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4. DISEÑO DE REVESTIMIENTOS CON GAVIONES

MSc. Ing. Roberto Campaña Tororcampana@uni.edu.pe

MAYO 2003

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Revestimiento de Talud Río Ica (ICA)

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Vista del alambre del gavión tipo colchón, nótese forma de la cocada y el revestimiento de PVC del alambre

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El revestimiento tiene por objetivo proteger el material de las riberas contra los efectos de la erosión.

El revestimiento se apoya sobre un talud estable.

Se realiza con los gabiones tipo “Colchon”, tambien conocidos como “Reno”

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Procedimiento de Diseño1.-Predimensionamiento de colchones.2.- Verificación de arrastre de colchones por

velocidades.3.- Verificación de arrastre de colchones por esfuerzos

cortantes.4.- Verificación de deformaciones en el colchón.5.- Verificación de estabilidad de material base por

flujo en espacio colchon-filtro.6.- Diseño de protección de pie de talud.7.- Abertura de Malla8.- Recubrimiento9.- Zonificación10.-Talud y Anclajes

1.- PREDIMENSIONAMIENTO DE COLCHONES

- Se deben estimar dimensiones iniciales de las protecciones en funcion de las solicitaciones a resisitir. Se determinan asi: Longitud (L), ancho (B), espesor (t),calibres (ϕ) y diametros medios de las piedras (dm).

- Se predimensiona tomando encuenta la velocidad media de lacorriente y criterios de estabilidad.

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1.1.- Determinación de velocidades actuantes:

- Si se justifica se puede asumir un flujo uniforme yutilizar formulas de Manning o Chezy.

- En caso contrario se deben adoptar metodos apropiados en funcion del problema (Modelos 1D, 2D y eventualmente 3D)

Flujo Uniforme: F. Manning

V = R 2/3.S 1/2/n

donde:V = Velocidad MediaR = Radio HidráulicoS = Pendiente de fondon = Coef. De Rugosidad de Manning

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Velocidad Crítica: Velocidad que puede soportarse sin inicio de movimiento de piedras en colchon.

Velocidad Límite: Velocidad que puede soportarse admitiendo modestas deformacionesdebido al movimiento de piedras en colchon

1.2.- Predimensionamiento de espesores y tamaño de relleno

TABLA 1

1.3.- Predimensionamiento de colchones:

TABLA 2

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2.- VERIFICACION DE ARRASTRE DE COLCHONES POR VELOCIDADES

- Se debe evitar que los colchones sean arrastrados por la corriente.

- Se debe verificar que las velocidades actuantes (va) no superen a las velocidadesde iniciacion de movimiento de las piedras contenidas en el colchon (vc).

2.1- Determinación de Velocidad Crítica (vc)

– Se Calcula el numero de Froude (Fr) mediante:

Fr = v/(g.d)1/2

donde:

V= velocidad media de la corrienteg = aceleracion de la gravedad d = Profundidad Hidraulica Media = Area Mojada / Ancho Superficial.

– Con el diámetro medio del material de relleno de los gaviones (dm), el espesor del colchón y el Numero de Froude (Fr) se obtiene el valor de la velocidad crítica de las figuras a y b.

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Fig 1. a Velocidad Crítica Vc1 que causa el movimiento de laspartículas en función de su tamaño. Fuente: MACAFERRI

Fig 1.b Velocidad Crítica Vc2 que causa el movimiento de laspartículas en función del espesor del colchón. Fuente: MACAFERRI

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Elegir como Velocidad Critica (Vc) la menor de Vc1 y Vc2.

2.2.- Verificación:

Si Va > Vc habrá arrastre de colchones,

- Se debe incrementar diametros de las piedrasdel cholchón.

- Se debe incrementar espesor del colchon.

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3.- VERIFICACION DE ARRASTRE DE MATERIAL DE COLCHONES POR ESFUERZOS CORTANTES

Se debe evitar que los esfuerzos cortantes sobre elfondo y las paredes ocasionen el lavado del material.

Se debe verificar que los esfuerzos cortantes actuantes sobre los taludes y el lecho (τat y τal) nosuperen a los esfuerzos cortantes criticos en elfondo y paredes (τct y τcl) respectivamente.

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A.- Determinación de esfuerzos cortantes actuantesen los taludes:τa= K1.γ.h.S

donde:τa: Esfuerzo cortante máximoγ :Peso específico del Aguah: Tirante máximoK1: Coeficiente que depende del talud.(≅ 0.75)

3.1- VERIFICACION DE ARRASTRE DE MATERIAL DE COLCHONES POR ESFUERZOS CORTANTES EN LOS TALUDES

B.- Determinación de Esfuerzos Cortantes Críticossobre taludes:

τc=C’*.(γs- γ w)dm .K2donde:

τ c: Esfuerzo Cortante Crítico en la orilla (kg/m2)C’* : Coeficiente de Shields (≅ 0.10)γ s : Peso Específico de la piedra del colchón (≅ 2500 kg/m3)γ w: Peso Específico del agua(1000 kg/m3)dm: Diámetro Medio de la piedra del colchón (m)K2 = (1-sen2θ/sen2ϕ)1/2

donde:θ: Angulo que forma el talud con la horizontalϕ: Angulo de reposo de la piedra del colchon ( ≅ 41o)

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C.- Verificación.

Si: τa > τc las piedras del revestimiento se moveran.

Chequear:

Si: 1.2 τc >τa > τc efectuar control de deformaciones.

Si: τa > 1.2τc

- Incrementar diametro de la piedra.- Incrementar espesor del colchón.

A.- Determinación de esfuerzos cortante maximoactuante en el lecho :

τa= γ.h.S

donde:τa: Esfuerzo cortante máximoγ :Peso específico del Aguah: Tirante máximo

3.2- VERIFICACION DE ARRASTRE DE MATERIAL DE COLCHONES POR ESFUERZOS CORTANTES EN EL LECHO

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B.- Determinación de Esfuerzos Cortantes Críticossobre el lecho:

τc=C’*.(γs- γ w)dm donde:

τ c: Esfuerzo Cortante Crítico en la orilla (kg/m2)C’* : Coeficiente de Shields (≅ 0.10)γ s : Peso Específico de la piedra del colchón (≅ 2500 kg/m3)γ w: Peso Específico del agua(1000 kg/m3)dm: Diámetro Medio de la piedra del colchón (m)

C.- Verificación.

Si: τa > τc las piedras del revestimiento se moveran.

Chequear:

Si: 1.2 τc >τa > τc efectuar control de deformaciones.

Si: τa > 1.2τc

- Incrementar diametro de la piedra.- Incrementar espesor del colchón.

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4.- CONTROL DE DEFORMACIONES EN EL COLCHON

Fig 2. Esquema del movimiento de las piedras en el interior de los colchones. Fuente: MACAFERRI

Fuente: MACAFERRI

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- Se debe evitar que el fondo del colchon quede descubierto.

- Se recomienda que el espesor minimo sea mayor que el diametro medio de las piedrasdel colchon (Emín >dm)

A.- Determinación de determinación de espesor mínimo (Emin) luego de la deformación.

Emín = t-∆t t: espesor del colchón

∆t : deformación del colchón

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B.- Determinación de deformación máximaproducida(∆t)

∆t es obtenida de la figura 3, ingresando el valor del coeficiente de Shields Eficaz definido por C’* = (τa-τc)/[(γs - γ m).dm]

donde:τc: Esfuerzo Cortante Crítico en la orilla (kg/m2)τa: Esfuerzo cortante actuante máximo (kg/m2) dm : diámetro medio de las piedras de relleno

Fig. 3. Relación entre Parámetro de deformación y Coeficiente EficazDe Shields. Fuente: MACAFERRI

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C.- Verificación:

Si Emín < dm, habrá peligro en material base.

- Se debe incrementar espesor de colchón (t).- Incrementar diametro (dm) de piedras.

5.- VERIFICACION DE EROSION EN EL ESPACIO ENTRE COLCHON YMATERIAL BASE

Fig. 4.a. Flujo entre colchones y material base.Fuente: MACAFERRI

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Se debe evitar que el material base sealavado por la corriente.

Se procura que la velocidad del agua en elespacio entre el colchon y el material base (va) sea menor que la velocidad critica dearrastre del material base (ve).

A.- Determinación de Velocidad en el espacio entre colchón y material base.

Va = (dm/2)2/3.S1/2/nfdonde:Va: velocidad del agua entre el colchón y el fondo.dm: diámetro medio de piedras en colchón.S: pendiente del canal.nf: rugosidad del fondo (0.020 si hay filtro geotextil o no

hay filtro, 0.025 si hay filtro de grava)

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B.- Determinación de velocidad que puede soportar el suelo sin ser erosionado (Ve).

- En terrenos no cohesivos:Ve=16.1.d1/2,

donde:d100: diámetro de partículas del suelo base (m)

- En terrenos cohesivos: Usar fig. 4 ingresando el tipo de suelo y el porcentaje de vacíos del suelo.

Fig. 4. Velocidades Máximas Permisibles en Suelos CohesivosFuente: MACAFERRI

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C. Verificación:

Si Va > Ve habrá erosión

Se recomienda usar un filtro geotextil o un filtro de grava.

D.- Filtro Geotextil.

Si se usa filtro geotextil: Va1 ≅ Va/4 a Va/2 Verificar Va1 > Ve, sino cumple usar filtro de grava.

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E.- Filtro de Grava

Espesor (S):

0.15 m < S < 0.20 m y

S > (dv/f).[1-(ve/va)2], donde dv=df50/5 y f = 0.05

Granulometría:

df50/ds50 < 40; 5 < df15/ds15 <40; df15/ds85 <5

6.- Protección de pie de talud.Tipo 1:

Para pequeñas profundidades de erosión general ∆z < 1.5 m, se profundiza el pie de talud en un valor mínimo de ∆ z .

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Tipo 2:Para grandes profundidades de erosión general ∆z >1.5 m, extender horizontalmente protección de pie de talud en una longitud ) x > 1.5 ∆ z.

7.- Abertura de Malla y Calibres.

Pequeñas Aberturas de Malla proporcionan mejores caracteristicas de resistenciamecánica.(Compresión, Tracción y Abrasión)

Calibres grandes proporcionan mejores caracteristicas de resistencia mecánica. (Compresión, Tracción y Abrasión)

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EFECTO DE ABRASION

UBICACION EFECTO

FUERTE PENDIENTE (S > 0.5 %)PENDIENTES MEDIAS (0.1 %<S<0.5 %)

BAJAS PENDIENTES ( S<0.1 %)

ALTA ABRASIONMODERADA ABRASIONPEQUENA ABRASION

8.- Recubrimientos

El recubrimiento del alambre ya sea con unacapa de triple Zn o con la aleación Zn + Al, mejora la resistencia a la corrosión, con respecto a un galvanizado simple.

En condiciones severas de corrosión se debe proteger con PVC.

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EFECTO DE CORROSION

UBICACION EFECTO

AMBIENTE RURALAMBIENTE URBANO

AMBIENTE MARITIMOAMBIENTE INDUSTRIAL

BAJA CORROSIONMODERADA CORROSION

ALTA CORRROSIONMAYOR CORROSION

9.- Zonificación Vertical

Es posible zonificar verticalmente los colchones de tal manera de obtener mejores resistencias en las zonas más esforzadas.

La zonificación se da en función de las dimensiones de malla y los calibres.P. Ejemplo:

Especificar mallas de menores cocadas y mayor calibre en las partes inferiores de un revestimiento previene desgastes por abrasión.

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Fuente: ANDEX

Fuente: ANDEX

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10.- Disposición en talud

Normalmente los taludes de apoyo son perfilados con pendiente de 1:1.5 y 1:2 según el tipo de terreno.

– 1:1.5 para terrenos vegetales de mediana consistencia.

– 1:2 para terrenos arenososos finos incoherentes.

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Para taludes más empinados se recomienda el uso de estacas.

11.- Anclajes en extremos.

A fin de evitar fallas por los bordes se recomienda anclar los colchones al inicio y al final del tramo a proteger.

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Normatividad

El Perú no tiene una norma técnica para la especificación de Gaviones.

En el mundo existen normatividades diversas:– ASTM 975-97, ASTM A-641.– BS 1052, BS443

Se debe exigir al proveedor garantías del producto.

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PROCESO CONSTRUCTIVO

FUENTE: MACCAFERRI

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FUENTE: MACCAFERRI

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FUENTE: MACCAFERRI

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FUENTE: MACCAFERRI