin, igual al rea entre el ancho de la superficie libre,

donde

(2.10)

La ec 2.9 se puede transformar y se ha propuesto utilizarla tambin como

(2.9)

La tercera resulta de la observacin que se hizo sobre el comportamiento de secciones naturales estables y fue planteada por Gluschkov,

(2.8) V=kd'S'

La segunda define la velocidad de la corriente ea funcin de la resistencia al flujo,

15

z exponente que se recomienda igual a 1/2 para las condiciones indicadas

k coeficiente de rugosidad que Altunin supone igual a 11 para cauces con gravas o dimetros mayores

Dimetro, en mm V+, en mis Dimetro, en mm V+, en mis 46 1.44 48 1.47 50 1.50

1.0 0.60 52 1.54 2.5 0.75 54 1.56 5.0 0.80 56 1.59

!O.O 0.83 58 1.62 15.0 0.86 60 1.65 20.0 0.90 65 1.69 25.0 0.98 70 1.73 30.0 1.04 75 1.76 32.0 1.11 80 1.80 34.0 1.17 85 1.84 36.0 1.24 90 1.88 38.0 1.29 95 1.91 40.0 1.35 100 1.95 42.0 1.38 150 2.40 44.0 1.41 200 2.60

TABLA 2.3 VALORES DE LA VELOCIDAD V+ EN FUNCIN DEL DIMETRO MEDIO DE LAS PARTCULAS CUANDO EL TCRANTE ES DE l M

16

Dado que la informacin disponible para el diseo puede variar y, por tanto, pueden cambiar las tres incgnitas que deben despejarse de las tres ecuaciones originales, en la tabla 2.6 se indican tres posibles combinaciones de parmetros por obtener. En dicha tabla

A partir de las ecs 2.7, 2.8 y 2.10, se obtienen las ecuaciones generales de diseo mostradas en la tabla 2.5 donde se ha considerado que z y x tienen los valores indicados anteriormente. Las ecuaciones se presentan para los tres valores de a mencionados.

En la ec 2.13 propuesta para valuar A, n es el coeficiente de rugosidad segn Manning, y K es un coeficiente que depende de la resistencia de las orillas (ver ec 2.9) y cuyos valores son: de 3 a 4 si el material que forma el cauce es muy resistente (tipo a), de 16 a 20 para material fcilmente erosionable (tipo b), y de 8 a 12 para material aluvial. En los problemas de ingeniera, se acepta usar K = 1 O.

Los valores de A y m se pueden obtener con ayuda de la tabla 2.4.

(2.13)

A coeficiente dado por la expresin

(2.12)

m exponente igual a 0.5 para ros de montaa y a 1.0 para cauces aluviales cerca de la desembocadura; se acepta O. 7 para cauces arenosos. Este exponente tambin se puede valuar mediante la ecuacin

B ancho de la superficie libre del agua, en m

x exponente que se recomienda igual a 1/3 para las condiciones indicadas

17

Parmetro A Exponentem Zona del ro y condicin del Nmero de Froude cuando K= 10 cauce Tipo de seccin Tipo de seccin

a b a b Zona de alta montaa. Cauce rocoso o cubierto de ni edras 10.00 o.so 0.75 ... 1.00 Zona de montaa. Cauce formado por cantos rodados, boleos y guijarros. Rpidas y pendiente cercana a

1.00 e.so la crtica 0.75 0.90 1.00 0.80 Zona en las faldas de la montaa. Llegada del ro al valle. Cauce formado por guijarros, grava y arena. Corriente tranouila o.so . 0.20 0.90 1.00 0.80 0.75 Zona intermedia. Cauce formado por arena gruesa, media y fina. Corriente tranauila 0.20 0.40 1.00 1.10 0.75 0.70 Zona de planicie. Cauce formado por arena fina a) Ro caudaloso 0.20 0.02 1.10 1.30 0.75 0.70 b) Ro ooco caudaloso 0.20 0.40 1.00 1.10 0.75 0.70

TABLA2.4 VALORESDEA YmPARACAUCESESTABLES

q gasto unitario, en m3/s/m donde

(2.15) Q=VBd

(2.14) V=!L d

aparecen cuatro incgnitas para cada grupo, pero ello se debe a que se han incluido dos ecuaciones adicionales de continuidad

18

Conocidos algunos de los parmetros que intervienen en las ecuaciones de partida, se pueden obtener los valores de otras tres. Si, por ejemplo, se conocen el gasto formativo Q, el transporte de sedimentos que entra al tramo QaT. as como la granulometra del material del fondo y orillas, y se supone que el exponente rn, de la ec 2.9, es igual a O. 70 (valor

El mtodo propuesto toma en cuenta tres ecuaciones: una de friccin (la de Cruickshank- Maza para arenas), una de arrastre y otra que relaciona anchos y pendientes, obtenida en forma emprica de observaciones reales (la de Gluschkov).

Mtodo de Maza y Cruickshank para cauces arenosos

Elemento de clculo (X= 1/5 (X= 1/4 (X= 1/3

Profundidad media, d 0.732V~013 0.685V;' o.56sv: ooos)'?" (1ooos)"3 (1ooos)2 Velocidad media, V 0.939Vj'3 0.909Vj 0.835Vj (1ooos)2'9 (1ooos)113 (1 ooos)2'9

Gasto unitario, q 0.686VJ 0.623V;6 0.41 IV: (1000S}'13 (reoos)" 3 (1ooos)"3 Gasto de agua en un 7.46A'V~ 6.20A2V~2 3.50AV11 , brazo estable, Q (1ooost' (1ooosf'3 (1 ooos)'-13 Pendiente del cauce 0.00192Ao.6S3V116 0.00163A0563Vi2' O.OOl 23A.l'vj's estable, S e= Q0268 QO.IS4 Velocidad media mxima sin que se 6.8SQ"s37 7.40QO.OllJSOJl2 8.4SQ0.09 sm Ao.2 Arn A' produzca erosin, V+

TABLA 2.5 EXPRESIONES PARA EL CLCULO DE CAUCES ESTABLES FORMADOS EN TERRENOS DE ARENA GRUESA A GUIJARROS, CON PARTCULAS DE DIMETRO MAYOR DE 1 mm

19

promedio para cauces arenosos), se obtienen el ancho, el tirante y la pendiente del cauce con estabilidad dinmica. Las ecuaciones que permiten determinar esas variables son:

1 En algunos casos. las frmulas tambin son aplicables a cauces arenosos. Los valores de V se tornan de la tabla 2.3 ya que en las frmulas que aparecen en esta tabla se est tomando en cuenta si se utilizan tirantes diferentes de 1 m.

Variable et= 115 et= 114 et= 1/3 por calcular

Primer problema Datos: Q, V., A

s 0.00192AMSJV:26 0.00163A0~63V:2' 0.00l23AJ1y-u Q320 Q0.26S Q's' B AQv.>gv.< AQ",/s"' AQ,JS' q Q/B Q/B Q/B d (q/V+)''6 (qN+f" (qN,)3'4

Segundo problema Datos: S, V+. A

d 0.732V~O/J 0.685V: 0.565V: (1 ooosYo'9 (1ooos)"3 uooos)' q V +d",, v,d514 V+d"' B A'q/Sv. A'q/S"' A'q/S"' Q q/B q/B q/B

Tercer problema Datos: Q, S, A

o.s 11Q1 (1ooos)0m o.sssQu(1ooos)0312 o. 943Q0'9(1 ooos)'317 V+ A' A~2 A"6 B AQv.>sv' AQ,,ts"' AQ",/s q Q/B Q/B Q/B d (q/ V +)5'6 (q/ V +)419 (q/ V+Y"

TABLA 2.6 FRMULAS DE DISERO PARA CAUCES ESTABLES EN GRAVA O BOLEO 1

20

Segn Blench, las tres ecuaciones de diseo para obtener las caractersticas geomtricas de un canal estable son:

Teora de rgimen. Mtodo de Blench para cauces arenosos o con material cohesivo

En las ecs 2.16 a 2.21, se expresan: B, d, D3; y Dg4 en m; Q y QeT en m3 /s; g en m/s2; (!)so en mis, y ti. no tiene unidades.

La principal ventaja de este mtodo consiste en que permite considerar el gasto slido y, por tanto, conocer las variaciones que sufre la seccin cuando ste es incrementado o reducido debido a alteraciones en la cuenca y obras en los cauces.

(2.21)

(2.20) 0.5D~l8JQOAl1 d , . o.2slgo.on .o.1llK.5Qo.06100.061 i.v-50 o BT JS

(2.19)

Para rgimen superior,

(2.18)

(2.17)

(2.16)

Para rgimen inferior,

21

(2.26) F,, = 1.9.JD

Si el canal arrastra poco sedimento y el fondo es arenoso,

El factor de fondo Fb puede ser valuado mediante las expresiones siguientes:

Los coeficientes de las ecuaciones anteriores obligan a utilizar unidades del sistema mtrico.

(2.25)

Fb factor de fondo, cuyos valores promedio son 0.8 para material fino y 1.2 para grueso

F, factor de orilla, cuyos valores son 1.0 para materiales sueltos, 0.2 para ligeramente cohesivos y 0.3 para cohesivos concentracin del sedimento arrastrado del fondo, en partes por milln ex presa da en peso

K coeficiente igual a

donde

(2.24)

(2.23) ,J ]"3 d=l.01 %' (2.22) [ ]

112

B = 1.81 :,b

22

S. Comisin Federal de Electricidad, "Cap A.2.11 Hidrulica fluvial", Manual de Disefio de Obras Civiles, Mxico, D. F. (1981).

4. Comisin Federal de Electricidad, "Cap A.1.10 Avenidas de diseo", Manual de Diseo de Obras Civiles, Mxico, D. F. ( 1981 ).

3. Comisin Federal de Electricidad, "Cap A.2.9 Escurrimiento a superficie libre", Manual de Diseo de Obras Civiles, Mxico, D. F. (1981).

2. Engelaund, F, "Hydraulic resistance of alluvial streams", Joumal of the Hydraulics Division. ASCE, vol 93, No. HY4, paper4739 (Mar 1966), 315-327.

1. Blench, T, Regimen behavior of channels and rivers, Butterworths Scientific Publications, London (1957), 53-113.

2.4 Referencias

Conviene utilizar el mtodo de Blench en el diseo de canales de riego y en tramos de ros con material fino y cierta cohesin. Se debe tener cuidado cuando su aplicacin se extrapola a cauces naturales o canales con material grueso.

(2.27) Fi, = 1.9.fi5(1 + o.012c,)

Si existe arrastre de sedimentos y el fondo es arenoso,

dimetro medio de las partculas, en mm donde

o

23

8. Secretara de Obras Pblicas, Gaviones metlicos, Departamento de Antioqua, Colombia.

7. Meyer Peter, E and Mller, R, "Formula (or bed-load transport", Reoort on Second Meeting of The lntemational Associaton for Hydraulics Research, Estocolmo, Suecia (1948), pp 39-64.

6. Maza, J A and Cruickshank, C, "Stable channels in alluvion", Proceedings of the lnternational Symposilllll on River Mechanics, Bangkok, Tailandia (Jan 1973), 715- 722.2.

25

El control de las crcavas permite, por ejemplo, rellenarlas a fin de restituirlas al uso agrcola, o semirrellenarlas para favorecer el desarrollo de pastos y despus utilizarlas como desages, o simplemente dar a las crcavas un tratamiento adecuado para estabilizarlas y as evitar su posterior crecimiento.

Los mtodos ms usados para efectuar este control varan de acuerdo con el nmero, localizacin, tamao y pendiente de las crcavas as como de la superficie, topografa, cubierta vegetal existente, condiciones de drenaje y tipo de suelo predominante en la cuenca de captacin.

3. CONTROL DE CRCAVAS

26

Con el uso de las presas de control de azolves, se estabiliza en forma casi total el fondo de las crcavas y se reducen la velocidad del agua y el deterioro en los taludes de las mismas.

B. Decremento de Ja erosin de taludes y fondo de la crcava

Fig 3. 1 Zanjas desviadoras para controlar la erosin aguas arriba de la crcava

1:;, desvlooro /. ....- \

' crcavo estabilizado \.. 1 no estabilizado .:'\ ) ___ ___,, __ .:::.x: ... ~' :::----.._ ---- ~ . -~~

crcovo

Para evitar el crecimiento de la crcava hacia aguas arriba, la prevencin y detencin de la erosin remontante, se pueden lograr al desviar el escurrimiento superficial hacia otros desages, previamente protegidos, mediante el empleo de zanjas derivadoras (ver fig 3.1 ). Otra opcin sera utilizar reas especificas; la ms comn de stas es una rpida, cuyo piso tenga la proteccin de un zampeado de piedra o concreto reforzado (ver fig 3.2).

A. Cabeceo de las tormentas

En los trabajos por desarrollar para el control de las crcavas, se distinguen dos etapas diferentes.

3.1 Etapas de control

27

Las presas de gaviones se emplean para controlar la erosin en crcavas de diferentes tamaos, y como presas filtrantes para regularizar corrientes; se usan siempre y cuando se

3.2.1 Funciones y tipos

3.2 Presas de gaviones

La vida til de las presas de carcter temporal flucta entre 2 y 5 aos, es posible que este tiempo sea suficiente para estabilizar la crcava mediante vegetacin nativa. Las presas de carcter permanente pueden llegar a tener una duracin hasta de 40 o SO aos.

Las presas de control de azolves se construyen con diversos materiales, segn sean de carcter temporal (presas de ramas, de malla de alambre, etc.) o permanente (presas de piedra acomodada, de gaviones, de mampostera, etc.).

Fig 3.2 Cabeceo de una rpida con zampeado de piedra o concreto reforzado

@ Umb

28

En la pared vertical, slo la malla que forma la cresta est expuesta a la abrasin y, por tanto, se debe proteger esa malla; adems, al pie de la cada se puede desarrollar una gran socavacin, ms grande que la producida por los otros tipos. El de pared inclinada se recomienda cuando la altura de la presa vara entre 10 y 15 m. El de escalones inclinados presenta mejor estabilidad y disipa un poco de energia en cada escaln, lo cual implica cierta ventaja pues la profundidad de la socavacin puede ser muy pequea. No se sugiere usar los tipos segundo y tercero si la corriente transporta sedimentos muy pesados, ya que stos pueden llegar a daar la malla de cada uno de los escalones.

Fig 3.3 Presa de gaviones con paramento vertical aguas abajo [5]

Corle A-A Acotocione1, en rn 11.0

Corl 8-B

9,0

----./.

29

Fig 3.4b Presa de gaviones con escafones inclinados y con escafones que forman tanques disipadores [7]

:.; .:::,,, :~:.; =~.!:. } .. ~ .... ;;; :~:~;

':!i~.;:_::;:I; ~~ ?',\'~ajo

Corle 8-8

11.0 . t 3.0

Ptrril orl9lnol dtl terreno

30.0

30

El espaciamiento entre dos presas consecutivas (ver fig 3.6), depende de la pendiente de los sedimentos depositados, de la altura efectiva de las mismas y de la finalidad que se persigue con el tratamiento de las crcavas. Por ejemplo, si se desea retener mucho sedimento, se

Espaciamiento

La altura efectiva puede ser hasta de 5 m o ms, slo que para su diseo se deben considerar los problemas inherentes a la estabilidad de la presa.

Altura efectiva

Geomtrica

El diseo de presas de gaviones requiere determinar las correspondientes dimensiones geomtricas (altura, espaciamiento y empotramiento de la presa), hidrulicas y estructurales (estabilidad al volteo y deslizamiento horizontal, as como del revestimiento del tanque amortiguador, y anlisis de la cimentacin).

3.2.2 Criterio de diseo

Fig 3.5 Presa de gaviones con paramento inclinado aguas abajo [5}

6.0 6.0

Cok:llOne1os Ul\ldo con olmc:looo bltum1noto l\ldrulteo

9.0 13.0 35.0 1.0

Dtnllk)n de concreto

23.35 .... ,' .... : .' :~ .

83.0 1 ji j " 1 j 1 ;. j l j 1 ji j l j 1 j l j l j i j " 1 j 1 j 1 j ij 1 j l j 1 j 1 j l ji j 1 j l j l j 1 ' ':!:::)..

: 26.65 1..:.1 11 I 1 1 ' 1 t 1 1 i 1 1 1 1 ' 1 1 1 1 1 1 1 ' 1 24.50 ttn.ith.ro en 90"'""

31

E distancia entre dos presas consecutivas, en m H altura efectiva de la presa, en m

donde

( 3.1 ) E= ~100 S, -S .

Generalmente, Jos sedimentos retenidos por la presa de control presentan una pendiente, la cual varia de acuerdo con el material sedimentado y la inclinacin geomtrica de la crcava. La pendiente de arenas gruesas mezcladas con grava es de 2 por ciento, para sedimentos de textura media de 1 por ciento y para sedimentos finos limosos-arcillosos de 0.5 por ciento. De esta manera, el espaciamiento entre presas serla

Fig 3.6 Espaciaminto entre presas de gaviones [6]

Pre$0$ Intermedios o de seoundo orden

Perfil de equilibrio de un cauce

A.io1v r1Pido

recomienda emplear presas relativamente altas, espaciadas a distancias ms o menos grandes. Sin embargo, cuando el objetivo es estabilizar la pendiente de la crcava, el espaciamiento y la altura de las presas deben ser menores.

32

La facilidad con que el agua pueda erosionar el lecho del cauce determina la profundidad conveniente para cimentar la obra e impedir que la socavacin se produzca; no es necesario alcanzar un estrato resistente a la compresin, ya que la flexibilidad de la estructura de gaviones admite que la obra pueda sufrir asentamientos provocados por la inestabilidad del terreno de apoyo.

La profundidad de los taludes depende de la posibilidad de derrumbamiento de las mrgenes, y debe ser por lo menos de 1 ru respecto a la lnea ideal (ver fig 3.7). En algunos casos, cuando el material que compone las mrgenes es fcilmente erosionable, adems de profundizar los empotramientos, se requiere construir protecciones marginales aguas arriba de la obra y muros que encaucen la cada de agua y eviten la socavacin de las mrgenes en la proximidad de la presa (ver fig 3.8).

Uno de Jos aspectos que merece particular atencin es el empotramiento de la presa, tanto en el fondo de la crcava como en sus taludes; en el fondo, cuando los escurrimientos que se conducen son relevantes, y en los taludes, para impedir que el agua flanquee la estructura y se produzcan erosiones en stos.

Empotramiento de la presa

Cabe destacar que en la prctica, algunas veces no es necesario ajustarse con rigor al espaciamiento calculado pues cambiando ligeramente la separacin, se puede mejorar la localizacin de las presas al encontrar sitios ms apropiados para construirlas.

Si se cuenta con informacin de la crcava, gasto formativo y tamao de los materiales es posible predecir el perfil de equilibrio del cauce de sta, por ejemplo, con Jos criterios de Blench, Altunin, y Maza y Cruickshank (ver inciso 2.3.2).

S0 pendiente de la crcava, en porcentaje S, pendiente estable del sedimento, vara entre 0.S y 2 por ciento

1

33

Fig 3.8 Presa filtrante de gaviones con muros de encauzamiento [6]

Fig 3. 7 Esquema para determinar la profundidad del empotramiento en la margen de una presa filtrante de gaviones [6]

noturol 8 noulo del tolod del te.rreno

h

34

El escurrimiento de una cuenca puede considerarse compuesto por dos partes, un flujo base, el cual proviene del escurrimiento subterrneo y un escurrimiento directo, que es producido por la lluvia en exceso.

En cuencas pequeas, los gastos mximos son causados principalmente por lluvias de corta duracin. Una parte de la precipitacin se pierde a travs del proceso de intercepcin, evapotranspiracin e infiltracin. La parte restante, que de manera eventual llega a ser escurrimiento, es conocida como la lluvia en exceso. La proporcin de la 11 uvia en exceso respecto a la precipitacin total depende de los factores climatolgicos y de los aspectos fsicos como son la condicin de humedad del suelo, el tipo de superficie del suelo y subsuelo, y la clase de vegetacin.

Una cuenca pequea se puede definir como aqulla cuyo escurrimiento es sensible a lluvias de alta intensidad y corta duracin, y donde predominan las caractersticas fsicas del suelo con respecto al cauce. Con base a esta definicin, el tamao de una cuenca pequea puede variar desde unas pocas hectreas hasta un lmite que para propsitos prcticos Chow considera de 250 km2

Para una cuenca pequea, la forma y cantidad del escurrimiento estn influidas sobre todo por las condiciones fisicas del suelo; por tanto, el estudio hidrolgico debe darle ms atencin a la cuenca propia. Para una cuenca grande, el efecto de almacenaje del cauce es importante, por lo cual hay que revisar cuidadosamente las caractersticas del mismo.

En el desarrollo de los proyectos relacionados con presas construidas en crcavas, uno de los principales problemas corresponde a la planeacin y diseo del vertedor, los cuales afectan mucho la economa y posibilidad fsica de un proyecto.

Vertedor alojado en la presa

' Hidrulico

35

A,, rea hidrulica sobre el vertedor, en m2 g aceleracin de la gravedad, en m/s2 B ancho de la superficie libre del agua sobre el vertedor, en m

donde

( 3.3)

Cuando el vertedor no es rectangular, sino que tiene, por ejemplo, seccin trapecial o parablica (ver fig. 3.9), la relacin entre el gasto y la carga Jdrulica se obtiene por la formacin del estado crtico sobre el vertedor, la cual est dada por

Q gasto mximo, en m3/s C coeficiente de descarga, en m112/s; para un vertedor de cresta ancha es igual a

1 .45 si la relacin e/H = 1 O L longitud del vertedor, en m e espesor del vertedor, en m H carga hidrulica, en m

donde

( 3.2) Q=CLH312

Los vertedores rectangulares de las presas de control se consideran del tipo de cresta ancha y, por tanto, la descarga correspondiente, se calcula con la ecuacin siguiente:

En la literatura especializada sobre el tema, el mtodo de Chow permite evaluar el gasto mximo en cuencas pequeas para determinado periodo de retomo, mientras que el de f-Pai-Wu sirve para calcular el gasto mximo, y su hidrograma correspondiente. En Springall (1967), se presentan ambos mtodos, cmo fueron deducidos y se analizan sus respectivas ventajas y limitaciones.

36

Rand (1955), con base en sus propios resultados, as como en los datos experimentales de Bakhmeteff y Feodoroff (1943) y de Moore (J 943), propone que la geometra del flujo en

Caractersticas generales del flujo

Para proteger el fondo de la crcava inmediatamente aguas abajo de la estructura contra los efectos erosivos producidos por la cada de agua que pasa sobre el vertedor, se usa la platea, que consiste en un revestimiento con piedra acomodada o con el material empleado en la construccin de la presa.

Tanque amortiguador (platea)

En el caso de que exista arrastre de material slido, se emplea sobre la cresta vertedora algn tipo de revestimiento, como es, por ejemplo, la madera o el concreto, para que el escurrimiento no destruya la estructura del gavin.

ramas, etc.

Como prctica comn, se da un bordo libre a la altura del vertedor para prever las posibles obstrucciones debidas a materiales que pudiera arrastrar la corriente, por ejemplo: troncos,

Fig 3.9 Vertedores de secciones trapecial y parablica {5}

Acotoc.lon.11 en m 17.0 9.0

37

nmero de cada o de Dodiah, adimensional gasto unitario, en m3 /s/m aceleracin de la gravedad, ea m/s2 altura de caida de la presa o del salto, en ro longitud del foso al pie de la cada, en m tirante al pie de la estructura, en ro conjugado menor en la base de la caida profundidad del remanso, en m

( 3.8) Y2 = l.66D~21 he

( 3.7)

( 3.6) y

i:_ = 1.000:22 h,

( 3.5)

donde De q g lle Ld Yp y, Y2

con las relaciones geomtricas

( 3.4) 2

D s: e hl ge

las estructuras de cada se puede describir en funcin de un parmetro adimensional, denominado nmero de cada, el cual se define como

38

Se forma un resalto hidrulico ahogado; de esta manera aguas arriba y abajo del punto de calda, se tienen verdaderos colchones de agua. Para obtener este tipo de flujo, se debe

En estas condiciones, no se forma un verdadero colchn aguas abajo del punto de cada; sin embargo, aguas arriba de este punto, se constituye un colchn de agua de espesor Y P creado en la zona de cada del chorro de tirante Yco

Las condiciones del flujo en el foso se clasifican en tres tipos diferentes, de acuerdo con el tirante del remanso aguas abajo Y, (ver fig. 3.11).

Condiciones del flujo en funcin del tirante aguas abajo

La longitud del foso de disipacin Le es funcin de Ja trayectoria del chorro y de la longitud del resalto hidrulico libre L, = 6.9 (Y2- Y1); as, Le= Ld + L,.

Fig 3.1 O Geometra del flujo en las estructuras de cada {5]

q,__ t o = _q __

e qnc

Las ecuaciones anteriores son aplicables al caso particular de no erosin al pie de la estructura (ver fig 3. 1 O).

39

El clculo de la profundidad mxima de socavacin que es funcin de la geometra de la estructura, de la altura de cada del chorro de agua, es decir, de la diferencia entre el nivel de aguas mximas y el del remanso al pie de la obra, del flujo (del gasto unitario, del tirante

Socavacin

Fig 3.11 Condiciones del.flujo en el foso disipador, en funcin de Yb [2)

\ \ \ \ -- ...... ...---- \ \ / ,_ ' vb ( \ Yp / 1 ' \ 1 - yb Ye ( ' 1 1

40

Fig 3.12 Presa de gaviones con pared vertical y sin cono-apresa {5 J

Ys=f3-fb Ho= zo- Zz

Perfil dt mJlmo erosin del couce Pra de 90v Ol"leS

L/n.c:J ~ tnerQO

Superficie orioinaj del terreno ---- _L_ _

Perfil di kl superficie dtl OQllO

Y, profundidad del cono de socavacin, en m H0 distancia entre el nivel de aguas mximas y el del remanso al pie de Ja

estructura, en m q gasto unitario, en m3/s/m 090 dimetro de la particula por debajo del cual queda el 90 por ciento de la

muestra de suelo en peso, en mm

donde

(3.9)

Un criterio para determinar la profundidad mxima de socavacin es el propuesto por Schoklitsch (ver fig 3.12), que est dada por:

al pie de la estructura y el nivel del remanso) y del tipo de material (suelo compacto, o no cohesivo, o rocoso fracturado), permite definir la pertinencia de construir la platea.

41

Fig 3. J 3 Presa de gaviones con pared vertical y contrapresa [5]

Perfil original del ferre.no Foso de dhipoc:It\ Rtll....o orllfielol

Perfil orlolMI del ft.rrtno Fos.o dt disipaetn

~ ... ~:~~. .: ... , .

Perfil de lo superficie 61:1 oouo

Cuando se considera que la socavacin al pie de Ja estructura pone en peligro la estabilidad de la obra, se reviste el tanque amortiguador (ver fig 3.13), que puede o no estar influenciado por el remanso aguas abajo.

Otros criterios pueden ser consultados en la literatura especializada y aplicables en funcin de los datos disponibles

La profundidad de socavacin Y; se reduce conforme la profundidad del remanso Y, aumenta, Jo cual se logra colocando un contradique aguas abajo.

42

Y1 conjugado menor, en m Fr1 nmero de Froude, adimensional V 1 velocidad del flujo asociada al conjugado menor, en m/s

donde

(3.llb)

(3.lla)

Para el caso particular de una seccin prismtica rectangular, el conjugado mayor Y 2 se determina a partir del menor con las ecuaciones

P altura del colchn, en m Y2 conjugado mayor, en m Y b tirante normal o de remanso del cauce, en m

donde

( 3.1 o)

Como el nivel de la superficie libre del agua debe ser el mismo tanto en el tanque amortiguador como en el cauce natural del ro inmediatamente despus del tanque, en forma preliminar Ja elevacin del fondo del tanque ser igual al umbral de la descarga ms el tirante normal en el cauce (al no disponer de la curva de remanso de la crcava) menos el conjugado mayor Y 2, este clculo se debe afinar aplicando Ja ecuacin de la energa. La altura del colchn inicialmente estara dada por

Elevacin del piso del tanque

43

Entre las fuerzas que de manera general actan sobre la presa de gaviones (ver fig 3.14a), destacan: el peso propio, Ja presin hidrosttica, la subpresin, el empuje de sedimento o azolve, las fuerzas ssmicas, el peso del agua sobre el paramento aguas abajo, la presin negativa entre el manto de agua y dicho paramento, el rozamiento del agua con el paramento de descarga, el choque de las olas y cuerpos flotantes, la presin del hielo o del lirio acutico, as como la reaccin del terreno. A continuacin se analizan algunas de stas fuerzas, mientras que otras se describirn en el captulo S en el cual tambin se tratar el

Las presas de gaviones pueden o no contar con un elemento impermeabilizante, constituido por un respaldo de material compactado, que sirve para aumentar la longitud de paso de filtracin de stas. Cuando la presa no dispone del respaldo y los materiales que arrastra la crcava son permeables, Ja presa trabaja como dique filtrante; en caso contrario, permite almacenar agua para usos rurales mltiples.

Estabilidad de la presa

11< altura de la presa, en m Y e tirante critico, en m V e velocidad crtica, en mis Z:h prdida de energa que, por lo general, se considera despreciable, en m

donde

(3.12b) -(q )"3 Y,- g (3.12a) V2 V:2 h +Y +-'-=Y. +-'-+L,h < ? 1 2 _g g

Para conocer el tirante Y 1, se establece la ecuacin de la energa entre la cresta vertedora de la estructura (seccin de control) y al pie de Ja misma

44

( 3.13)

Si la condicin de estabilidad corresponde al derrame con el gasto mximo de diseo, del diagrama de presiones se tiene que

Cuando el paramento de aguas arriba no es vertical, el empuje del agua que acta normal a ese paramento se descompone para efectos del clculo en dos componentes, uno horizontal y el otro vertical, este ltimo es igual al peso de la cua de agua; si el paramento es vertical, se elimina este peso.

Se considera la presin del agua que acta sobre el paramento aguas arriba de la cortina.

a. Presin hidrosttica, aguas arriba

Fig 3.14a Fuerzas actuantes en la presa de gaviones [5]

Perfil ori9inol dtl terreno

Proteoc in dt contteto

Gtote11.ti 1 o membrana impermtoblt

Perfl or'oinal del terrtl'IO

anlisis de estabilidad de la presa de gaviones por volteo, deslizamiento y esfuerzos transmitidos al terreno.

45

Sw subpresin del agua, en kg/m Yw peso especifico del agua turbia, en kgf/m3

donde

( 3.1 s )

Si se admite una distribucin hidrosttica de la presin sobre las paredes aguas arriba y abajo, la subpresin Sw es la resultante del diagrama trapecial de presiones, con valores extremos h, y hs,

Para determinar su valor en la cimentacin de la presa, se debe estudiar primero la longitud de paso de filtracin y las medidas tendientes a disminuir el valor de la subpresin.

Es una presin debida al agua de filtracin que acta en la cimentacin de la cortina en sentido vertical ascendente, por tanto, es desfavorable a la estabilidad de la cortina.

b. Subpresin

Ew empuje del agua, en kg/m Yw peso especfico del agua turbia, en kgffm3; varia entre l 000 y 1100 kgf/rn3 h; alturas, en m (ver fg 3.!4a) Y punto de aplicacin del empuje del agua, en m

donde

(3.14)

El punto de aplicacin de este empuje se localiza en el centroide del diagrama trapecial, es decir,

46

( 3.17) Q1 =kiA

El gasto de filtracin se vala a partir de la ley de Darcy como

Las filtraciones en una cortina dependen fundamentalmente de la carga hidrulica que las origina y de las caractersticas fiscas de los materiales por donde el agua efecta el recorrido de filtracin. Cuando la velocidad del agua filtrada llega a ser suficiente para lavar o arrastrar los materiales de la cimentacin, se origina la tubificacin, la cual produce asentamientos, disloques, etc, que afectan la estabilidad de la estructura.

BI punto de aplicacin de este empuje se ubica en el centroide del diagrama trapecial.

Ew empuje del agua, en kg/m Yw peso especfico del agua, en kgtYm3 h; alturas, en m (ver fig 3. l 4a)

donde

( 3.16)

Para la condicin de gasto mximo de diseo, del diagrama de presiones se obtiene que

c. Presin hidrosttica aguas abajo

BI punto de aplicacin de este empuje se localiza en el centroide del diagrama trapecial de la subpesin.

h; alturas, en m (ver fig 3. l 4a) B ancho de la seccin longitudinal del gavin (ver fig 3. J 4a), en m

47

Ym peso especfico del suelo saturado, en kgf/m3 y, peso especfico del suelo, en kgf/m3 n porosidad del suelo, adimensional

donde

(3.18) r . =y,(1-n)+nr ..

El valor del peso del suelo sobre los escalones P, (ver fig 3.14a), se calcula multiplicando el volumen de la figura por el peso especifico del suelo; este ltimo est dado por

e. Peso del suelo

El peso del agua sobre el paramento aguas arriba, ya sea este inclinado o escalonado favorece la estabiJidad de la cortina. Su valor est dado por el peso de la cua de agua, es decir, ser el volumen de la cua multiplicado por el peso especifico del agua, y se aplicar en el centro de gravedad de la figura geomtrica que se define, como se muestra en la fig 3. l 4a. Este peso se divide en dos: uno sobre la cresta y otro sobre los escalones.

d. Peso del agua

Para aumentar la longitud de la filtracin, se emplean plateas y tapetes de arcilla compactada, as como membranas impermeables (ver fig 3.14a).

Qr gasto de filtracin por la cimentacin, en m3/s k coeficiente de permeabilidad para la cimentacin, en mis

pendiente hidrulica, adimensional A rea de la cimentacin, en m2

donde

48

Esta fuerza representa el peso propio de la estructura formada por gaviones. Se puede dividir en dos partes: una corresponde al peso de los gaviones parcialmente sumergidos P s; la otra al peso de los gaviones totalmente saturados Pgi (ver fig 3.14a). Debido a lo anterior, para calcular cada uno de los pesos mencionados, hay que usar el peso especifico que representa cada una de las condiciones sealadas. En el primer caso, el peso especfico yg1 se determina con ayuda del y,' del tamao de las piedras y la fig 3.14b; en el segundo caso, el peso especfico g1 se obtiene mediante la ecuacin

g. Peso de los gaviones

El punto de aplicacin de los empujes E.1 y E.2 est localizado a (h2+hJ)/3 y h;/3, respectivamente.

Ym peso especifico del suelo sumergido, en kgf/m3 (f) ngulo de friccin interna del suelo, en grados K,, coeficiente activo de presin de tierras

donde

(3.22)

(3.21) r~ =(r. -r.X1-n)

(3.20)

(3.19)

El empuje activo de tierras E, que acta aguas arriba y abajo (ver fig 3. l4a), vale

f. Empuje activo del terreno

49

En Ja tabla siguiente, se sealan los pesos especficos de los ms comunes tipos de roca empleados para llenar los gaviones, segn Gaviones Lemac ellos valen

Estos dos pesos actan en el centro de gravedad de la figura geomtrica definida por Ja estructura.

En este caso, Ja porosidad de dicho material (n) vale aproximadamente 0.3.

Fig 3. / 4b Peso especfico )'1 la condicin de gaviones parcialmente sumergidos [5]

2500 3000 3500 Ys, en kg f/m3

2000 1500

1500

20-30cm

10-20 cm

a> ~ s 2000

15-25 cm "'~ 2500 . .....

* Tomoo de lo piedra n Poros i dod

1000

donde y,' es el peso especifico del material con el que se llenan los gaviones, en kgf/m3

(3.23)

50

El diseo hidrulico de los vertedores alojados en la parte central de los muros de contencin debe tomar en cuenta lo siguiente:

Los vertedores hechos con gaviones tienen dos ventajas: su flexibilidad y permeabilidad; la primera posibilita que el gavin se acomode a una nueva circunstancia si se presenta socavacin; la segunda permite que el agua penetre en el gavin cuando la pared aguas arriba no est sellada; esto reduce el volumen de agua que pasa sobre la cresta y, por tanto, solo se necesita dar una pequea proteccin aguas abajo para prevenir la socavacin al pie de la cada.

El vertedor alojado en la parte central de la presa de retencin constituida por gaviones, se construye a lo ancho del cauce con diversos propsitos, entre los que destacan: controlar la erosin del suelo, reducir los daos por inundacin, retener sedimento, realizar mediciones, recargar el agua subterrnea y elevar el nivel del flujo aguas arriba del vertedor; en este ltimo caso, los vertedores ayudan a formar pequeos almacenamientos, tomas de estaciones de bombeo y canales de navegacin, as como a disminuir la pendiente hidrulica pues reducen la socavacin del fondo y provocan deposicin del material.

3.3 Recomendaciones de diseo

Roca y,, en kgflm3 Roca y,, en kgf/m3

Basalto 2900 a 3000 Andesita 2700 Granito 2600 a 2700 Concreto partido 2400 Caliza dura 2500 a 2600 Arenisca 2200 a 2300 Ladrillo 2000 Caliza porosa 2200 Toba 1700

51

1. Estabilidad de la estructura ante el volteo y el deslizamiento.

El diseo estructural de los vertedores debe considerar Lo siguiente:

c. Control de la infiltracin y prevencin de la socavacin La infiltracin a travs de los cimientos del muro de retencin debe ser lo mas pequea posible, para prevenir que la estructura del vertedor llegue a ser socavada. La velocidad de la infiltracin debe impedir que las partculas ms chicas de la cimentacin sean arrastradas muy lejos. La socavacin de la estructura del vertedor se puede evitar mediante un muro impermeable bajo el vertedor y en los lados de la obra; si la construccin del muro es imposible o poco conveniente por razones econmicas y/o tcnicas, se puede recurrir a otros mtodos de control, por ejemplo, colocar grava o telas de material sinttico (llamadas geotextil) debajo de la estructura.

b. Diseo del foso de disipacin y control de la socavacin aguas debajo de la estructura El foso de disipacin se puede disear de manera natural, es decir, dejar que las descargas lo formen. Para reducir la socavacin, se puede construir un estanque de agua mediante un vertedor secundario, o colocar gaviones sobre el fondo del ro, o emplear una platea de gaviones que est abajo del nivel original del ro. La cimentacin de la presa debe ser ms profunda que el valor de la mxima socavacin esperada. Como material de relleno de los gaviones que formen la platea, se sugiere usar piedras de 20 a 30 cm y preferiblemente redondeadas. Se deben proteger los taludes adyacentes al vertedor, por ejemplo, con enrocamiento. Si las avenidas transportan material pesado del fondo, se recomienda utilizar una doble capa de gaviones para proteger el fondo.

a. Diseo de la cresta Para mantener el gasto mximo en el centro del ro, la seccin transversal puede ser rectangular, trapecial o curva. En corrientes pequeas, la cresta puede ir de orilla a orilla o bien puede ser curva, esto ltimo ocasionara tener mayor longitud de cresta. La malla de la cresta se puede proteger con madera, concreto o ngulo de hierro; el concreto puede daarse si la estructura del vertedor sufre asentamientos,

52

S se necesita ms de un vertedor, el espaciamiento E entre las presas est dado por la ec 3.1, donde H es la carga de agua sobre el vertedor, en m, y se recomienda que dicha carga no sea mayor de 0.90 m; Se es la pendiente original del cauce, y S, la pendiente del agua sobre el vertedor, ambas ea porcentaje.

Cuando ocurren problemas de erosin a lo largo de un cauce, se requiere construir presas con vertedores o cadas de agua que sirvan para disminuir las pendientes y propiciar la sedimentacin del material.

Investigadores de la Universidad de regon {1984) han realizado ensayes con vertedores cuya cresta, vista en planta, tiene forma triangular, con el vrtice orientado hacia aguas arriba o aguas abajo (ver fig 3.14a), y diferentes ngulos del vrtice. A partir de pruebas de laboratorio y campo, ellos encontraron que se presenta socavacin en el centro del canal cuando la cresta estaba orientada hacia aguas arriba, y se socavaba cada lado del canal con la otra orientacin; en este ltimo caso, haba que proteger los lados del canal. La cresta triangular orientada hacia aguas arriba produca una socavacin mucho mayor que la provocada con un vertedor con cresta recta, donde el foso disipador no es profundo sino somero y cubre todo el ancho del canal.

Para los gaviones que contengan piedras, la masa de la malla es despreciable comparada con la del material de relleno. El empuje horizontal que acta sobre Ja estructura est compuesto por las fuerzas debidas a las presiones hidrostticas y del suelo. Las fuerzas de sustentacin ejercidas sobre el vertedor, los escalones y la platea del foso disipador se deben incluir en el anlisis.

3. Presiones actuantes sobre la estructura del vertedor y su cimentacin.

2. Equilibrio en el fondo del foso disipador ante la sustentacin.

53

Fig 3. 15 Esquema de una presa con tanque amortiguador sin revestir y sin contrapresa [5}

A.co1ocione"1, en m Corte B-B ......

5.0

4.0

?.O

5,0

Corte A-A

Para controlar la erosin de una crcava, se requiere construir una presa de gaviones de 4 m de altura a partir del fondo del cauce y enterrada 1.0 m; el cauce arrastra arena gruesa mezclada con grava, tiene una pendiente longitudinal de O.O 1.5, y conduce un gasto de 20 m'/s; el ancho de la crcava es de 20 m (ver fig 3.15) y n = 0.020. Se propone usar un vertedor rectangular con longitud de 7.0 m, ubicado en el centro de la presa.

3.4 Aplicacin

Cuando la presa se emplea para disminuir pendientes muy inclinadas, se recomienda construir un estanque de agua, aguas abajo de sta, lo cual se logra al realizar otra presa de menor altura. En este caso, se deben proteger las orillas con gaviones para impedir la erosin lateral.

El vertedor de la presa se debe desplantar sobre una cimentacin hecha con gaviones, para evitar que la erosin lo socave.

Se aconseja proteger la cara aguas arriba del vertedor con un geotextil permeable; esca proteccin debe ser tan fina que evite el paso del material, pero con suficiente permeabilidad para que permita el paso del agua, si se cumple lo mencionado, se logra reducir el asentamiento y, por tanto, un posible dao a la estructura.

.54

Al sustituir Q = 20 m'/s, y g = 9.81 m/s1 en la ecuacin anterior, el trmino de la izquierda es igual a 40.77; con el trmino de la derecha, se determinan, por aproximaciones sucesivas, y tomando en cuenta que la seccin del cauce es rectangular con ancho b = B = 20 rn, un tirante para flujo critico de 0.47 m y un rea hidrulica de 9.34 m'. La velocidad crtica Ve es de 2.14 mis.

Q A =- g B

Con la ec 3 .3, se deternna el tirante para flujo crtico

Al sustituir Q = 20 m'/s, n = 0.020 y S = 0.015 en la ecuacin anterior, el trmino de la izquierda es igual a 3.266; con el trmino de la derecha, se obtienen, por aproximaciones sucesivas y considerando que la seccin del cauce es rectangular con ancho b = 20.0 m, un tirante para el flujo uniforme de 0.32 m y un rea hidrulica de 6.4 m2 La velocidad del flujo V es de 3.125 mis. b). Flujo critico

Qn - AR213 S1/2 - N

En el clculo del tirante para flujo uniforme, se utilizan la frmula de Manning (ec 2.1) y la de continuidad Q =VA. De esta manera se tiene que

a) Flujo uniforme

A. l En la crcava

A. Diseo hidrulico

55

a) Caractersticas generales del flujo

A.3 Del tanque amortiguador

Si se llega a llenar Ja presa con el material erosionado de la cuenca, habr que calcular el perfil hidrulico aguas arriba de dicha estructura, aplicando el teorema de Bernoulli, y as definir la sobrelevacin de la presa con objeto de que el flujo se confine y su energa se disipe en el tanque.

Con fines constructivos, se puede tomar en cuenta un bordo libre de 0.43 m, para poder formar con gaviones de 1 m, la altura del vertedor de 2 m.

b) Bordo libre

[ 20 ]21' H = -;;r;:;\( = 1.57m 145\7)

Al considerar una longitud de cresta igual a 7.0 m, un gasto de 20 m'/s y un coeficiente de descarga de 1.45, se obtiene

-[ Q ]213 H- - CL

Con la ec 3 .2, se tiene que

a) Carga hidrulica

A. 2 Del vertedor

El lujo en la crcava est en rgimen supercr!tico al ser la velocidad del flujo, V = 3.125 mis, mayor que la critica, V e de 2.14 mis.

56

La profundidad mxima de socavacin definida con el criterio de Schoklitsch, est dada por la ec 3.9

b) Socavacin, sin contradique y sin revestimiento

En la fig 3.15 se muestran las caractersticas generales del flujo con tanque amortiguador sin revestir y sin contradique.

Ld = 4.30 he DeO.l? = 4.30 (4) (0.013)-27 = 5.325 m Yp = 1.00 he De22 = 1.00 (4) (0.013)022 = 1.539 m Y 1 = 0.54 he D0425 = 0.54 ( 4) (O.O l 3)M25 = 0.341 m Y 2 = 1.66 he D027 = 1.66 (4) (O.O 13)27 = 2.056 m

Una vez calculado De la geometra del flujo en la estructura de cada Ld, Y P Y 1 y Y 2, ecs 3.5 a 3.8 aplicables al caso particular de no erosin al pie de la obra (ver fig 3.10), seria

0.013 o = (wr e 9.81(4)3

con L = 7 m (determinada en el inciso A2), Q = 20 m3/s (dato), he= 4 m (dato) y q = Q/L, se tiene

ql D =- h) g e

En funcin del nmero de cada De definido por la ec 3.4 como

57

El conjugado mayor Y 2 se determina a partir del conjugado menor con las ecs 3.11 a y b

Al sustituir los valores anteriores, el lado izquierdo de la ec 3.12a es igual a 5.411 m; mientras que el trmino de la derecha se cumple para Y1 = 0.098 m y V= 10.204 mis, considerando que la seccin del cauce tiene 20 m de ancho.

~ 202 yl

Y, = ( )' = 0.941; V, = 20/(7)}.94 I = 3.038 mis; -' = 0.470 m; h, = 4.0 m 9.811- 2g

Sobre la cresta del vertedor rectangular, se presenta un tirante igual a

y2 y2 h, +Y,+-' =Y, +-1 + > 2g 2g

A 1 establecer la ecuacin de la energa ( ec 3 .12 a), entre la cresta vertedora de la estructura (seccin central) y al pie de la misma, despreciando las prdidas, se tiene que

e) Elevacin del contradique

De acuerdo con el valor de Y, obtenido, la socavacin es considerable; por tanto, se requiere revestir el foso disipador de energa, o sea, construir un tanque amortiguador con un umbral en el extremo aguas abajo para que ah se forme el remanso del flujo.

Al sustituir H,, = 4.0 + l .57 - 0.32 = 5.25 m (de la fig 3.15), q = (20/7) = 2.8571 m3/s/m (calculado) y 090 = 100 mm (dato)

58

Con H0 = 4.00 + 1.57 - 0.47-0.50 = 4.60 m (ver fig 3.16), q = 2.8571 m3/s/m (calculado), y 090 = 100 mm (dato), al sustituir en la ec 3.9 se llega a

d) Socavacin con contradique y sin revestir

Fig 3.16 Esquema de una presa con tanque amortiguador y contrapresa [5]

14.267 1 . 6.0

1.57

1.0

5.0

La altura del colchn estara dada por Ja ec 3.10, es decir, P = Y2- Yb; por tanto, P = 1.394 - 0.32 = 1.074 m. Para no profundizar el tanque, en Ja salida del mismo, se coloca un contradique que tenga una altura sobre el terreno natural de P = Y2 - Ye= 1.394 - 0.47 = 0.924 m (ver fig 3.16).

donde V1 = 10.407 mis, g = 9.81 m./s2y Y1 = 0.098 m; as que Fr1 = 10.407. Sustituyendo valores en la ec 3.11 a,

59

Al derramar el gasto mximo de diseo del diagrama de presiones, se obtiene el empuje del agua sobre la estructura (ec 3.13)

a) Presin hidrosttica aguas arriba

B. l Fuerzas hidrulicas actuantes

B. Diseo estructural

Fig 3.17 Esquema de una presa con tanque amortiguador revestido [5]

12.01 3.0 14.267 6.0

1.57

5.0

Para no permitir que se produzca la socavacin calculada antes, Y = 2.686 m, es necesario revestir el tanque con los mismos gavones (ver fig 3.17).

e) Tanque revestido

La longitud del foso es funcin de la trayectoria del chorro Ld = 5.325 m (valor calculado) y de la longitud del resalto hidrulico L, = 6.9 (Y2 - Y1) = 6.9 (1.394- 0.098) = 8.942 m, es decir, Le= L.i + L, = 5.325 + 8.942; por tanto, Le= 14.267 m (ver fig 3.16).

60

Y=3.012m

y (3.0 + 2.0)[2(1.57 + 3.0+ 2.0)+ 1.57] 3 2(1.57)+ 3.0 + 2.0

El punto de aplicacin de este empuje se localiza de acuerdo con la ec 3. 14 en

Fig 3. 18 Fuerzas hidrulicas actuantes [5 J

Acotociones, tn m

1.0 E, 5.0

1.0

h4 1.539 h,::2.00

1 4.0 1

e; = !_ 1000 2(!.57)+ 3.00 + 2 (3.00+ 2.00)=20350 kgflm 2 2 3 .18), al sustituir valores, se obtiene Si r w = 1000 ~gf/m3 (para agua limpia), h = 1.57 m, h2 = 3.00 m y h, = 2.00 m (ver fig

61

Para la condicin de gasto mximo de diseo, Ja presin hidrosttica aguas abajo se obtiene al aplicar la ec 3.16

d) Presin hidrosttica aguas abajo

El punto de aplicacin de este empuje se localiza, segn la fig 3.18, en el centroidc del lugar geomtrico que vale 5. 00 m, medidos a partir del punto F hacia arriba

P.n = 2(0.94)1000=1880 kgflm

El peso del agua ser igual al rea definida por el lugar geomtrico (ver fig 3.18), multiplicada por el peso especifico del agua Y es decir,

e) Peso del agua sobre los escalones

El punto de aplicacin de este empuje se ubica, de acuerdo con Ja fig 3.18, a partir del punto F hacia arriba

P,,,1 =0.94(4)1000=3760kgflm

El peso del agua ser igual al rea del lugar geomtrico (ver fig 3.18), multiplicada por el peso especfico del agua r w, es decir,

b) Peso del agua sobre el vertedor

El valor de Y se mide por arriba del plano EF

62

El anlisis de estabilidad de la presa de gaviones se realiza de manera anloga a la que se describe en el capitulo 5 para el caso particular de los muros de retencin, al tomar en

B.2 Anlisis de estabilidad

El punto de aplicacin de este empuje se localiza, de acuerdo con la fig 3.18, en el centroide del diagrama trapecial de la presin, igual a 3.30 m medidos del punto F hacia la izquierda.

s; =!...(1000X157 +3.0+2.00+1.539+ 2.00}5.oo =5054.5 kgflm 2

Para r w = 1 000 kgf/m3, h1 = 1.57 m, h2 = 3.00 m, h3 = 2.00 rn, 114 = 1.539 rn, hs = 2.00 m y B = 6.00 m (ver fig 3.18), se tiene que

El valor de Ja subpresin est dado por la ec 3.15

e) Subpresin del agua

3539=1.18 rn por arriba del plano EF. 3 y= h, +hj

3

El punto de aplicacin de este empuje se ubica en el centroide del diagrama de presiones

Ew = (1000X3.539}1 =6.262.26 kgflm 2

valores Como r w = 1 000 kgf/m3 (dato), hi = 1.539 m y h, = 2.00 m (ver fig 3.18), sustituyendo

63

J. Bank.hmeteff, A and Feodoroff, V, "Discussion of energy loss at te base of the overall", by Moore, W, Transaction American Society of Civil Engineers, vol 108 (1943), 1364-1373.

2. Camargo, J, Franco, V y Guido, S, Socavacin al pie de las cubetas de lanzamiento. Formulacin terica, Proyecto 1318, Instituto de logeniera, UNAM, Mxico, D.F. (1992).

3. Chow, V T, Open Channel Hydraulics. McGraw HiIJ, New York (1959). 4. Chow, V T, "Hidraulic deterrnination of waterway areas for the design of drainage

structures in small drainage basins", Bulletin No. 462, University of Ulinois (1962). 5. Maccaferri Gabioes Do Brasil LTDA, ''Diques Flexibles" (1981). 6. Gaviones Lemac, S.A., "Principales caractersticas y aplicaciones del Gavin

Lemac", Mxico. 7. Klingeman, P et fil, "Streambank erosion protection and channel scour manipulation

using rockfll dikes and gabions", Water Resources Research lnstitute, Oregon Stare University, USA (Sep 1984).

8. Comisin Federal de Electricidad, "Cap A.2.11 Hidrulica fluvial", Manual de Diseo de Obras Civiles, Mxico, D.F. (1981 ).

9. Moore, L, "Energy loss at the base of a free overall", Transaction American Society ofCivilEngineers, vol 108 (1943), 1343-1360.

1 O. Rand, W, "Flow geornetry at straight drop spillways", Proceedine:s American Society of Civil Engineers. vol 81, paper 791, (Sep 195 5), 1-13.

3.5 Referencias

cuenta las fuerzas hidrulicas actuantes obtenidas en el subcap 3.4, B. l y el empuje activo del terreno, tanto aguas arriba como aguas abajo de la presa, y el peso de la estructura (ver fig 3.14a).

64

11. Secretara de Obras Pblicas, "Gaviones metlicos", Departamento de Antioqua, Colombia.

12. Springall, R, Drenaje en cuencas pequeas, Series del Instituto de Ingeniera, UNAM, No. 143, Mxico, D.F. (1967).

13. Velasco, O, "Presas de derivacin", Plan Nacional de Obras Hidrulicas para el Desarrollo Rural, Secretarla de Agricultura y Recursos Hidrulicos (SARH), Mxico, D.F. (Nov 1976).

65

Algunas diferencias entre estos dos tipos de obras consisten en que los recubrimientos marginales eliminan por completo los corrimientos laterales de las orillas, tanto en tramos rectos como en las curvas ms forzadas, o fijan totalmente las mrgenes; mientras que los espigones, enseguida de su construccin, permiten que Ja orilla entre ellos se pueda erosionar de manera ligera. Por otro lado, Jos recubrimientos marginales son ms costosos y requieren mayor cuidado en su proyecto y construccin. Adems, Ja falla de una parte del recubrimiento marginal se puede extender y destruir toda la obra, sobre todo si la avenida dura varios das. En cambio, uno o dos espigones socavados en sus extremos o destruidos o

Para evitar o reducir la erosin lateral que se presenta en las mrgenes de los ros, y con mayor frecuencia en las orillas exteriores de las curvas, se pueden utilizar, por ejemplo, espigones y recubrimientos marginales (ver fig 4.l).

4. 1 Imroduccin

4. ESTABILIDAD Y RECTIFICACIN DE CAUCES

66

Los datos necesarios para dimensionar los espigones son: la topografa y la batimetra del ro en la zona por proteger; las secciones transversales a lo largo de las orillas que sern

4.2.1 Datos para diseo

Los espigones son estructuras interpuestas en la corriente, que tienen uno de sus extremos unido a la margen. Sirven para alejar de la oriUa las lineas de flujo con alta velocidad y evitar as que el material de la margen pueda ser transportado y sta se erosione. Adems, los espigones facilitan que el sedimento se deposite entre stos, con lo cual se logra una proteccin adicional de la orilla.

4.2 Espigones

Fig 4.1 Obras de proteccin marginal [7}

EsplQn Recubrimiento morolnol

Las principales desventajas de los espigones son que stos disminuyen el rea hidrulica, aumentan la rugosidad de las oriUas y no se pueden utilizar en curvas con radio de curvatura muy reducido (forzado).

separados de la margen no impiden el funcionamiento de la obra en su conjunto. Por ltimo, el costo del mantenimiento de los espigones disminuye con el tiempo.

67

Cuando se trata de rectificar un tramo de ro o defender sus curvas y las mrgenes son arenosas o ligeramente limosas, los radios de curvaturas r, medidos hasta el eje del ro, deben estar comprendidos entre los limites siguientes

La separacin entre las nuevas orillas de defensa podr ser igual al ancho estable del ro, considerando el cambio de pendiente si se rectific el ro o ste va a ser navegable. Analticamente, el ancho estable se obtiene en funcin del gasto dominante, las caractersticas flsicas del material del fondo y orillas, y la pendiente del ro; para realizar esto, se utilizan los mtodos descritos en el captulo 2 de este Manual.

Al ubicar una obra de defensa, ya sea respecto a la orilla actual o a una nueva margen (al hacer una rectificacin), se requiere trazar en planta el eje del ro y delinear en las orillas una frontera, generalmente paralela a dicho eje, a la cual llegar uno de los extremos de los espigones (ver figs 4.2 y 4.3). La longitud de cada espign estar dada por la distancia entre la orilla real y esa lnea fronteriza.

a) Localizacin en planta

A continuacin, se comentan algunas de las caractersticas ms importantes para disear una proteccin a base de espigones; tales aspectos se relacionan e influyen entre ellos.

4.2.2 Recomendaciones de diseo

preservadas; las caractersticas hidrulicas de la corriente, por ejemplo: el gasto dominante y el asociado a un periodo de retomo entre 50 y 100 aos, Ja elevacin de la superficie del agua correspondiente a estos gastos, as como las velocidades medias de los escurrimientos y la velocidad del flujo a lo largo de las mrgenes que tendrn proteccin; la granulometra y el peso especifico de los materiales del fondo y orillas del cauce; y finalmente, Jos materiales de construccin disponibles.

68

Fig 4.2 Trazo del eje del ro y lneas extremas de defensa en una rectificacin [7]

Margen derecha actual

Lneos extremos de defensa

Margen Izquierda actual

Si esto ltimo no ocurre, con el tiempo el ro escurrir por otro sitio, abandonando completamente los espigones que fueron colocados. Por ello en ros de planicie que son divagantes o sufren erosin constante en sus curvas, se deben proteger tramos completos de ro (ver fig 4.4).

A 1 proteger con espigones una curva de un ro, las mrgenes de las curvas situadas aguas arriba no debern ser erosionadas y la corriente debe seguir incidiendo sobre la margen protegida.

Con Ja recomendacin anterior, las mayores profundidades siempre se encuentran cerca de la orilla exterior de Ja curva y en sta no se formen islas o bancos de arena.

donde B es el ancho medio de la superficie libre en los tramos rectos, en m.

(4.1) 2B s r s 8B

69

Fig 4.4 Eje del ro y radios de curvatura [7]

' Lineas extremas de defensa

Curvo con dos rodios de curvatura

ra < r1 octuoles

'

Curvo con un solo radio de curvatura

Fig 4.3 Trazo del eje del ro y lneas extremas de defensa para protejer las mrgenes actuales [7]

70

(4.3)

La longitud de trabajo L, normalmente debe estar comprendida entre los lmites siguientes:

(4.2) L=L,+Le

Fig 4.5 Espign empotrado [7}

b} Planta

L, 1 l l 1 1 r Elevacin de Lo Es~ A' _ moron ~ ... ,\.\,.,r0tlllo octool - ~e 1

La longitud total de un espign, L, se divide en dos: la longitud de anclaje o empotramiento, Le, y la de trabajo, L,. La primera inicialmente est dentro de la margen y la segunda se halla dentro de la corriente (ver fig 4.5).

b) Longitud de los espigones

71

Dicha forma puede ser recta, curvada hacia aguas arriba o abajo, en L con el brazo dirigido hacia aguas arriba o abajo y en T (ver fig 4.7). Los espigones ms usuales son los rectos por

e) Forma de los espigones en planta

Fig 4.6 Espign apoyado en la margen, en ros de planicie [7]

Corte A-A'

Fondo actual A'

A

Elevocidn de lo moroen o de lo su>ficie del 09uo poro el oosto dominante

L1

Los espigones se pueden construir sin tener longitud de anclaje, es decir, sin que penetren en la margen, por tanto, L.= O (ver fig 4.6). La mxima longitud de anclaje recomendada es igual a un cuarto de la longitud de trabajo, 0.25 L.; el empotramiento slo se justifica cuando no se puede permitir que falle ninguno de los espigones, por ejemplo, al haber una poblacin en la margen que se desea proteger. Si el procedimiento constructivo es costoso, conviene reducir la separacin entre los espigones.

donde d es el tirante del ro asociado al gasto dominante. En los ros de planicie, d representa la distancia vertical entre las elevaciones de la margen y del fondo del ro.

' 72

Para calcular el espaciamiento entre dos espigones, se toma en cuenta la expansin terica que sufre la corriente al pasar frente al extremo del espign (ver fig 4.8). Normalmente, se considera que el ngulo de expansin J3 vara entre 9 y 11 .

La distancia entre espigones se mide en la orilla entre el punto de arranque de cada una de estas estructuras y depende de la longitud y orientacin del espign de aguas arriba, as como de la con.figuracin de la margen.

d) Separacin entre espigones

Cuando el fondo del cauce es gradual o bien hay tramos rectos, se recomienda usar espigones rectos y cortos; en cambio, los que tienen forma de T son ms convenientes para cauces angostos. Generalmente, un diseo que utiliza el tipo recto debe proporcionar una adecuada proteccin de las orillas y producir sedimentacin entre los espigones.

Fig 4. 7 Forma de los espigones en planta [7]

Lnea extrema de defensa

Eri T En L

. -: ::: :: .... :. .:: :.:. :::.: ::.-:: :::-.: :::: ::::.: ;: : ... : :: ... . . ... : :=.: .

su fcil construccin y por ser ms econmicos. Los espigones en forma de L o T son los ms costosos, ya que su parte extrema se debe construir en la zona ms profunda del ro .

73

Los espigones trabajan menos eficientemente y su costo es mayor si estn muy cerca uno del otro. En la tabla 4.1, se incluyen recomendaciones para la relacin que debe haber entre la separacin y la longitud de los espigones.

Fig 4.8 Mtodo para obtener el espaciamiento entre espigones [7)

a

Vor/os pcsiCi()(lllS t/11 lo !i'nllO 11xtr11mo t/11 d11!11nso d11ben s11r onolirodos

Lneo extremo de defensa (primero olternotivol

a

Uneo extremo de defensa o

a lneo imaginarlo

Margen octuol

empotrar

74

Para el espaciamiento entre espigones en un tramo recto, con la lnea extrema de defensa y la margen paralelas y sin empotramiento en la orilla, se recomienda

d. J Separacin en tramos rectos

Seuaracin Tipo de Referencia Observaciones Lonzitud oriUa

1 Cncava United Nations, 1953 Prctica general 2a2.5 Convexa United Narions, 1953 Prctica general 1 Cncava Bendegom (Samide and Beckstead, 1975) 2 a2.5 Convexa Bendegom (Samide and Beckstead, 1975)

1.5 Mathes, 1956 1.5 Cncava Los Angeles, Distrct, 1980 Bordo protegido 2.0 Recta Los Angeles, District, 1980 con enrocarniento 2.5 Convexa Los Angeles, District, 1980 2 U S Army (Samide and Beckstead, 1975) Tpica para el rto

Mississippi 2 a2.5 Central Board of Irrigation and Power, 1971

2 Neill, 1973 Dos o ms espigones 4 Neill, 1973 2a4 Curva lvarez 5.1a6 Recta lvarez 3 Cncava Grant, 1948 La variacin depende 3a4 Acheson, 1968 de la curvatura 3a5 Strom, 1962 4.29 Recta Ahmad, 1951 5 Curva Ahmad, 195 l 4a6 Cncava Richardson and Sirnons, 1973 La orilla puede requerir

enrocam iento

TABLA 4.1 VALORES RECOMENDADOS PARA LA RELACIN ENTRE SEPARACIN Y LONGITUD DE ESPIGONES, SEGN KLINGEMAN ET AL 151

75

Los espigones pueden tener pendiente horizontal o una hacia el centro del ro con valor hasta de 0.25. Los de cresta horizontal se construyen cuando se desea reducir artificialmente el ancho del ro; los de pendiente longitudinal, si se quiere proteger una margen o rectificar un tramo de ro (ver figs 4.6 y 4.1 O).

f) Pendiente longitudinal, elevacin y ancho de la cresta de los espigones

Al proyectar la defensa marginal de un tramo de ro, los primeros espigones de aguas arriba se disean segn se muestra en la fig 4.9. Para ello, en el tramo recto aguas arriba de la primera curva, la lnea extrema de defensa que se une con la margen hacia aguas arriba forma un ngulo y, que vara entre 8 y 10 . La localizacin, longitud y espaciamiento de estas estructuras se obtienen con las recomendaciones explicadas en el inciso d.

e) Separacin y longitud de los primeros espigones

Cuando la margen es irregular, la separacin entre espigones se debe obtener de manera grfica como se indica en la fig 4.8. Al mismo tiempo, las longitudes y ngulos de orientacin correspondientes quedan establecidos.

(4.5) s. = (2.5 a 4) L,

El espaciamiento entre espigones ubicados en las mrgenes exteriores de las curvas regulares, con un radio nico de curvatura, puede variar entre los lmites

d.2 Separacin en curvas

(4. 4) (4.5 a 5.5) LT

(5 a 6)Lr 70 a 90

60

SEPARACIN, S, NGULO

76

Estas estructuras pueden estar orientadas hacia aguas abajo o arriba, o bien ser normales a la direccin del flujo. La orientacin de los espigones se mide por el ngulo que forma el

g) Orientacin de los espigones

El ancho de la corona depende de los materiales y el procedimiento empleados para construir los espigones.

La elevacin del punto de arranque de un espign ser igual a la cota de la margen en ros de planicie; para ros en zonas intermedias o de montaa, dicha elevacin ser igual a la cota del agua que corresponda al gasto dominante. El extremo dentro del cauce deber tener alturas mximas de SO cm sobre el fondo actual o la elevacin del agua durante el momento de la construccin; sta se debe efectuar en la poca del estiaje.

Fig 4.9 Diseo de los primeros espigones en una obra de proteccin [7]

b) Vslo lotero/

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Lo eres to de todos los espl - gones debe tener lo mismo pendiente longi tu dino 1

Detalle A L

Pion/o

Detalle A

Lneo edremo de defensa

77

Los espigones pueden ser impermeables o permeables: los primeros alejan de la orilla las lneas de corriente con alta velocidad, mientras que los segundos reducen la velocidad del flujo abajo de su lmite erosivo y con ello provocan el depsito de material.

h) Permeabildad de los espigones. Materiales de construccin

El espign no debe provocar cambios bruscos en la direccin de Ja corriente, sino desviarla gradualmente hacia el sitio en estudio. Los espigones se deben colocar antes del punto donde la corriente empeza a salirse del curso deseado. Si el primer espign se ubica aguas abajo del inicio de la socavacin, dicha estructura provoca que la corriente haga un camino por el extremo del mismo espign y, como consecuencia, se ocasione su destruccin,

En un tramo recto seguido de una curva regular, conviene que los espigones formen un ngulo a de 70 con Ja direccin de la corriente; si la curva es irregular e ncluso si tiene un radio de curvatura menor de 2.5 B, los ngulos de orientacin sern menores de 70 y pueden alcanzar valores hasta de unos 30

eje longitudinal de los mismos con respecto a la tangente trazada a la linea extrema de defensa en el punto de unin con el espign, meddo hacia aguas abajo (ver fig 4.8). Cada orentacin tiene una influencia diferente sobre la corriente y, por tanto, un efecto distinto sobre la socavacn y depsito de material alrededor del espgn. Se ha observado que Jos espgones dirigidos hacia aguas arriba producen ms depsito de sedimento en Ja orilla aguas abajo que los orientados a 90 con respecto al flujo. Los espigones normales al flujo slo protegen reas pequeas, mientras que los dirigidos haca aguas arriba resisten mejor el poder erosivo de la corriente, esto se basa en las observaciones realizadas en laboratorio por Samide y Beckstead ( 1975). Sin embargo, Franco (1967) indica que el espign orientado hacia aguas abajo presenta un mejor comportamiento respecto a la socavacin, el depsto, el tirante del canal y el alineamiento y que el dirigido hacia aguas arriba produce ms disturbios en el flujo, este investigador encontr estos resultados en pruebas de laboratorio. En la tabla 4.2, se proporcionan recomendaciones para dar la mejor orientacin al espign.

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Los espigones se pueden construir con gran variedad de materiales, por ejemplo: tabla- estacados de madera o concreto, troncos de rboles y ramas, elementos prefabricados de mortero o concreto, de. acero y alambre, y con gaviones,

Lindner, 1969

Franco, 1967

U S Army Corps of Engineers, Los Angeles, Distrct, 1980

lvarez, Mxico

Red River, Arkansas River

Missouri River

U S Anny Corps of Eogineers, 1970

U S Arrny Corps of Engineers, Memphis and Yicksburg Districcs

Richardson and Simons, 1973

U S Arrny Corps of Engineers, 1983

Sarnide and Beckstead, 1975 Sarnide and Beckstead, 1975

Mamak, 1964 Central Board of lrrigation and Power, 1971

United Nations, 1953

Medido entre la linea de orilla aguas abajo y el eje del espign A!!t!as abajo

Aguas abajo

75

70 a 90 (30 para curvas cerradas)

75 a90

90 o aguas abajo

90 o aguas abajo

90

90

90

100 a 110 (oriUa convexa) 100 o menos (oriUa cncava)

IOOallO

100 a 120 100 a 120

REFERENCIA ANGULO RECOMENDADO ENTRE EL ESPIGN Y LA ORILLA. EN GRADOS

TABLA 4.2 NGULO ENTRE EL ESPIGN Y LA ORILLA, SEGN KLINGMAN ET AL (5)

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Fig 4.10 Construccion de espigones en funcin de la altura de las mrgenes [7]

b) Mrgenes altos Espign

@ Cimentacin

@ Ros con 09uo todo el olla

(i) Ros ~iJl 09ua en la estccon de secos Elevacin del agua pero el 9osto domi- nante @

. ' eroston Posible

\ \

o) Mrgenes bajos

(4.6) Y5 = 0.855d0[ 4.17 + Ln ~ }(o.ooisa-.w)

Para obtener la socavacin al pie del extremo de un espign, se utiliza la frmula obtenida por Maza al emplear los datos y el criterio de Latuiscbenkov

Dicha socavacin es importante durante la construccin de los espigones (ver fig 4.11 ), cuando esto se hace con elementos sujetos entre si (bolsas, piedras, gaviones, etc). Cuando la velocidad es mayor de 50 cm/s, conviene recubrir el fondo sobre el que descansar el espign con una capa de piedra de unos 30 cm de espesor, y despus construir el espign de la orilla hacia el centro del cauce (ver figs 4.10 y 4.12). Esto necesariamente se tendr que realizar desde barcazas.

i) Socavacin local al pie de espigones

80

donde Ys es la erosin mxima en el extremo del espign, medida desde la superficie libre del agua hasta el fondo de la socavacin, la cual est asociada al gasto Q. La profundidad del flujo d0 corresponde a la zona cercana al extremo del espign y no afectada por la erosin. Las variables ex y k representan la orientacin y el talud del extremo del espign, respectivamente. El gasto terico Q, que podra pasar por la zona ocupada por el espign se obtiene al calcular el gasto unitario q= Q/D y multiplicarlo por la longitud del espign proyectada en un plano perpendicular a la direccin del flujo. Para el clculo de la socavacin, se usa el gasto Q que tiene un periodo de retorno entre 25 y 50 aos y es mayor que el dominante.

Fig 4.12 Forma de evitar la erosin durante Ja construccin

>30Cm Carpelo de grava a enroca mienta Se coloca onles de construir el espign

Taludes si se uso enroeomiento

Espign formado can enroco- miente o goviones

Fig 4.11 Erosin de/fondo durante la construccin {7)

Volumen extra de _ ___, enroeamienlo

Erosin del fondo que S puede producir durante la construccin

Talud de diseo Avance de la conslruccln can el talud de reposo

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Si el escurrimiento amenaza con llegar a la orilla donde est empotrado el espign, se debe proporcionar una pequea proteccin marginal a ambos lados de dicha estructura.

El espign construido con gaviones tiende a ser ms pequeo que el de enrocamiento. La finalidad de los espigones es desviar la direccin del flujo, lo cual provoca socavacin a lo largo de las lneas de corriente definidas y, como consecuencia, se incrementa la profundidad del cauce; esto ltimo resulta til cuando se desea que el ro sea navegable. Los espigones de gaviones son semimpermeables pues primero desvan la corriente y luego reducen la velocidad de la misma; adems tienen la suficiente capacidad de deformacin estructural. El acumulamiento de limo alrededor y dentro de los espigones ayuda a que se desarrolle vegetacin, lo cual permite que estas estructuras se consoliden dentro de Ja nueva orilla y favorezcan el control de la erosin.

4.2.4 Observaciones

Las diferentes secciones transversales de un espign se proyectarn de acuerdo con el empuje del agua que esa estructura deber soportar (ver subinciso 3.2.2.3 para el anlisis de estabilidad); adems, en las secciones sumergidas, se considerar la fuerza de traccin de la corriente para el gasto mximo de diseo. En la fig 4.13, se muestra la geometra en planta de un espign.

En aquellos lugares donde no hay rocas o stas se encuentran a grandes distancias, una alternativa viable es utilizar gaviones de medidas variables, adecuadas al proyecto, dispuestos en una o varias hiladas segn sea la altura que debe guardar el espign.

4.2.3 Estabilidad de la estructura de gaviones

La profundidad de socavacin para un espign hecho con gaviones se puede obtener mediante diferentes frmulas como las mostradas en la tabla 1 que se incluye en Klingman et al. La flexibilidad del gavin ayuda a mantener la seguridad de la estructura si se presenta una socavacin mayor que la calculada; en cambio, un espign de enrocamiento es ms vulnerable en esa circunstancia.

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Por otra parte, si el fondo del cauce no est compuesto por rocas o piedras grandes, se emplea una platea de proteccin constituida por una colchoneta (ver fig 4.14); dicha platea puede ser eliminada cuando el espign es pequeo (1 o 2 m de altura y hasta 5 m de ancho). Los gaviones que forman la colchoneta son planos, se colocan sobre el lecho del ro, estn rellenos con material de 1 O a 20 cm de dimetro y se alambran unos con otros. La flexibilidad de la colchoneta asegura que sta siga la forma de la socavacin que se presenta en la punta del espign (ver fig 4.14). La colchoneta puede ser delgada, por ejemplo: de 0.5 m o menos, pero con el peso suficiente para conservarla sobre el fondo, y lograr que resista el arrastre producido po