UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL - IMEFEN - CISMID
DISEÑO DE REVESTIMIENTOS CON ENROCADO Ing. Edgar Rodríguez Zubiate
[email protected] MAYO 2003
3.1 CONSIDERACIONES BASICAS
Los enrocados de protección de riberas y de diques son una parte importante en los trabajos de tratamiento de ríos, y sirven a los siguientes propósitos: • Tratamiento del río para mantener el alineamiento de la ribera • Protección de los terrenos adyacentes contra la erosión • Protección de los diques de defensa contra inundaciones • Protección de estructuras, como puentes, barrajes, presas, etc
Falla de una defensa ribereña de tierra sin protección
FALLA DE DEFENSAS DE CONCRETO EN EL RIO ICA
CARRETERA CON TALUD SIN PROTECCION CONTRA FLUJOS DE AVENIDAS
DIFERENTES TIPOS DE PROTECCION DE RIBERAS
OBRAS DE DEFENSA SOBRE TALUD DE DIQUE USANDO COLCHONES DE GAVIONES
Dique de tierra con enrocado
3.2 ELEMENTOS DEL ENROCADO DE PROTECCION La protección se compone de los siguientes elementos: •
•
• •
Capa de protección de enrocado. - La cual debe ser dimensionada contra los esfuerzos de corte, y contra las olas que pueden impactar al enrocado Filtro.- El cual protege al suelo de la erosión debido a la corriente de agua, ataque de olas, y de flujos subterráneos; y evita el movimiento de las partículas finas que conforma el suelo protegido Debajo del filtro el terreno base de la orilla, o del dique Enrocado de protección al pie del talud.- El cual evita que el talud protegido falle, debido a los efectos de socavación general
Enrocado de Protección al pie del talud
Rio Ica. Falla de revestimiento de concreto por socavación general
Defensa ribereña, de tierra con protección de enrocado
Dique río Cautin Temuco - Chile
3.2.1 CAPA DE PROTECCION DE ENROCADO a.
Calidad de las rocas
• • •
La roca debe ser sana, dura, de cantera Debe ser resistente al agua y a los esfuerzos de corte Se recomienda las rocas ígneas como: granito, granodiorita, dioríta, basalto, riolíta, etc., con densidad relativa DR > 2 La mejor forma de la roca es la angular La estabilidad del enrocado depende de la forma, tamaño y masa de las piedras, y de una adecuada distribución de tamaños
• •
Densidad de diferentes tipos de materiales en Kgmasa/m3 Material
rs
(rs – r)/r
Arena, grava
2650
1.65
Concreto
2200
1.2
Concreto armado
2400
1.4
Concreto asfáltico
2300 a 2400
1.3 a 1.4
Granito
2500 a 3100
1.5 a 2.1
Basalto
3000 a 4000
2a3
Relación entre el diámetro medio y masa
Masa de La piedra Kgmasa
D=(rroca – ragua) / ragua
Diámetro medio mm
3.2.1 CAPA DE PROTECCION DE ENROCADO (continuación)
b. Tamaño de las rocas • •
La estabilidad de una roca es una función de su tamaño, expresada ya sea en términos de su peso ó diámetro equivalente Se han efectuado muchos estudios para determinar el tamaño de las rocas, entre los que tenemos:
- Fórmula de Maynord d 50 ? C1 F 3 y
F ? C2
V gy
Donde: d50 es el diámetro medio de las rocas, y los valores recomendados de C1 y C2 se muestran a continuación: - Valores de C1:
- Valores de C2
-
Fondo plano Talud 1V:3H Talud 1V:2H Tramos en curva Tramos rectos En el extremo de -espigones
C1 = 0.28 C1 = 0.28 C1 = 0.32 C2 = 1.5 C2 = 1.25 C2 = 2.0
3.2.1 CAPA DE PROTECCION DE ENROCADO (continuación)
b. Tamaño de las rocas (continuación) •
Fórmula de Isbash ? ?
V ? 1.7 ? gd
?r ? ? ?
Donde: d = diámetro de las rocas rr= densidad de las rocas r = densidad del agua •
Fórmula de Goncharov V 8.8 y ? 0.75 Log d ? gd
VELOCIDAD CRITICA PARA PIEDRAS
h = tirante de flujo
D= (rpiedra – ragua)/ragua
3.2.1 CAPA DE PROTECCION DE ENROCADO (continuación)
b. Tamaño de las rocas (continuación) b1 Fórmula de Levi
V ? gd
y ? 1 .4 ( ) d
0 .2
b2 Recomendación del U.S.Department of Transportation
d 50
I
? 0 . 001 V
3
/( y
0.5
K1
1 .5
)
Sistema inglés
K 1 ? (1 ? ( sen 2 ? / sen 2 ? )) 0 . 5 El tamaño recomendado de la roca es:
d 50 ? C o d 50
I
C o ? C sg C sf
C sg ? 2 . 12 /( DR ? 1) 1 .5
Donde: Q = es el ángulo de inclinación del talud F = es el ángulo de reposo del enrocado DR = densidad relativa FS = factor de seguridad En el siguiente cuadro se muestra valores del factor de seguridad FS
C sf ? ( FS / 1 . 2 ) 1 . 5
3.2.1 CAPA DE PROTECCION DE ENROCADO (continuación) •
Recomendación del U.S.Department of Transportation (continuación) Valores de los factores de seguridad FS Condición
FS
Flujo uniforme, tramos rectos o ligeramente curvos (radio de la curva / ancho del canal > 30). Mínima influencia de olas y de impacto de sedimentos y material flotante
1.0 – 1.2
Flujo gradualmente variado, curvas moderadas (30 > radio de la curva / ancho del canal > 10). Moderada influencia de olas, y de impacto de sedimentos y material flotante
1.3 – 1.6
Aproximación al flujo rápidamente variado; curvas cerradas (10 > radio de la curva / ancho del canal). Alta turbulencia, efecto significativo de impacto de material flotante y de sedimentos. Influencia significativa de las olas producidas por el vientos y botes
1.6 – 2.0
3.2.1 CAPA DE PROTECCION DE ENROCADO (continuación)
b. Tamaño de las rocas (continuación) b3 Recomendaciones de la Comisión Federal de Electricidad de Mexico Diámetros mínimos de las piedras de protección, en centimetros, para un tirante igual a 1m (*) Velocidad de la corriente V1,en m/s
1600
1.0
8
8
7
6
6
2.0
18
16
13
13
12
3.0
38
34
31
28
26
4.0
68
60
54
50
46
85
77
70
>4.5
Peso específico del material, en Kg/m3 1800 2000 2200
2400
3.2.1 CAPA DE PROTECCION DE ENROCADO (continuación) (*) En el cuadro anterior, si el tirante y es diferente de 1 m:
V ? V1 y
a
,
donde
1 a? 2? y
Conocidos V e y, se despeja V1, y se regresa al cuadro para conocer el diámetro de las piedras. b4. Resistencia contra la acción de las olas L Se tiene una ola , de altura H, longitud L, que impacta sobre un H enrocado, avanzando hacia arriba, y luego el agua regresa a lo largo del talud.
a
Se tienen las siguientes fórmulas para el cálculo de la masa mínima de las rocas, de tal manera que puedan resistir el ataque de las olas:
3.2.1 CAPA DE PROTECCION DE ENROCADO (continuación) b4. Resistencia contra la acción de las olas (continuación) - Fórmula de Iribarren
fH 3 ? r M? 3 ? (cos ? ? sen? ) 3
Talud
y/L
f
1V:2H
0.25 0.3 0.4
0.021 0.015 0.014
1V:2.5H
0.25 0.3 0.4
0.028 0.019 0.018
1V:3H
0.25 0.3 0.4
0.039 0.029 0.028
- Fórmula de Hudson
H 3 ? r tan ? M? 3.2? 3 Donde:
?r ? ? ? ? ?
rr = densidad de la roca en Kmasa/m3 r = densidad del agua en Kmasa/m3
M = masa de la roca en Kg masa
3.2.1 CAPA DE PROTECCION DE ENROCADO (continuación)
c. Espesor del enrocado Simons y Senturk recomiendan que el espesor del enrocado debe ser lo suficiente para acomodar la roca de mayor tamaño
d. Distribución del tamaño de las rocas •
Recomendaciones de Simons y Senturk - La Relación tamaño máximo de la roca entre el diámetro d50 debe ser aproximadamente 2 - La relación entre d50 y d20 debe ser también aproximadamente 2
•
Recomendaciones del U.S. Department of Transportation La graduación de las piedras del enrocado afecta su resistencia a la erosión. Cada carga del enrocado debe ser razobablemente bien graduada desde el tamaño más pequeño hasta el tamaño más grande. En el siguiente cuadro se presenta los límites de la graduación de las piedras
Límites de Graduación de las Rocas (Recomendaciones de U.S. Department of Transportation) Rango del tamaño de roca (pies)
Rango de peso de la roca (libras)
Porcentaje de graduación Menor que
1.5 D50 a 1.7 D50
3.0 W 50 a 5.0 W 50
100
1.2 D50 a 1.4 D50
2.0 W 50 a 2.75 W 50
85
1.0 D50 a 1.15 D50
1.0 W 50 a 1.5 W 50
50
0.4 D50 a 0.6 D50
0.1 W 50 a 0.2 W 50
15
3.2.2 FILTROS •
•
•
•
La estabilidad del revestimiento, en una ribera o en un dique, depende no solamente del tipo y construcción del enrocado, sino que depende en gran medida del tipo y composición del filtro El filtro protege al suelo de la erosión debido a la corriente de agua, ataque de olas, y de flujos subterráneos; y evita el movimiento de las partículas finas que conforma el suelo protegido Se tiene que tener en cuenta, que dependiendo de las condiciones de diseño, el flujo en el filtro puede tener componentes: - a lo largo del enrocado en la dirección del alineamiento del río - hacia arriba o hacia abajo del talud del enrocado - Perpendicular al talud - Hacia adentro o hacia fuera del suelo protegido Se puede tener filtros de material granular, o filtros de geotextil
2.2.2 FILTROS (continuación) a.
Filtros de material Granular • Para evitar la obstrucción del filtro es preferible que no más que 5% del material del filtro sea más pequeño que 0.75 mm • Las curvas granulométricas del filtro y del material del suelo deberán ser más o menos paralelas en el rango de los diámetros pequeños • En cuanto a la granulometría del material del filtro se han hecho muchas investigaciones entre las que tenemos: - Simons y Senturk recomiendan que la granulometría de los filtros debe cumplir con las siguientes ecuaciones:
d50(del filtro) / d50(del terreno
<
40
<
40
drenado ) 5
<
d15(del filtro) / d15(del terreno drenado )
d15(del filtro) / d85(del terreno < 5
drenado ) Se sugiere que el espesor mínimo del filtro de grava sea la mitad del espesor del enrocado
3.2.2 FILTROS (continuación) a.
Filtros de material Granular (continuación) - Terzaghi recomienda que la granulometría de los filtros debe cumplir con las siguientes ecuaciones:
5
<
d15(del filtro) / d15(del terreno drenado )
d15(del filtro) / d85(del terreno
<
4
drenado )
El espesor mínimo del filtro
emin = 25 d50(del filtro)
3.2.2 FILTROS (continuación) b. Filtros de Geotextil b1 Ventajas y desventajas Los filtros sinteticos son otra alternativa con respecto a los filtros granulares. Ventajas: - La instalación es generalmente rápida y eficiente - Son consistentes y tienen una calidad de material más confiable - Son capaces de deformarse con el enrocado y permanecen continuos Desventajas: - Puede haber dificultad para colocarlos debajo el agua - El desarrollo de bacterias dentro del suelo, o sobre el filtro puede alterar el comportamiento hidráulico definido en las especificaciones de fábrica
3.2.2 FILTROS (continuación)
b. Filtros de Geotextil (continuación) b1 Características del geotextil Los geotextiles que se colocan debajo de los enrocados de protección se recomiendan que cumplan con las siguientes especificaciones mínimas : • Geotextil no tejido, de fibras continuas termoligado, de polipropileno estabilizado (para garantizar su resistencia al reventamiento durante el colocado de las piedras), del tipo Typar o similar, imputrescible Ensayo
Unidades
Norma
Valor
Gg/m2
D-3776
200 (min)
mm
D-1777
2.0 (min)
- Resistencia desgarre longitudinal
N
D-4533
330 (min)
- Resistencia desgarre transversal
N
D-4533
330 (min)
Malla
D-4731
50 (max)
mm
D-4751
1 (max)
N
D-3787
400 min)
- Peso - Espesor
- A.O.S - Luz - Resistencia a la perforación
3.2.2 FILTROS (continuación) b. Filtros de Geotextil (continuación) b2 Colocación •
• • • •
Un buen contacto entre el geotextil y el suelo es esencial. Por esta razón la superficie de la ribera o del dique debe ser una superficie lisa, libre de protuberancias, depresiones y lentes de material suelto Debe ser colocado suavemente, sin pliegues, de arriba hacia abajo Se debe tener mucho cuidado al colocar el enrocado, pues puede romper el geotextil Si las rocas tienen aristas filudas se debe colocar una subcapa granular entre el enrocado y el geotextil Despues de colocar el enrocado, el geotextil debe ser aseguardo al pie de este, tal como se indica en la figura, y anclado en la parte alta de la ribera o dique
Colocación del geotextil
Introducir el geotextil dentro de la base del enrocado
1 1
Geotextil
3.2.3 PROTECCION AL PIE DEL TALUD • •
La socavación al pie del enrocado es uno de los principales mecanismos de falla Por lo tanto se debe proteger la base del talud con enrocado. En la siguiente figura se muestra un esquema de protección Máximo nivel del agua
1.5 dg Filtro
dg profundidad de socavación general
3.2.3 PROTECCION DEL PIE DEL TALUD (continuación)
•
Tal como se observa en la figura siguiente el enrocado al pie del talud es colocado en una zanja a lo largo de todo el tramo protegido, cuyo tamaño esta relacionado con la profundidad de socavación general dg.
•
Se debe tener mucho cuidado, durante la colocación de las piedras que no se formen montículos, generando un dique bajo. Estos montículos a lo largo de la base del talud podría resultar en una concentración de flujo a lo largo del tramo enrocado, produciendo su falla.
Enrocado de protección al pie del talud
Diferentes formas de colocación de enrocados
Enrocados existentes en ríos europeos
3.2.4 TRATAMIENTO DE LOS EXTREMOS DEL TRAMO PROTEGIDO •
•
Los extremos del tramo protegido deben tener un tratamiento adecuado, de tal manera que no haya peligro de que los flujos de avenida tiendan tambien a discurrir por debajo de los enrocados, haciendoles fallar. En cada extremo debe haber un anclaje hacia el interior de la ribera. En la siguiente figura se muestra una instalación típica de enrocado en los extremos del tramo protegido .
A
A
B
B
dirección del flujo 3T (min) T 1.5 Relleno compactado
2T (min) 1.5 m (min) 3T
T Sección AA
Sección BB
4. PUENTES
PUENTE BOLOGNESI EN PIURA EN 1998, DURANTE LA OCURRENCIA DEL FENOMENO “EL NIÑ O”
PUENTE BOLOGNESI, EN PIURA, TRAMO INTERMEDIO CAÍDO A RAÍZ DEL FENÓMENO “ EL NIÑO” 1998
COLAPSO DE ESTRUCTURAS DEBIDO A INUNDACIONES
Un puente puede colapsar por: -No haber definido adecuadamente la luz y la altura del puente. -Fenómenos de socavación general , socavación por contracción , socavación local en pilares y estribos. -Falta de protección en los pilares y estribos.
a. EFECTOS DE UN PUENTE SOBRE EL COMPORTAMIENTO DEL RIO -
-
La construcción de pilares y estribos de un puente, y de las estructuras de protección de las riberas, influyen en el tránsito de avenidas Esto hace que existan cambios morfológicos en el río, en la geometría del cauce, en la relación entre los niveles de agua y descarga
b. ESTUDIOS DE HIDRÁULICA PARA EL DISEÑO DE PUENTES
? ? ? ?
Cálculo de perfiles de flujo. Problemas de socavación. Fuerzas sobre pilares de puentes. Control de erosión en puentes y en las estructuras de protección
DEFINICIÓN TÍPICA DE LA CONTRACCIÓN DEL FLUJO EN UN PUENTE SOBRE UN RIO CON LLANURAS DE INUNDACION
Tipos de flujo dentro de un puente (1)
Tipos de flujo dentro de un puente (2)
Tipos de socavación • Variaciones del nivel del cauce a lo largo de río • Socavación por contracción • Socavación local – En pilares – En estribos – En diques
• Erosión total= General+Contracción+Local
•En pilares
DIVERSAS CLASES DE EROSIÓN QUE AFECTAN A LOS PUENTES
ESQUEMA GENERAL DEL FLUJO ALREDEDOR DE UN PILAR CON FRENTE REDONDEADO
MECANISMODE DEEROSIÓN EROSIÓNLOCAL LOCAL MECANISMO ENPILARES PILARES EN DEPUENTES PUENTES DE Vórtice Vórtice de de Estela Estela
Vórtice Vórtice de de Herradura Herradura
ESQUEMA DEL FLUJO ALREDEDOR DE UN PILAR CIRCULAR
Típico problema de escombros atrapados en pilar circular.
VISTA DE SOCAVACIÓN LOCAL EN PILAR FUNDADO SOBRE PILOTES Y ESCOMBROS ATRAPADOS POR ÉSTE.
Flujo PILAR
Nivel natural del lecho
Nivel luego de la erosión general
Enrocado de protección
Erosión Local
2.5 a a PILAR
a
3.0 a
ENROCADO DE PROTECCION ALREDEDOR DE UN PILAR, RECOMENDADO POR GALES
5 OBRAS DE CAPTACION
OBRAS DE CAPTACION :
Bocatoma de Barraje móvil
OBRAS DE CAPTACION Las grandes avenidas pueden originar el colapso de las estructuras de captación, debido por ejemplo: * Un mal diseño .
ESQUEMA SIMPLIFICADO DE UNA BOCATOMA DE BARRAJE FIJO
Funcionamiento del barraje, presa derivadora, o azud
DISIPADORES DE ENERGIA RECOMENDADOS POR EL U.S. BUREAU OF RECLAMATION (Presas, bocatomas, rápidas, etc)
Control de Filtración
d1
d2 S
S = camino de percolación
S ? 1 / 3? L H ?
?
LV ? C L H *
CL = coeficiente de Lane
Lecho del cauce
CL
Arena fina y limo
8.5
Arena fina
7.0
Arena gruesa, gravas
4.0
Bolonería, gravas y arena
3.0
Arcilla
1.6 a 3
Erosión aguas abajo del tanque de amortiguación H*
dL
d1
La extensión y profundidad de la socavación local depende de los parámetros hidráulicos, de la geología y de la geometría del tanque. Novak da la siguiente fórmula:
d L ? 0.55(6 H *
0 .25
q 0.5 ( y0 / d 90 )1/ 3 ? y0 )
Donde: H* = es la diferencia entre los niveles de aguas arriba y aguas abajo (m) y0 = es el tirante en el cauce de aguas abajo (m) q = es el caudal por unidad de ancho (m2/s) d90 = es el tamaño del 90% del grano de sedimento que conforma el lecho del río (mm)
Protección con enrocado Delantal de piedra en bloque
L1
Delantal flexible (rocas)
H* H1
L2
d1
L2
L3
d2 Filtro
L1 = 2 d1
L2 = 1.5 d2
Según Bligh: L2 = 0.6
CB H*1/2(1.12(q
L3=2.5d 2 Lecho del cauce
H1/H*1/2
– 1)
Arena fina y limo Arena gruesa Bolonería, gravas y arena
Delantal flexible de piedras colocadas CB 18 9 4-6
