Baden

MANTENIMIENTO Y REHABILITACION DE CARRETERAS

UNIVERSIDAD NACIONAL “SAN LUIS GONZAGA” DE ICA

DISEÑO Y MANTENIMIENTO DE BADEN

DEFINICIÓN DE BADEN: Los Badenes son obras destinadas a dejar pasar el agua sobre la carretera y al mismo nivel de la rasante, a la que se hace una pequeña inflexión: su empleo se determina al ubicar la rasante en el perfil longitudinal. Los badenes son estructuras construidas con piedra y/o concreto para permitir el paso vehicular sobre quebradas de flujo estacional o de flujo de aguas menores. A su vez permite el paso de agua, materiales y de otros elementos sobre la superficie de rodadura.Un badén bien hecho, debe cumplir las siguientes condiciones:

La superficie de rodamiento no debe erosionarse al pasar el agua. Debe evitarse la erosión y socavación aguas arriba y aguas abajo. Debe facilitar el escurrimiento para evitar regímenes turbulentos. Debe tener señales visibles que indiquen cuando no debe pasarse porque

el tirante de agua es demasiado alto y peligroso.

ELEMENTOS QUE CONFORMAN UN BADEN El badén es una obra de drenaje que se adecua a las características geométricas del cauce y tiene por objetivo facilitar el tránsito estable de los vehículos y consta de los siguientes elementos:

Plataforma o Capa de Rodadura Muro de Pies el segmento de una circunferencia Muros de Cabezal Muro de Confinamiento

Plataforma o Capa de Rodadura: Es la parte fundamental del badén. En sentido longitudinal, la losa y en sentido transversal es inclinada con una pendiente del orden del 2 a 3% hacia aguas abajo.

Muro de Pie: Muro localizado en la parte de aguas abajo de la plataforma, constituye la fundación del badén y se construye a todo lo largo de este. Muros de Cabezal: Son una prolongación del Muro de Pie en ambos extremos de este, formando un vertedero con el objetivo de ampliar la capacidad de descarga sobre el badén, y además; proteger las laderas contra la socavación. Muro de Confinamiento: Se denomina así al muro localizado en el borde de la plataforma en el sector de aguas arriba, elemento que tiene por objetivo la protección del badén.

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL X CICLO “B”



PARTES DE UN BADEN

TIPOS DE BADENES Los badenes se clasifican de la siguiente manera: SEGÚN SU COMPOSICION:

BADÉN SIMPLE: Es el tipo de badén que consta de todos los elementos.

BADÉN MIXTO: Al badén simple que, además incluye alcantarilla para el paso del agua.




BADÉN MACIZO: La singularidad de este tipo de badén, es que su plataforma es de gran espesor. Estos badenes se diseñan para cursos de ríos o quebradas con caudales de magnitud y con arrastre de material grueso.

BADÉN COMBINADO: Son aquellos badenes que se construyen junto a otra estructura, por ejemplo un canal de riego paralelo a la plataforma como parte constitutiva de la estructura.

SEGÚN SU SECCIÓN BADÉN ESTÁNDAR. Estas estructuras están destinadas a proteger de la erosión a la carretera de pequeños cursos de agua que la atraviesan, su uso debe estar limitado a sitios con pequeñas descargas y en zonas planas. El prototipo de la estructura presentada puede ser construido de concreto o mampostería.

BADEN ESTANDAR

DISEÑO DE BADEN

A. Criterios de diseño. El caudal de diseño se debe calcular para un período de retorno de 50 años, usando el Método Racional. La altura máxima alcanzada por el nivel del agua para el caudal de diseño es 30 cms.

B. Dimensionamiento del badén estándar. El badén se comporta como una canal de superficie libre y para determinar su capacidad se propone le fórmula de Manning la que se expresa:




Siendo:

Q, caudal en m3/s. n, coeficiente de rugosidad de Manning que depende de la superficie del

fondo del canal. Los valores se muestran en la tabla de coeficientes de rugosidad que está en anexos.

A, área de la sección transversal en m2 P, perímetro mojado de la sección transversal en m2 Rh, radio de la tubería dado por A/P (mts) S, pendiente longitudinal del fondo en metro por metro. En el Cuadro siguiente se muestra el proceso de cálculo para determinar la

capacidad máxima.

Proceso de cálculo de un badén estándar 1. Determinación del caudal de diseño (Qd) por medio del método racional para un periodo de retorno de 50 años. 2. Calculo del caudal máximo que puede transportar el badén el cual se calcula mediante la ecuación de manning como un canal abierto triangular. Los parámetros para badén del “manual de estructuras” son los siguientes.

Profundidad máxima y=30cms Pendiente de los lados S=0.08 Pendiente del fondo del canal S0=0.02 Pendiente de los lados de la estructura(Z=1/0.08)=12.5 n=0.013 para concreto y 0.023 para mampostería

Área (A)=Z*Y2, siendo “Z” la pendiente de los lados y “Y” la profundidad =12.5*0.32=1.125m2;

Perímetro mojado P=2*Y*(1+Z2)1/2=2*0.3*(1+12.52)1/2=7.52mts. Radio hidráulico Rh=A/P=1.125/7.52=0.15. Rh2/3=0.28 Sustituyendo en la ecuación de maning,

Q=(1.125*0.28*0.021/2)/0.013=3.43m3/s (para concreto)

Sustituyendo en la ecuación de maning, Q=(1.125*0.28*0.021/2)/0.023=1.78m3/s (para concreto) Resultados

El caudal para un badén de concreto =3.43m3/s El caudal para un badén de mampostería=1.78m3/s

3. Comparación de resultados Si el caudal de diseño es menor que el caudal máximo, se acepta el badén estándar, caso contrario será necesario un badén trapezoidal.




BADÉN TRAPEZOIDAL. Su función es igual que el badén estándar y se usa cuando éste no es suficiente para transportar el caudal de diseño de la cuenca.

C. Criterios de diseño.

El prototipo de la estructura puede ser construido de concreto o mampostería:

BADEN TRAPEZOIDAL

Al igual que el triangular el badén trapezoidal se analiza como un canal abierto, el cálculo del caudal máximo se hace por medio de la ecuación de Manning y los parámetros para un trapecio se calculan: Área (A) = (b+z*y)*y Perímetro mojado (P)=b+2y*(1+z2)1/2 Radio hidráulico = A/P Donde b= ancho del fondo, y= profundidad del agua, z =pendiente de los lados de la estructura.

Proceso de cálculo de un badén estándar

4. Determinación del caudal de diseño (Qd) por medio del método racional para un periodo de retorno de 50 años.

5. Calculo del caudal máximo que puede transportar el badén el cual se calcula mediante la ecuación de maning como un canal abierto trapezoidal. Los parámetros para badén son los siguientes:

Profundidad máxima y=30cms Pendiente de los lados de la estructura(Z=1/0.08)=12.5 Pendiente del fondo del canal S=0.02 B=ancho del trapecio, variable, para este cálculo b=1mt. n=0.013 para concreto y 0.023 para mampostería




Cálculos

Área (A)=(b+Z*Y)*Y, siendo “Z” la pendiente de los lados y “Y” la profundidad =(1+12.5*0.3)0.3=1.425m2;

Perímetro mojado P=b+2*Y*(1+Z2)1/2=1+2*0.3*(1+12.52)1/2=8.52mts. Radio hidráulico Rh=A/P=1.425/8.52=0.17. Rh2/3=0.3 Sustituyendo en la ecuación de maning,

Q=(1.425*0.3*0.02^1/2)/0.013=4.56m3/s (para concreto) Sustituyendo en la ecuación de maning,

Q=(1.425*0.3*0.02^1/2)/0.023=2.43m3/s (para mampostería)

Resultados

El caudal para un badén de concreto =4.56m3/s El caudal para un badén de mampostería=2.43m3/s

6. Comparación de resultados

Si el caudal de diseño es menor que el caudal máximo, se acepta el badén estándar, caso contrario será necesario ajustar las dimensiones de la estructura.

Nota: El badén trapezoidal de concreto con estas características, aumenta del orden de 1.30m3/s por cada metro de ancho adicional de b; en el caso de mampostería el incremento es de 0.70 m3/s por cada metro de b.

DISEÑO HIDRÁULICO Para el diseño hidráulico se idealizará el badén como un canal trapezoidal con régimen uniforme. Este tipo de flujo tiene las siguientes.

a) La profundidad, área de la sección transversal, velocidad media y gasto son constantes en la sección del canal.

b) La línea de energía, el eje hidráulico y el fondo del canal son paralelos, es decir, las pendientes de la línea de energía, de fondo y de la superficie del agua son iguales. El flujo uniforme que se considera es permanente en el tiempo. Aun cuando este tipo de flujo es muy raro en las corrientes naturales, en general,




constituye una manera fácil de idealizar el flujo en el badén, y los resultados tienen una aproximación práctica adecuada.

CONSIDERACIONES GENERALES PARA EL DISEÑO MATERIAL SÓLIDO DE ARRASTRE El material de arrastre es un factor importante en el diseño del badén, recomendándose que no sobrepase el perímetro mojado contemplado y no afecte los lados adyacentes de la carretera.

Debido a que el material sólido de arrastre constituido por lodo, palizada u otros objetos flotantes, no es posible cuantificarlo, se debe recurrir a la experiencia del especialista, a la recopilación de antecedentes y al estudio integral de la cuenca, para lograr un diseño adecuado y eficaz.

PROTECCIÓN CONTRA LA SOCAVACIÓN Es importante que el badén proyectado cuente con obras de protección contra la socavación, a fin de evitar su colapso. Según se requiera, la protección debe realizarse tanto aguas arriba como aguas abajo de la estructura, mediante la colocación de enrocados, gaviones, pantallas de concreto u otro tipo de protección contra la socavación, en función al tipo de material que transporta el curso natural.

Asimismo, si el estudio lo amerita, con la finalidad de reducir la energía hidráulica del flujo a la entrada y salida del badén, se recomienda construir disipadores de energía, siempre y cuando estas estructuras no constituyan riesgos de represamientos u obstrucciones.

El diseño del badén también deberá contemplar uñas o dentellones de cimentación tanto a la entrada como a la salida de la estructura, dichas uñas deberán desplantarse preferentemente sobre material resistente a procesos erosivos.




SECCION TIPICA DE BADEN CON PROTECCION TANTO EN LA ENTRADA COMO EN LA SALIDA.

PENDIENTE LONGITUDINAL DEL BADÉN El diseño hidráulico del badén debe adoptar pendientes longitudinales de ingreso y salida de la estructura de tal manera que el paso de vehículos a través de él, sea de manera confortable y no implique dificultades para los conductores y daño a los vehículos.

PENDIENTE TRANSVERSAL DEL BADÉN Con la finalidad de reducir el riesgo de obstrucción del badén con el material de arrastre que transporta curso natural, se recomienda dotar al badén de una pendiente transversal que permita una adecuada evacuación del flujo.

Se recomienda pendientes transversales para el badén entre 2 y 3%.

BORDE LIBRE El diseño hidráulico del badén también debe contemplar mantener un borde libre mínimo entre el nivel del flujo máximo esperado y el nivel de la superficie de rodadura, a fin de evitar probables desbordes que afecten los lados adyacentes de la plataforma vial.

Generalmente, el borde libre se asume igual a la altura de agua entre el nivel de flujo máximo esperado y el nivel de la línea de energía, sin embargo, se recomienda adoptar valores entre 0.30 y 0.50m.




DATOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO.

Las investigaciones necesarias se centran en tres aspectos fundamentales:

Topografía del cause Geotecnia del sitio Estimación de caudales máximos.

La topografía consiste en la planimetría del sector, un perfil transversal y uno longitudinal; levantamiento este que deberá cubrir un área comprendida como mínimo entre 100 metros aguas arriba y 100 metros aguas abajo del eje del camino y un ancho, a partir de ambas márgenes; que permita un conocimiento detallado del sector.

El estudio geotécnico se deberá centrar en las características del terreno de fundación y de las márgenes del rio o quebrada.

La estimación de caudales máximos deberá incluir un análisis de los materia les de arrastre y la morfología del cauce.

Ilustración del área que debe cubrir el levantamiento topográfico




DISEÑO DE LA SECCIÓN HIDRÁULICA

CASO 01: CUANDO SU SECCIÓN DEL CAUSE PRESENTE UNA PENDIENTE SUAVE, TANTO AGUAS ARIBA Y AGUAS ABAJO. En el diseño de sección hidráulica, se debe tener en cuenta ciertos factores, tales como:

Tipo de material del cuerpo del Badén. Coeficiente de rugosidad. Velocidad Media. Pendiente del fondo del badén Taludes de inclinación de las paredes del badén.

La fórmula más comúnmente usada para determinar la velocidad media es la de Manning cuya expresión es:

Donde el gasto viene dado por la siguiente relación:

Q=V∗ADonde: Q : Caudal (m3/s) V : Velocidad media de flujo (m/s) A : Área de la sección hidráulica (m2) P : Perímetro mojado (m) R : Radio hidráulico (m) S : Pendiente de fondo (m/m) n : Coeficiente de Manning Secciones más comunes empleadas en la planificación de badenes.




TABLA 01: RELACIONES DE LAS SECCIONES TRANSVERSALES MÁS FRECUENTES

CRITERIOS DE DISEÑO A continuación se hace una discusión por separado de los diferentes factores que se deben tener en cuenta en un diseño, aunque el diseño final, se hará comparando las diferentes posibilidades y el resultado será siempre una solución de compromiso, porque nunca se podrán eliminar todos los riesgos y desventajas, únicamente se asegurara que la influencia negativa sea al menor posible y que las solución técnica propuesta no sea prohibida debido a los altos costos.

Rugosidad (n). La rugosidad depende del cauce y talud, de las paredes del badén; esto es importante porque influye en la velocidad y tirante de agua.

VALORES DE RUGOSIDAD “n” DE MANNIG.

Taludes apropiados según tipo de material.




La inclinación de las paredes de un canal, depende de varios factores pero en especial de la clase de terreno donde están alojados. Velocidad media.

Es constante en la sección del badén. V=Q/A

Borde libre.

No existe ninguna regla fija que se pueda aceptar universalmente para el cálculo de borde libre, debido que la fluctuación de la superficie del agua en un canal, se puede originar por causas incontrolables. El BUREAU OF RECLAMATION recomienda estimar el borde libre con la siguiente fórmula:

Donde: B.L.= borde libre en pies. C= 1.5 par caudales menores a 20 pies3/seg. Y hasta 2.5 para caudales del orden de los 3000 pies 3/seg. Y= Tirante del canal en pies.

CASO 02: CUANDO LA PENDIENTE DEL CAUSE ES MUY PRONUNCIADA; GENERALMENTE EN EL MOMENTO DE SU DESCARGA.

Dimensionamiento del badén. Para establecer las dimensiones de los elementos del badén, se deberá fijar el caudal de diseño (se recomienda un caudal de diseño con un periodo de retorno de T= 50años). Con el caudal de proyecto se define la longitud de la cuerda y la altura del cabezal, para lo cual se elabora una curva h= f (L) usando la formula de vertedero de pared gruesa. En esta etapa se deberá analizar las variantes posibles, a partir de aspectos topográficos y/o geométricos; y la comparación de estas, permitirá seleccionar el tamaño del badén más económico que cumpla con los requisitos técnicos. Diseño de la plataforma.

Para la geometría de la plataforma se tomara como datos de partida la altura y longitud definidos, considerando estos como flecha y cuerda del segmento de




circunferencia respectivamente; con lo cual se podrá calcular el radio; el cual no será menor a 80 metros.

El ancho de la plataforma es función del ancho de la vía (4,6u8metros)y el espesor se debe determinar en función de las cargas y de la calidad del terreno de fundación (en la práctica se recomienda un espesor no menor a 20cm). Diseño del Muro de Pie. Su altura depende del terreno de fundación y del caudal de la crecida de diseño, para lo cual se analizara la socavación que produce el salto del agua. En este sentido se deberá estudiar el perfil del cauce, considerando la pendiente, la potencialidad erosiva y la altura máxima de socavación. El cálculo de la altura de socavación puede ser realizado mediante la fórmula experimental de Veronece:

d = Profundidad de socavación en metros h= diferencia de niveles de agua en metros q =Q/Lv-Caudal por metro de vertedero en [m3/seg]/m Q = caudal de diseño en m3/seg Lv= Longitud del vertedero




Para disminuir la altura del muro de pie se puede disponer un voladizo que aleje el chorro de la base del muro de pie y disminuya la influencia de la socavación. Se recomienda la implementación del voladizo para badenes mixtos o cuando el suelo de fundación es susceptible a una profundidad de socavación de gran magnitud y el arrastre del material no sea grueso. Para un suelo de fundación clasificado como roca blanda, la longitud del voladizo puede ser de 0.50m., para aluvión deberá tener un mínimo de 1.00m.

Muros de Cabezal. La altura de los muros de cabezal sobre la plataforma está determinada por el caudal y la longitud del vertedero formada por estos muros. De la fórmula del vertedero de pared gruesa:

Obtenemos el tirante normal, a la entrada del badén:

El área hidráulica a la salida del badén:

La velocidad del caudal a la salida del badén:

V=Q/A

Finalmente, la altura del cabezal sobre el badén será:




Se recomienda una altura máxima de 1.00m, su longitud se determina en función a la pendiente y al tipo de terreno de las márgenes. Eventualmente, la altura de los muros de cabezal sobre la plataforma puede ser sobre pasada y el rebalse puede producir un salto en las márgenes del rio o quebrada, por lo que se recomienda disponer de medidas de protección, como ser; empedrado u otras que disminuyan la socavación de las márgenes.

Muro de Confinamiento Sus dimensiones dependen del caudal y del tipo de arrastre del rio o quebrada. Generalmente sus dimensiones son reducidas, cubriendo todo el espesor de la plataforma más 20 a 30cm.

Aspectos constructivos

La plataforma puede conformarse mediante una carpeta de hormigón simple sobre empedrado, sobre el cual se vacía la losa de hormigón. Esta losa debe contar con juntas de dilatación en sentido transversal del badén cada 2 a 3 metros.El material utilizado para la plataforma es generalmente hormigón simple con una resistencia cilíndrica mínima de 180 kg/cm2 a los 28 días. El espesor mínimo de la capa de rodadura es de 20cm. Para el curado se recomienda colocar una capa de arena de aproximadamente 10 cm. de espesor, la cual deberá ser humedecida durante los 15 días posteriores al vaciado. En badenes reforzados, la capa de rodadura de gran espesor se logra construyendo bloques de hormigón ciclópeo (concreto) los que deberán ser de 2 a 3 metros; coincidiendo esta separación con las juntas de dilatación. Las superficies de piedra embebida en el hormigón, se adoptan para badenes en cauces con arrastre de sedimentos gruesos de gran dimensión (piedras y/o rocas). El material para la construcción del Muro de Pie, preferiblemente debe ser de hormigón ciclópeo; quedando a criterio del ingeniero la adopción de otro material, dependiendo de las condiciones del suelo de fundación y de las características del cauce del rio o quebrada. Para los casos en que el suelo de fundación es roca, se recomienda extraer una capa de por lo menos 20cm de espesor (superficie meteorizada),o hasta encontrar la roca sana para garantizar un buena adhesión del Muro de Pie a la roca. Para los Muros de Cabezal se recomienda que estos monten sobre la losa en una longitud de 0.50m., formando de esta manera el vertedero para la descarga del




caudal de diseño. Debido al posible asentamiento del Muro de Pie, se puede disponer de armadura que absorba los esfuerzos en la unión del Muro de Cabezal con el Muro de Pie.

Los Muros de Cabezal deberán ser cubiertos por los terraplenes de acceso al badén, en una longitud de aproximadamente 1.0 m., tratando de que la geometría del badén y el terraplén permitan la comodidad de acceso de los vehículos, además de establecer una sección regular para la ampliación del área de descarga de caudales superiores al caudal de diseño.

El voladizo deberá presentar una inclinación del orden del 10% y en los casos de badenes de gran longitud, se deberá ejecutar con fuerte pendiente para evitar que las ruedas de los vehículos monten, ya que el diseño no prevé las cargas de tal magnitud.

MANTENIMIENTO DE BADEN

LIMPIEZA DE BADENESConsiste en la eliminación de todo tipo de material o residuo que obstruya el libre paso del agua a través del badén.

UNIDAD DE MEDIDA: m2GRUPO DE TRABAJORECOMENDADO: 4 trabajadoresRENDIMIENTO / GRUPO: 40 m2/díaHERRAMIENTAS: PalaRastrilloCarretillaBarretaMATERIALES: -PROCEDIMIENTO:

1. Se coloca las señales de seguridad.




2. Se limpia el cauce del badén, eliminando el material sedimentado.

3. En caso de erosión del terreno en los extremos del badén, se siembran gramíneas o pastos que servirán de junta entre el badén y el terreno natural.

4. De ser el caso, se repara el badén en las zonas afectadas, reponiendo las piedras que podrían haber sido retiradas, con otras de igual o mayor tamaño.

5. La plataforma del baden debe quedar totalmente libre de desperdicios.




6. Se restablece el tránsito de vía.

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INDICADOR DE COMPROBACIÓN: No existen obstáculos entramados en el badén, ni material sedimentado.

FRECUENCIA: La limpieza de badenes es una actividad anual que se realiza antes de la temporada de lluvias. Sin embargo, en cauces con arrastre de sólidos, puede ser necesario efectuar una limpieza adicional de los badenes durante el periodo de lluvias.


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