Control de Fondo de Corrientes - Planos para

CAPÍTULO

Control de Fondo de Corrientes

INTRODUCCIÓN

La velocidad de las corrientes de agua genera erosión en el fondo del cauce. Esta socavaciónpuede recuperarse por sedimentación o puede acumularse generándose una profundizaciónpermanente del cauce. A su vez la profundización en un punto determinado de la corriente puedegenerar profundización aguas arriba en una longitud importante del cauce. Al profundizarse elcauce, la erosión puede trasladarse a otros puntos de la cuenca. El incremento de la carga desedimentos produce sedimentación y consecuentemente erosión en las corrientes de agua, en laforma como se indicó en al capítulo 3.

Adicionalmente el aumento en la carga de sedimentos genera un daño al habitat de la fauna yflora en la corriente y sus riberas. La mayor parte de estos sedimentos provienen de las pequeñascorrientes que componen la cuenca. Las prácticas de agricultura y ganadería, la deforestación, laconstrucción de obras y otras acciones de origen antrópico generan una carga de sedimentosque va de corriente en corriente hasta la corriente principal.

Para mitigar los efectos nocivos de la carga de sedimentos se han desarrollado muchas técnicasde control de sedimentos y erosión entre las cuales se enumeran las siguientes:

1. Estructuras para fijación del fondo de la corriente.

2. Presas y trinchos para acumular sedimentos.

3. Barreras de sedimentos.

4. Control de la erosión laminar utilizando vegetación, recubrimientos, bermas y obras debioingeniería.

Debido a la complejidad del comportamiento hidráulico de las estructuras de control de fondo decauces es difícil desarrollar esquemas de diseño ideales que sean aplicables a todas las situaciones.El comportamiento de las estructuras varía de acuerdo a los caudales y esto dificulta losprocedimientos de diseño.

Las consideraciones de diseño incluyen la determinación de tipo, diseño y espaciamiento deestructuras a lo largo del canal.

13

CAPÍTULO 13. CONTROL DE FONDO DE CORRIENTES 492

Para el diseño de estas estructuras se deben tener en cuenta los siguientes criterios:

Consideraciones hidráulicas

Uno de los factores más importantes a determinar es la altura de las estructuras. Para esto se requiereconocimiento de la morfología definitiva del canal, tanto aguas arriba como aguas abajo después de construidaslas estructuras, el cual puede determinarse por un análisis detallado del transporte de sedimentos y morfologíadel canal. Las estructuras no pueden estar tan separadas que se produzca socavación del pié de la estructuraaguas arriba, ni tan cercanas que se produzca sedimentación en el pié de las estructuras.Otro factor importante es la pendiente final del canal, la cual depende del material del lecho y de las velocidadesy fuerzas tractivas de la corriente.

Consideraciones geotécnicas

La erosionabilidad del material del fondo del cauce depende de sus características granulométricas yfisicoquímicas. Las características de erosionabilidad de los suelos se explicaron a detalle en el capítulo 1. Lapendiente del canal debe ser tal, que las velocidades resultantes sean menores que la velocidad máxima permitidapara el tipo de suelo que conforma el fondo del canal.

Impactos sobre las inundaciones

Los cambios en el canal tienen implicación sobre los niveles de agua en el momento de las avenidas. Lossistemas de estructuras de control de cauces pueden diseñarse para disminuir los riesgos de inundación. Almismo tiempo estas estructuras deben estar diseñadas para resistir las corrientes producidas en el momento delas grandes avenidas.

Consideraciones ambientales

La estructura de control de fondo generalmente genera beneficios ambientales a la corriente. Cooper y Knight(1987) realizaron estudios sobre los recursos de pesca aguas abajo de cárcavas controladas por estructuras decontrol de fondo y concluyó que después de la construcción de las obras, se incrementó la diversidad deespecies y el porcentaje de individuos de peces. La disminución de la sedimentación es un efecto ambientalcon grandes beneficios tanto para la fauna como para la flora de las corrientes aguas abajo de las estructuras.Como efecto negativo el más serio y el cual representa un impacto ambiental grave es la obstrucción del pasode los peces sobre las estructuras. En este aspecto la altura y el sistema de estructura tienen gran importancia.El paso de los peces puede lograrse eficientemente, utilizando estructuras de poca altura o estructuras inclinadascon superficies hidráulicas apropiadas.

Los aspectos ambientales deben ser una parte integral del diseño de estructura del control de fondo.Desafortunadamente existen muy pocas publicaciones con referencia a este tema.

Estructuras existentes

La degradación del cauce puede causar daño significativo a puentes, box coulverts, cruces de tuberías y otrasestructuras a lo largo de la longitud de la corriente. Las estructuras de control de fondo pueden prevenir estadegradación y por lo tanto proveer una protección para estas obras. También debe tenerse en cuenta que lasestructuras pueden generar efectos adversos como por ejemplo, la agradación excesiva y disminución delgálibo de los puentes colocados sobre la corriente. Similar situación puede ocurrir en las bocatomas de acueducto,las cuales pueden sedimentarse excesivamente. En el diseño de los sistemas de control de fondo de cauces sedebe tener en cuenta el efecto tanto positivo como negativo del sistema sobre las estructuras existentes.

13.1 TIPOS DE CONTROL DE FONDO DE CAUCES

Barreras para limos (silt fences)

El control de sedimentos en corrientes pequeñas conflujos despreciables se puede lograr mediante la

construcción de barreras que intercepten y acumulenlos sedimentos. Estas barreras comúnmenteconsisten de una cerca de geotextil sostenida por unaserie de estacas (Figura 13.1).


El geotextil se entierra en el suelo en una zanja rellenade material granular. El geotextil permite el paso delagua pero impide el de sedimentos. Este sistematambién es utilizado alrededor de las obras civiles enconstrucción para evitar la contaminación del aguacon sedimentos provenientes de la obra.

Las barreras para limos no son eficientes en corrientescon caudales significativos o con velocidadessuperiores a 0.25 m/seg.(Trow Consulting Engineers,1997).

Es importante escoger adecuadamente el geotextil autilizar, de acuerdo a los siguientes criterios (Sprague,C.J. 2001):

• Debe tener suficiente resistencia para soportar lafuerza del agua con los sedimentos sin tener unaelongación excesiva.

• Debe ser resistente a los efectos de los rayosultravioleta del sol.

• Debe resistir los efectos de la acidez del agua.

• Debe ser capaz de filtrar la mayoría de lossedimentos transportados por el agua, sin impedirel flujo de los líquidos.

Para cumplir con las anteriores condiciones AASHTO(1997) desarrolló la especificación M288-96 para losmateriales de barreras para limos (Esta especificaciónse explica a detalle en el capítulo 6).

Construcción de puntos de piedra

Los puntos de piedra (Block sills) son puntos durosen el fondo del canal, construidos con piedra o riprap.Generalmente ellos tienen un espesor de 60 cm a 1 my se pueden colocar a intervalos regulares a lo largodel canal. (Veri-tech, 1998). El objetivo de estos puntosde control es el de aumentar la rugosidad del canal yal mismo tiempo actuar como estructura-vertedero depoca altura. La piedra se puede colocar en zanjasexcavadas en el fondo del canal o directamente sobreel cauce como presas permeables de poca altura. Eltamaño de las piedras debe ser tal que no pueda sertransportado por la velocidad de la corriente.

Atados de paja (Straw bales)

Consisten en atados o fardos de paja u otros materialesvegetales, los cuales se colocan atravesados a lacorriente como barrera para ayudar a sedimentar y adisminuir la velocidad del agua.En los Estados Unidos estos atados son productosprefabricados que se transportan ya terminados y secolocan en el sitio, utilizando estacas.

Presas retardadoras

Son pequeñas presas de tubería, gaviones, concretou otro material cuyo propósito es retener la escorrentíapara liberarla lentamente y así minimizar las

Flujo

Superficie de agua

Agua turbia

Sedimentos

Geotextil

Poste

H

Agua Limpia

FIGURA 13.1 Esquema de barrera de sedimentos en geotextil (Koerner, 1997).


EnrocadoTalud revestido con pasto

Perfil terreno dela fundación

2.00

.80 min.

.60 min.

.70

Canal de salida

Amortiguador

Enrocado

Base enconcretoasbesto cemento

Tomasumergida

Embalsemuerto

Nivel agua máximo

Nivel aguamínimo

Tubería de

de energía

PostesBarrera

AB

Postes

Barrera

Flujo muy pequeño

.60

min

FIGURA 13.2 Vista general de una barrera de sedimentos.

velocidades de erosión aguas abajo del sitio (Figura13.3). Las presas retardadoras o de sumiderogeneralmente consisten de una presa - vertederoprincipal y un sumidero vertical perforado que conducea una tubería cuyo diámetro sirve de regulador decaudal. La capacidad de la represa se diseña paraliberar las lluvias en un determinado numero de horas.En algunos casos se diseñan para manejar lluviasnormales en períodos de hasta de 24 horas.Adicionalmente al control de erosión sus beneficiosse extienden al control de inundaciones y puedenutilizarse para recreación, alimentación de animales eirrigación. Al disminuir los picos de escorrentíapermiten la disminución de sección de puentes, anchode «box coulverts» y otras estructuras hidráulicas. Laspresas retardadoras son unas de las estructuras quemás efecto tienen en el control de erosión en pequeñosríos o cañadas.

Presas filtrantes

Cada día se utilizan más los vertederos filtrantes, losvertederos selectivos que dejan pasar el agua y ciertostamaños de sedimentos pero retienen los objetosgrandes como cantos y troncos que pudieran causardaño aguas abajo. La forma del vertedero permiteseleccionar el tamaño de cantos que se deben retenery permite el paso de las partículas pequeñas, las cualesse requieren para mantener el equilibrio de la corrientehacia aguas abajo.

En zonas de pendientes bajas se pueden construirpresas dentro de las corrientes de aguas las cualesson permeables y su propósito es disminuir la

FIGURA 13.3 Esquema de una presa retardadora.


D = DIAMETRO 4" y 6"

BIOMANTODE FIQUE

PERFIL NATURALDEL TERRENO

PERFIL TEÓRICODE COLMATACIÓN

PANTALLA RETENEDORA DE

CADA 1.00m TERMINADAS EN PUNTA(hincadas a golpes hasta laprofundidad indicada en los planos)

MATERIAL DE RELLENO

SEDIMENTOS EN BAMBÚ

PERFIL NATURALDEL TERRENO

PERFIL TEÓRICODE COLMATACION

MATERIAL DE RELLENO

SACOS DE FIBRA DE FIQUEEN SUELO-CEMENTO(6 und. min.)

ESTACAS L=0.45DIÁMETRO 3" CADA 0.30

SACOS DE FIBRA DE FIQUE EN SUELO-CEMENTOPARA PROTECCIÓN CONTRA LA EROSIÓNPOR DESBORDE Y EROSION REGRESIVA

ESTACAS DE MADERA DIÁMETRO 4" a 6"

a.

b.

.50

(mi n

)

.20(min) 1.50

<L<2

.00

D

.50 (min)

.30

min

.

.15

.15

.15

.15

.15

.15

.15

.15(

min

).3

0 (m

in)

velocidad de la corriente y crear pequeñas zonas denivel de agua más profundo así como de proveerpasos peatonales para ganado.

Su diseño debe tener en cuenta que en la época delluvia no sea socavada y se recomienda profundidadesmínimas de cimentación de un metro o del valorcalculado de la socavación.

Trinchos (Rápidos de poca altura)

Los trinchos son presas o rápidos semipermeablesde poca altura construidas con materialesgeneralmente vegetales propios de la región (Figura13.4).

Los trinchos pueden ser diques de madera, malla ocaña sostenidos por estacas o de piedras, matorraleso fajinas. Son empleados en corrientes con flujospequeños o efímeros para que sirvan de obstáculospara ayudar a la sedimentación y disminuir la velocidadde la corriente. En algunos casos se protege del sueloaguas abajo con cantos o con colchones de madera.Comúnmente estas estructuras son absorbidas porla vegetación del cauce mimetizándolas yprotegiéndolas. Generalmente se empleanespaciamientos cortos (menos de treinta metros) yalturas pequeñas.

Estas estructuras tipo trincho no soportan grandescaudales ni procesos acelerados de erosión. Suutilización en Colombia y América latina es muy

FIGURA 13.4 Trinchos en pendientes altas.


RellenoRelleno

Fajinas

Postes

Fajinas Postes

Fajinasenterradas

Corriente

Corriente

Máximo1.00m

Mínimo1.00m

Postes separadosmáximo cada 1.00m

Relleno

Corriente

Piedra

Relleno

PiedrasPostes

Varasó bambu

Amarrecon cable

Piedras

Mínimo1.00m

Postes

Relleno

Corriente Postes

Matorral

Relleno

Postes

Máximo1.00m

Mínimo1.00m

.30m

Postes

Matorral

Matorral

Fajinas

Anclaje lateral

FIGURA 13.5 Esquemas típicos de trinchos.


L

D

H

1 : 1/2H

Zanja de nomenos de .90m

.90m

Altura máximaH= .60m

Elevación aguas abajo

Sección típica

3H

Tierra apisonada

común. En las Figuras 13.5 y 13.6, se muestranesquemas típicos de algunos tipos de trincho. Sinembargo, pueden construirse infinidad de estructurasdiferentes de acuerdo a las condiciones topográficas,hidráulicas y de materiales disponibles en cada región.Se acostumbra construir trinchos espaciadosregularmente a lo largo de la corriente, comoestructuras de fijación del fondo de la corriente.

Trinchos de diferentes materiales

Vladimirova (1998) explica la utilización de unacantidad diversa de materiales para la construcciónde trinchos y presas de poca altura, mencionandoentre ellos:

FIGURA 13.6 Trincho de troncos.

FIGURA 13.7 Estructura en piedra confinada con estacasde madera.


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

0.25

0.50

0.75

1.00

1.50

2.00

2.50

DESCARGA EN LITROS POR SEGUNDO

ALT

UR

A D

E D

ES

CA

RG

A

Ancho de cresta en mt.

Gasto sobre vertederosrectangulares conconcentración

FIGURA 13.8 Cálculo de caudales en trinchos de pared delgada (Francis).

• Estacas vivas de arbustos.

• Troncos horizontales vivos enterrados.

• Piedra confinada por grandes estacas de madera.

• Diques de piedra

• Estructuras prefabricadas de concreto armado

• Concreto simple, ciclópeo o armado

• Fajinas ancladas por estacas

• Gaviones.

Los gaviones son talvez la estructura más utilizada enel mundo para el manejo de sedimentación enpequeñas corrientes y en cárcavas de erosión (Ciarla,1998). La permeabilidad de los gaviones permite elpaso del agua y al mismo tiempo estos actúan comobarrera para la sedimentación, sirviendo comoestructura para la fijación del fondo del cauce.

13.2 FIJACIÓN DEL FONDO DEL CANAL

La profundización del cauce consiste en la erosión norecuperable a largo plazo, de los materiales en el fondodel cauce por acción de las corrientes de agua. Sedebe diferenciar entre profundización definitiva delcauce y socavación. En esta última el materialerosionado en una avenida de la corriente puede serposteriormente redepositado y la profundidad delcauce normal se recupera después de la avenida, pero

en el caso de profundización del cauce a largo plazo,el material del fondo del cauce no se recupera. Laprofundización de los cauces produce inestabilizacióngeneralizada de la cuenca con la posibilidad deocurrencia de deslizamientos laterales hacia el cauceo en la parte alta de la cuenca. El control de fondo delos cauces está dirigido principalmente a evitar suprofundización.


ii

f

i

HH1

H2

L

I

I

n =L (i - ie)

H

Isometria

e

αα

Objetivos de las obras de control decauce

Para evitar o minimizar la profundización de un caucea largo plazo, y estabilizar la corriente de aguageneralmente se ejecutan obras tendientes a obtenerlos siguientes objetivos:

a. Racionalización de la pendiente, tratando degenerar una pendiente longitudinal del cauceuniforme y de un valor bajo, en tal forma que sedisminuya la velocidad de la corriente y seuniformice el flujo de agua.

b. Disipación de la energía del agua a fin de disminuirla velocidad del agua y eliminar la posibilidad deerosión fuerte en el fondo del cauce.

c. La colocación de trampas de sedimentos quedisminuyan la cantidad de materiales de acarreo oen suspensión en el agua.

d. En el caso de aguas servidas las obras de controldel fondo del cauce ayudan a la recuperación dela calidad de agua por medio de sistemas deoxigenación.

Una determinada obra puede cumplir con una o variasde las funciones enunciadas.

Los vertederos

La construcción de vertederos fijos, estables permitedisminuir o eliminar la profundización del cauce. Estosvertederos son estructuras de disipación de energíaque disminuyen la capacidad del flujo para transportarsedimentos. Generalmente se construyen variosvertederos a lo largo del cauce cuya altura de crestay distancia entre ellos puede ser determinado medianteun proceso de optimización del cauce. Los vertederosgeneran sitios o puntos fijos en el fondo del río donde

FIGURA 13.9 Esquema general de obras de fijación del fondo de un cauce.


no se permite la erosión. Una vez construidos losvertederos el proceso de erosión entre los vertederosva a continuar hasta que se obtiene una pendienteestable.

Entre los elementos a determinar en el diseño seencuentran los siguientes:

1. Determinar la pendiente estable del cauce, la cualdepende del flujo, de los sedimentos y de lageología, así como de la morfología tanto en plantacomo en sección de la corriente.

2. Escoger el tipo de vertedero y materiales para suconstrucción.

3. Calcular la altura de cada uno de los verteros suespaciamiento y su sección.

4. Diseño detallado de cada estructura.

13.2.1 DISEÑO DE LA PENDIENTEDEL CAUCE

La mayoría de los cauces no se erosionan oprofundizan cuando alcanzan una determinadapendiente de equilibrio.

La pendiente de equilibrio puede calcularse mediantela expresión (Agostini y otros, 1.981)

( )3/4

23/43/10.

Q

nBUvei =

Donde:

ie : Pendiente estable o de equilibrio.

U : Velocidad máxima permisible (m/seg). Estavelocidad depende del tipo de material delfondo del cauce.

v : Relación de velocidad media y la velocidad enel fondo del cauce (este valor varía entre 1.3 y1.5).

B : Perímetro húmedo que puede considerarseigual al ancho del río (m).

n : Coeficiente de rugosidad de Manning

Q : Caudal de diseño, generalmente para períodosde retorno de cincuenta a cien años (m3/seg).

13.2.2 DETERMINACIÓN DELNUMERO Y ALTURA DE LASESTRUCTURAS

Una vez determinada la pendiente estable se puededeterminar la altura y número de estructuras necesariaspara que el cauce obtenga su pendiente de equilibrio(Figura 13.9).

( )HiiLN e-=

Donde:

N = Número de estructuras

L = Longitud de la corriente

i = Pendiente natural del cauce

ie = Pendiente de equilibrio

H = Altura de cada estructura

En general es preferible construir estructuras pocoespaciadas de baja altura, que estructuras muy altas,a fin de alterar lo menos posible las condiciones delcauce, especialmente en suelos de erosionabilidadalta.

Las estructuras deben colocarse a un espaciamientotal que la pendiente formada y con el caudal de diseñodeterminado, la velocidad promedio no sea superiora la velocidad de erosión del material del fondo delcauce. Para ello es necesario analizar el tipo dematerial del fondo del cauce y determinar la velocidadmáxima permisible de acuerdo a las característicasdel material.

El diseño definitivo debe incluir una pendiente establela cual a su vez no debe ser superior a la velocidad deerosión del material del fondo. En el capítulo 1 seindican las velocidades máximas de erosión. Si sedesea un valor más exacto se puede realizar un ensayode erosión en el laboratorio. Con esta velocidad ycon el caudal de diseño se obtiene la pendiente queproduce una velocidad no erosionante. En la mayoríade los casos no es posible lograr una velocidad tanbaja. En estos casos se calcula la socavación generaldel cauce y se diseña para una determinadasocavación, y todos los elementos del cauce debendiseñarse entonces, para resistir esta socavación.

Cada estructura es una presa vertedero, la cualrequiere un diseño específico.


Ajuste de estructuras

Debido a la falta de información y experiencia suficienteen una corriente, una vez construidas las estructurasde acuerdo a una pendiente de diseño se observa aveces que la profundización del cauce continúa y serequiere realizar un ajuste, aumentando la altura delas estructuras hasta que se logre la estabilidad totaldel fondo.

13.2.3 TIPOS DE ESTRUCTURA

Los vertederos pueden ser de caída de agua,sumergidos, permeables y a su vez pueden serverticales, en gradería o de pendiente inclinada.

Vertederos sumergidos

Algunos ríos se pueden estabilizar construyendovertederos sumergidos. El efecto inicial de estevertedero es la ampliación del canal, debido a que elrío trata de moverse lateralmente al impedírsele laprofundización. Estos vertederos sumergidospermiten además modificar la localización del thalweg.Los vertederos sumergidos pueden construirsecolocando bloques de concreto, bolsacreto o bolsascon arena. El sistema de bolsas de arena ha sidoutilizado ampliamente en el río Danubio en Europa,observándose que ocurre erosión aguas abajo de laestructura sumergida pero generándose corrientesestables, aguas arriba de la estructura. Generalmente,las secciones son irregulares debido al procesoconstructivo.

Existen tecnologías utilizando bolsas de polipropilenotejido de dimensiones de aproximadamente de 110 a150 centímetros, con diámetro aproximado de 70centímetros y volúmenes de aproximadamente 1/3 demetro cúbico de arena.

Las curvas de ríos con grandes profundidades dethalweg pueden mejorarse, colocando estosvertederos sumergidos a través de la zona másprofunda del thalweg. En esta forma se cambia elsistema de flujo y se redistribuyen las velocidades enla sección transversal, disminuyendo la profundidaddel thalweg y estabilizando la curva.

Vertederos de caída de agua

Los vertederos de caída de agua son estructurasdisipadoras de energía, por cambio fuerte de la cotadel cauce y caída de agua. La pendiente general delcauce disminuye, así como la capacidad de transportede sedimentos por acción del flujo y la erosión.

De acuerdo a la forma de la sección longitudinal losvertederos de caída de agua se pueden diferenciaren:

a. Vertedero de pared inclinada

b. Vertederos Verticales

c. Vertederos en Gradería.

Vertederos de pared vertical

Los vertederos de pared vertical producen una caídalibre del agua. Este consiste en un muro vertical elcual forma un salto en el fondo del cauce. Ladisipación de energía por golpe vertical esgeneralmente muy eficiente. El chorro vertical seconvierte nuevamente en una corriente horizontaldisipándose la energía por difusión del jet de agua.Adicionalmente se puede lograr disipación aún mayorsi se produce un resalto hidráulico en el pozo deaquietamiento.

Los vertederos verticales pueden tener o no un fondorevestido en el pié de caída. Cuando no hay unrevestimiento resistente a la erosión se producesocavación.

El agua cae de la cresta alejada de la pared verticalevitándose la abrasión de la pared, pero ocurreabrasión en su superficie superior y puede ocurrirerosión fuerte en el pié de caída. En el diseño devertederos verticales es muy importante proteger lacresta contra la abrasión y el pié contra la socavación.Cuando no existe protección en el pié del vertederose forma necesariamente un pozo de socavación. Elvolumen y profundidad del hueco depende de la alturade caída, el caudal y la profundidad del agua en elpozo de aquietamiento. La resistencia a la erosión delmaterial del fondo tiene poca incidencia en el tamañodel hueco. Para el cálculo de la socavación serecomienda consultar el capítulo 4.

El vertedero vertical se recomienda en corrientes quecontengan cantos o cantidades grandes de materialde arrastre, donde no es viable construir vertederosen gradería.

La disipación de energía puede requerir de un pozode aquietamiento, construyendo un contravertederoo de la construcción de bloques para forzar laocurrencia de un resalto hidráulico.

Los vertederos de pared vertical pueden construirseutilizando pilotes hincados o fundidos en sitio,gaviones, concreto, bolsacreto, etc.


Superficie del agua

energía

1.00

3.00

i = 10%

1.00 2.50

.50

4.50

Geotextil o

Superficie del agua2.50 1.00

Vertedero

Geotextil o

Cauce

.50

3.00 3.00 3.00

1.00

2.00

1.00

1.00

1.00

1.00

.50

a) Gradas inclinadas hacia atrás

b) Gradas en levantamiento en la corona

Línea de

Gradería

geomembrana

Línea deenergía

geomembrana

FIGURA 13.10 Vertederos en gradería.

Vertederos en gradería

Los vertederos de gradería consisten en un muro queconforma una serie de gradas o caídas intermedias(Figura 13.10). Estas estructuras disipan energía encada grada disminuyendo la velocidad en el pie (Figura13.11). El proceso de disipación de energía escomplejo y difícil de analizar. En caudales bajos ocurredisipación de energía en cada grada por impacto dejet y al aumentar el caudal se forman vórticeshorizontales en cada grada, generándose un flujoespumoso (Skimming flow).

Este tipo de estructura solo debe usarse paravertederos pequeños en corrientes de bajo caudal.Las estructuras en gradas no se recomienda

construirlas en cauces que arrastren cantos de roca.,debido a que con frecuencia ocurre la destrucción delas gradas por acción del golpe de los cantos sobrelos bordes.

Las graderías tienen algunas ventajas sobre losvertederos verticales entre los cuales se indican:

1. Mejor estabilidad estructural

2. Disipación de energía en cada grada

3. Más aireación y mejoramiento de la calidad delagua.

El pozo de aquietamiento puede disminuir o eliminarsesi la altura y longitud de las gradas es tal que se permitela disipación de energía por medio de un resalto


a) Disipaciones cada grada

b) Disipación por rugosidad

FIGURA 13.11 Disipación de energía en graderías ( Hager,1995).

hidráulico en cada grada. Esto puede lograrse basadoen contragradas o de gradas inclinadas.

Se han realizado algunas investigaciones para undiseño adecuado a las consideraciones hidráulicaspero su aplicabilidad se circunscribe a caudalespequeños. En la práctica la geometría de las graderíasy los caudales de diseño altos impiden que se puedadeterminar la energía disipada en cada grada y enconsecuencia se puede determinar la remanente alfinal de la gradería.

El objetivo de las últimas investigaciones tiende aconsiderar las graderías como zonas de granpendiente y rugosidad.

El coeficiente de rugosidad obtenido es alto y varíade acuerdo al caudal y al número de gradas.

Cuando no existen modelos ni un sistema aproximadode diseño confiable es prudente el considerarlas comoun vertedero vertical y diseñar un pozo deaquietamiento, o un sistema de disipación de energía,suponiendo que no hubo disipación en las gradas.

En todos los casos debe estudiarse la presencia decantos en los materiales transportados por la corrienteque pueden destruir a golpes las gradas. En ese casose deben construir trampas para cantos y revestir conhormigón armado las gradas o diseñar una estructuravertical.

Vertederos de pared inclinada

Las estructuras de pared inclinada pueden tenerproblemas de abrasión a lo largo de la superficieexpuesta al flujo del agua y la disipación de energíapuede ser menos eficiente que en otro tipo deestructura. Sin embargo, la erosión en el pie puedeser menor, dependiendo del diseño hidráulico. Suutilización generalmente se recomienda paraestructuras de gran altura, especialmente por su mejorestabilidad general que otros tipos de vertedero,debido a su gran área de cimentación.

El talud de la cara superior del vertedero se debediseñar de una forma tal que la lámina de agua seadhiera a la superficie. Generalmente se utilizanpendientes 2H : 1V a 6H : 1V.

En el pié se debe diseñar un pozo de aquietamiento yun resalto en forma similar a como se realizan losdiseños de vertederos verticales.

Para la disipación de energía se construye un pozode aquietamiento con un contravertedero o conbloques de concreto. Además, de pueden colocarbloques o bafles en la superficie inclinada.

Para la protección contra la abrasión en ocasiones,se utilizan revestimentos en concreto o en asfalto.

Las alas laterales deben ser lo suficientemente altaspara que no sean sobrepasadas por el flujo.

13.2.4 PARTES DE UNAESTRUCTURA VERTEDERO

Obras de acercamiento

Aguas arriba de la cresta se construye una rampa, lacual cumple con los siguientes objetivos:


2.002.00

2.002.00

2.002.00

2.002.00

2.00

Concretoclase 4

bb/2 b/2

Ø

.10

Ø

1.5 : 1Abscisa E

Abscisa PC

Gaviones decuerpo de 2x1x1

Recubrimiento enconcreto clase 4, e=.10

1.0 1.0 1.0 1.0

1.0

T

Flujo

1:1

b2/2

b2

b2/2

6.00

1.00

1.00

Abscisa S

Abscisa PT

1.5 : 1

1.5 : 1

Revestim

ientoen piedra

Esc.No.1

Esc.No.2

Esc.No.3

Esc.No.4

Esc.No.5

Esc.No.n-1

Esc.No.n

Gradería

Pozo

FIGURA 13.12 Planta típica de estructura en gradería tipo Bucaramanga.


FOTOGRAFÍA 13.2 Vertedero en gradería de bolsacreto y contravertedero en concreto.

FOTOGRAFÍA 13.1 Vertedero de talud vertical y contravertedero.


D

D

2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 8.00 1.00 9.00 1.00 2.00 6.00 1.00

Terreno natural por el eje

Muro en Gaviones decuerpo revestido enconcreto clase 4

1.001.001.001.001.001.001.00

1.00 1.00 1.501.00

2.10

Lloraderos Ø1/2" sintubería c/2.00m

Revestimientoen piedrae = 0.30 m

Gaviones decuerpo de2 x 1 x 1

Muro enconcretociclopeo

2.10

h

Muro enconcretociclopeo

Gavionesde base de2 x 1 x .30

Geotextil


Esc.No.1Esc.No.2

Esc.No.3Esc.No.4

Esc.No.5Esc.No.n-1

Esc.No.nLinea limite deexcavación

Pantalla enconcretoclase 4esp.=.10

Lloraderos Ø2"sin tuberiac/1.50

Solado en concretopobre esp.=.05

Revestimiento en concretoclase 4, en fondo y paredesesp. = .10

Graderia

Pozo

3.00

1.00

2.00 5.00 5.00 2.00

14.00

2.90

Revestimiento en concretoclase 4, en fondo y paredesesp. = .10


Relleno común compactado

Linea límite de excavación

Muro en concreto ciclopeo

Sección típica de estructura de control de cauces tipo CDMB

SECCIÓN D-D

1.10

1.00

1.0 0

.50

FIGURA 13.13 Secciones de la estructura en gradería tipo Bucaramanga.


Zo

fofg

fa

Zg

Z1 fb

Z2 Z3

f3

Linea de energíaSuperficie del agua

Cauce Cauce original

Linea de energía

Superficie del agua

VertederoLongitud

del pozo (lb) Revestimiento

original

FIGURA 13.14 Vertedero inclinado en gaviones revestidos en asfalto.

a. Protección de la cresta contra la abrasión

b. Formación de un perfil más suave de flujo en lacresta

c. Evitar la erosión arriba de la estructura.

Cresta

La cresta o parte superior del vertedero tiene por objetocentrar y direccionar el flujo de agua. La cresta debediseñarse en tal forma que se logre la condición deflujo crítico. La cresta debe protegerse contra laabrasión y puede incluir cornisas para separar el flujode las paredes de la caída vertical (Figura 13.16).

Cuerpo del vertedero

El cuerpo del vertedero es una estructura alta quecumple con una serie de condiciones de tipo hidráulicoy adicionalmente funciona como muro de contención.Lateralmente se pueden requerir muros laterales paragarantizar la estabilidad geotécnica del vertedero.

Pozo de aquietamiento

En la mayoría los casos se requiere un pozo deaquietamiento en el pie del vertedero para maximizarla disipación de energía, controlar las velocidades yevitar la erosión. Este pozo de aquietamiento puedeestar expuesto a fuerzas muy grandes de socavación,abrasión e impacto. Al final del pozo de aquietamientose puede requerir la construcción de uncontravertedero.

Tapete aguas abajo

Para su eficiente funcionamiento las estructuras devertedero deben tener un tapete o revestimiento deprotección contra la erosión, hacia aguas abajo o delo contrario deben poseer una profundidad adecuada

de cimentación para evitar socavación. Puedenrequerirse además paredes de empotramiento dentrodel talud para evitar separación por erosión.

13.2.5 DISEÑO DE UNVERTEDERO

El diseño de un vertedero requiere de un análisishidráulico, el cual se basa generalmente en lassiguientes suposiciones (Taggar y otros, 1996):

a. En la cresta se presenta condición de flujo críticoen toda la sección del flujo, utilizando criteriosconvencionales.

b. Con la información de los caudales y perfiles paraflujo crítico se pueden obtener perfiles de agua paraflujo supercrítico en la caída, asumiendo que ladescarga unitaria no varía hasta después de queocurra un resalto hidráulico (Figura 13.17).

c. En el pozo de aquietamiento se debe formar unresalto hidráulico.

Diseño de la cresta

La cresta es la parte central del vertedero a través dela cual debe pasar el caudal del diseño.

El diseño debe incluir la parte hidráulica y estructural.Para un determinado caudal de diseño debemantenerse el flujo en el centro del río. Debe diseñarseun pozo de aquietamiento para la disipación de laenergía u otro elemento que cumpla la misma misión,debe proveerse un sistema que impida la socavación,y si hay transporte de sedimentos, deben proveerseprotecciones contra la abrasión y el impacto.

La estabilidad estructural incluye chequeos contradeslizamientos y volcamiento; levantamiento del pozode aquietamiento por subpresiones y capacidad desoporte.


FIGURA 13.15 Detalle de vertedero en gaviones con sección inclinada.

1.5 3.0 1.53.024.00

5.50

3.75 22.58 3.75

7.80 14.10

5.50

7.80

1.25

4.00

3.25 0.5 21.5 0.5 0.75 2.00 0.5 0.5

1.00

1.00

2.00

3.00

1.00

2.00

3.00 3.00 3.00 3.00

1.00

2.00

2.00

3.00

.20

0.5

Planta

Sección longitudinal

Sección transversal

Pared lateral

AletasPerfil Creaser-Scimeni

Aletas

Arena-asfaltoConcreto


1.601.10 .50

.10

1.00

.28

.20 .30

1.25

1.07 .46

Ø8"

Ø12"

.12

Ø8"

Ø12"

.46.46

7.00Ø8"

Ø12"

Ø8"

1 Ø 12" c/50 cm.

Corriente

Ø8"

FIGURA 13.16 Protección de la cresta.

h

Yp

Aire

Yo

Y1Y2

Ld L

q

FIGURA 13.17 Régimen hidráulico de una caída vertical.

La cresta rectangular puede diseñarse de acuerdo ala siguiente ecuación (Agostini y otros 1981):

gogog fzgfzlQ −−= 2μ

Donde:

Q = Caudal de diseño (m3/seg.)

μ = Coeficiente de descarga (variable de 0.385 a0.6) (depende de la velocidad del flujo antesde la cresta, entre más velocidad, mayor elcoeficiente).

g = Aceleración de la gravedad

lg = Ancho de la cresta

zo = Elevación de la superficie del agua, aguas arribade la cresta donde los efectos de la contraccióndesaparecen.

fg = Elevación del fondo de la cresta.

Con esta ecuación los valores más convenientes delg, zo y fg pueden determinarse para un caudal conocidoy un valor de μ estimado.

Con zo y fg calculados, la altura de agua (zg - fg) puedeser determinada, la cual es generalmente igual a 2/3fg.


A A

Relleno Contravertedero

Vertedero

Línea de energíaSuperficie de agua

Cauce original

Vertedero Socavación

Cauce originalSocavación

Contravertedero

Relleno

Planta

Seccion A-A

Zg

fg

fo

fb

Z1

Z2

fo Z3f3

Cauce original

Anch

o d e

cre

sta

(lg)

El valor de la altura de las alas de la cresta debe tenermínimo cuarenta centímetros por encima de zo.

Cuando la cresta no es rectangular sino trapezoidal ocurva, la relación entre la descarga y la cabeza deagua debe obtenerse, suponiendo que en la crestadel vertedero ocurre flujo en estado crítico.

Para la profundidad de flujo crítico (zg - fg) correspondeuna velocidad crítica.

bcAgcV =

y un caudal

bAgAQ c

c=

donde:

Ac = Área de la sección de flujo para una profundidadigual a la profundidad crítica

b = Ancho de la superficie del agua.

La cresta está sujeta a peligros de corrosión y abrasión,los cuales deben prevenirse ya sea con una cubiertade madera o de concreto. Como la rigidez del concreto

FIGURA 13.18 Vertedero en gaviones con pozo sin revestir.


Nivel de agua

Suelo original

Superficie de agua

Superficie de agua

Tapeteestructura

dc

Longitud del pozo(Lb)

lo

Zg

fg

Zv

Z1

Z2

fb

fc Z3

f3

Zv

dc

Longitud del pozo(Lb)

loTapete

Superficie de agua

Suelo original

Zg

fg

Z1fb

Z3

f3

Z2

Superficie de agua

a) Con contravertedero

b) Con pozo enterrado

Línea de energía

Línea de energía

Río y

Línea de energía

Línea de energía

no es consistente con la flexibilidad de algunosmateriales para vertederos deben proveerse juntas enla cubierta de concreto. En el caso de trinchos enocasiones la cresta se recubre con arena-asfalto queprovee una protección flexible.

13.2.6 DISEÑO DEL POZO DEAQUIETAMIENTO

Pozo de aquietamiento con pisodescubierto

Se pueden emplear en estructuras de escasa alturacuando el fondo del cauce está formado por materialesgruesos y compactos. Si el piso es erosionable debe

FIGURA 13.19 Secciones de vertedero con pozo revestido.

calcularse la distancia de caída de agua y laprofundidad de socavación producida y cimentar laestructura por debajo de esta profundidad. Esconveniente colocar grandes cantos en el fondo delpozo para prevenir socavaciones.

La distancia de caída del agua es el estudio de la caídade un cuerpo libre en ausencia de fricción, de unaelevación (zg - f3) con una velocidad horizontalaproximadamente igual a la crítica.

La distancia de caída del chorro medida desde lacresta es igual a (Agostini y otros 1981):

)()(2 3fzfzX ggg −−≅


AA

Tapete

Pared aguas abajo

Pared aguas abajo

Recubrimiento de pozo

Ancho decresta

Vertedero

Relleno

lb

Suelooriginal

Ancho de la cresa (lg)

Ancho de la cresa (lb)

Suelooriginal

fb

fgZv

Zo

Ancho de la cresa (lg)

Zg

Planta

Sección A-A

Con

trave

rted e

ro

FIGURA 13.20 Vertedero con pozo revestido.

Cuando no hay contravertedero z2 = z3 y fc = f3

La profundidad de socavación ( z3 - f3) se puedecalcular mediante la expresión de Schoklitsch (1932):

32.090

57.02.03

3)(

75.4d

qzzfz ob

-=−

Donde:

q = Descarga por metro de ancho en m3/seg.

d90 = Diámetro correspondiente al 90% de pasantesen el ensayo de granulometría del suelo delfondo del cauce.

Esta fórmula permite concluir que la profundidad desocavación puede disminuirse, si se aumenta la alturade agua en el pozo de aquietamiento. Esto puedelograrse construyendo un contravertedero a unadistancia tal y con una altura suficiente para formar unflujo subcrítico.

En este caso el flujo sobre el contravertedero está dadopor la ecuación

)(2)( 2 cgcc fzgfzlQ −−= μ

Donde:

μ = Coeficiente de descarga (0.4 a 0.6)

lc = ancho del contravertedero en m.


1.00

4.00

4.00

17.00

30.00

1.00

5.00

Definiendo la elevación z2 que produce una socavaciónaceptable se puede obtener la elevación fc.

La disipación de energía abajo del contra-vertederodebe ser muy baja o de lo contrario se podría presentarerosión severa aguas abajo de la estructura.

Para diseñar el pozo de aquietamiento se requiereconocer la elevación z3. Esta se puede calcularasumiendo condiciones de flujo uniforme de acuerdoa las ecuaciones tradicionales de la hidráulica.

Pozo de aquietamiento con fondo revestido y contra-vertedero.

En este caso las dimensiones del contravertederopueden obtenerse fácilmente con la ecuación.

)(2)( 22 ccc fzglfzQ −−= μ

FIGURA 13.21 Vertedero de gaviones en gradería con piso descubierto.

y la longitud total del pozo de aquietamiento está dadapor la ecuación:

)(9.6)2( 122

zzfzfz

ffzLvzgg

ggbggb −+

+−

−+=−

En grandes estructuras es conveniente verificar losvalores obtenidos por medio de un modelo.

El flujo encima del contra-vertedero puede analizarsepor medio de la siguiente ecuación:

)(2)( 22 ccc fzgfzlQ −−= μ

Control de resalto con levantamientodel terreno

En ese caso el flujo puede representarse en funcióndel número de caída D (Fortier y Scobey, 1926).


Wh2

hwsB

LCLB

45º

b

bB

se

32 )(/ bg ffgqD −=

Las dimensiones del pozo de aquietamiento puedenobtenerse de las siguientes ecuaciones (Moore-1943,Rand-1955):

27.01 30.4)(/ DffL bgg =−

22.000.1)(/)( Dfffz bgbv =−−

425.01 54.0)(/)( Dfffz bgb =−−

27.02 66.1)(/)( Dfffz bgb =−−

)(9.6 1212 z zL −=

Tanques amortiguadores

El tanque amortiguador es un tramo corto, horizontalde canal en el pié del vertedero, cuyo objetivo esdisipar la energía.

Estos tanques amortiguadores generalmente poseenun sistema que induce la disipación. Entre lossistemas empleados para disipar energía en tanquesamortiguadores se encuentran:

• Un contravertedero o levantamiento del nivel al finaldel canal.

• Bloques o salientes de concreto en el fondo delcanal.

• Bloques o dientes a la entrada y salida del tanqueamortiguador.

• Rugosidad en el fondo del canal.

Entre los tanques amortiguadores típicos se conocenlos siguientes:

Sistema de Donnely y Blaisdell

Donnely y Blaisdell (1965) desarrollaron un tipo deestructura con caída libre y pozo de aquietamientocon una serie de bloques de concreto (Figura 13.22).Esta estructura es eficiente para alturas de caída dehasta 15 veces la altura de flujo crítico ( H ≤ 15 hc ) ypara anchos de canal b > 1.5 hc.(Hager 1995).

3/1)2(/2 ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡= gbQch

Lc = 1.75 hc

h2 = mínimo 2.5 hc

Altura de bloques = 0.8 hc

Ancho de bloques = 0.5 hc

% de sección bloqueada = 50 %

Altura del contravertedero = 0.4 hc

Altura de paredes laterales = 3 hc

La longitud del pozo de aquietamiento depende de ladistancia de caída del chorro de agua (X)

Longitud total del pozo de aquietamiento = X + LB+ LC

LB = 0.8 hc

LC = 1.75 hc

FIGURA 13.22 Vertedero vertical con bloques de concretode acuerdo al modelo de Donnelly y Blaisdell (1965).


Modelo de Bradley y Peterka

Uno de los modelos más conocidos es el desarrolladopor Bradley y Peterka (Peterka1958), en el cual secolocan una serie de bafles intercalados en tal formaque una hilera intercepta totalmente el área libre de lahilera anterior (Figura 13.23).

El modelo de Bradley y Peterka tiene las siguientescaracterísticas:

• La altura de los bloques es igual a 0.8 hc

Donde hc = Altura de flujo crítico

• Los anchos y las separaciones laterales de los delos bafles deben ser iguales a 1.5 veces la alturade los bloques.

• La separación longitudinal entre hilera es de 2veces la altura de los bloques.

• La primera hilera debe colocarse a no más de 0.3mde elevación por debajo del fondo de la cresta.

• Las paredes laterales del canal debe tener unaaltura superior a 3 veces la altura de los bloques.

• La pendiente máxima es 2H : 1V.

0.5 1xS

2.0

1.5

1.5

Vo

3.0

0.7

0.2

FIGURA 13.23 Vertedero inclinado con bloques o bafles de acuerdo al modelo de Bradley y Peterka (Peterka 1958)

• Se requiere un mínimo de 4 filas para obtener unadisipación eficiente.

• El caudal de flujo por unidad de ancho no debeexceder 5.7 m3/seg

• En todos los casos se requiere protección contrala socavación en el pie de la estructura.

Tanque SAF (Saint Anthony Falls)

El cual tiene unos bloques o dientes a la entrada, otrogrupo de bloques en medio y un levantamiento al finaldel tanque (Figura 13.24). Los dentellones debenquedar alineados con las aberturas entre los bloquesde entrada. Los dentellones ocupan en general másdel 40% del ancho del tanque amortiguador.

Tanques USBR

El US Bureau of Reclamation (1977) desarrolló unaserie de pozos de aquietamiento típicos paravertederos de pequeñas presas (Figuras 13.25, 13.26,y 13.27). El tanque USBR II utiliza dientes de disipacióna la entrada y salida del tanque y el tanque USBR IVposee dientes de disipación a la entrada y unlevantamiento al final del tanque.


FOTOGRAFÍA 13.4 Falla de un vertedero por socavación general.

FOTOGRAFÍA 13.3 Vertedero en gradería de gaviones.


FIGURA 13.24 Dimensiones de un tanque de aquietamiento Saint Anthony Falls (SAF).

B 1

n @

3 y

+1

41

3 y

+8

1 3 y +1

LB

L /3B

3 y

8f 3 y

+z

2

0º a

90º

45º p

refe

rible

men

te

3 y +z2

3 y

+8

1

B =

B l

2L

/D2

fB

B =

B l

2L

/3D

2f

B

n @

3 y

B +

24

f2 Bf

tota

l de

bloq

ues

0.40

B = 2<

= 0.

55 B 2

<An

cho

3 y

8f

Z

y2

Variable

Muro interceptor

Pared lateral

Variable

Bloques de entrada

Dentellon de pisoEscalón final

Pared lateral

Aleros

Inclinación superior

Tanque amortiguador trapèzoidal Tanque amortiguador rectangular

y +z2

VariableB = B l 2L /D'3 1 B

Tanque amortiguador rectangular media planta

Tanque amortiguador trapezoidal media planta

Sección al centro del claro


4

8

12

16

20

24

4 6 8 10 12 14 16 18NUMEROS DE FROUDE

3

4

5

h= d1

w = d1 1

s = d1 1

d /21

w = d1 1

h = 0.2 d2 2

w = 0.15d2 2

s = 0.15d2 2

0.2 d2

L

PROFUNDIDADES DE AGUA

Prof.

d

= 1.05

2

dd

=

12

12(

1+8F -1)2

4

8

12

16

20

24

NUMEROS DE FROUDE

d2h2h1Ø

4 6 8 10 12 14 16 18

LONGITUD DEL SALTO

x

L

v f Df

3

4

5

PR

OFU

ND

IDAD

DE

AG

UA

d 1

L d 2

FIGURA 13.25 Tanque de aquietamiento USBR II (USBR 1977)


8

12

16

20

24

0

2

4

2

3

h=d1

s = d1 1

w = d1 1

0.5 d1

s = 0.75h3 3

w = 0.75h3 3

0.375 h3

Salto final

L0.8 d1

Bafle



Prof.

d

= 1.0

2dd =

12 1

2 ( 1+8F -1)2

8

12

16

20

24

ALTURA DE BAFLE h

ALTURA SALTO h

ALTURAS DE BAFLES Y SALTO FINAL

3

4

LONGITUD


1 : 12 : 1

PR

OFU

ND

IDA D

DE

AG

UA

L3h

4ho

1dd 1

2dd 1

FIGURA 13.26 Tanque de aquietamiento USBR III (USBR 1977).


1.25 d12 d1

2.5 w2 d min.1

L

7

6

5

4

3

2

2 3 4NUMEROS DE FROUDE


T.W.

d

= l.l

1

dd

=

12

12(

1+8F -1)2

LONGITUD

6

5

4

5

2 3 4 5

NUMEROS DE FROUDE

7

6

5

4

3

2

6

5

4

LPR

OF U

ND

IDA

D D

E AG

UA

2d1d

FIGURA 13.27 Tanque de aquietamiento USBR IV (USBR 1977).


13.2.7 DISEÑO DE VERTEDEROSEN GRADERIA

Los vertederos en gradería generalmente se diseñancomo un canal muy rugoso de pendiente altaconsistente en una serie de gradas de altura s ylongitud de grada ls.

Como se indicó anteriormente se forman una serie devórtices horizontales en las gradas produciéndose ladisipación de la energía.

De acuerdo a la forma, tamaño y pendiente de lagradería se puede obtener un coeficiente de fricción yen esta forma determinar las características del flujo.Stephenson (1991) analizó el efecto de lascaracterísticas de la gradería en la disipación deenergía y presentó una expresión para el porcentajede disipación de energía DH / H0.

3/1

2/10

25.00 (84.0

−

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=∆

gHq

HH

θ

Donde:

H0 = Altura total de la gradería

q = Pendiente aproximada de la gradería en grados.

De acuerdo a Stephenson, el tamaño de las gradasno es determinante y las graderías de menor pendientedisipan mejor la energía que las graderías de altapendiente. Sin embargo, Christodoulou (1993)encontró que la altura de las gradas, el número degradas y la relación entre s y ls influyen en formaimportante en la disipación de energía. El aumentodel número de gradas aumenta la eficiencia de ladisipación de energía y mejora el comportamiento dela gradería.

Las graderías de grada ancha también puedendiseñarse con un resalto hidráulico en cada una delas gradas. En este caso la pendiente general de lagradería no puede ser muy alta. Las gradas puedenser verticales o formando una curva hidráulica comola presentada por Agostini y otros (1981), en la cual laparte más alta de la grada o vertedero tiene una curvade acuerdo al perfil Creager – Scimemi (Figura 13.28),representado por la ecuación:

8.147.0 xy =

La longitud de la grada Ls para que ocurra el resaltohidráulico debe ser mayor de 6.9s.

FIGURA 13.28 Estructuras en gradas utilizando la secciónCreager – Scimemi.

4.00

1.40Zo

fofg x

1

Z1

1

g

g

fbfc

Z2

2

2

1.40

7.40 19.00

o

o

12

3

2.092.60.30

.30

.30

.30

.30

.30

.30

.30

.30

.30

.60

.90

1 .2

1.5

1.8

2.1

2.4

2.7

5.3

7.4

4.22

5.20

2.3 0

.25

R=0.8

0.6

Y

AB

C

D

E

S

R=2.9

1.61

1.31

1.02.78

.58

.37

a) Perfil de flujo

b) Perfil general de gradería

c) Secciones Creager - Scimemi


13.3 MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DEESTRUCTURAS DE CONTROL DE FONDO DE CAUCES

Vertederos en Gaviones

Los gaviones son muy útiles para la construcción depequeñas presas de control de erosión para flujostransitorios o permanentes. Las presas pueden serformadas por una sola hilera de gaviones, o por variassegún sea el caso. Su facilidad de construccióndepende de que en el sitio se consiga piedra de buentamaño para los gaviones. Los vertederos en gavionesse pueden realzar después de construidos colocandohileras adicionales de gaviones.

Detalles constructivos

Se recomienda construir el fondo del pozo deaquietamiento con gaviones de 0.30 a 0.50 m. deespesor, formando dos capas para que al fallar existaun fondo adicional.

Se ha encontrado (Manual Maccaferri) que este tipode doble protección ha dado mejores resultados deestabilidad. Los cantos deben ser de 20 a 30 cms. dediámetro preferiblemente redondeados. Debajo delfondo debe colocarse un manto geotextil.

Los taludes laterales deben protegerse aguas abajo yarriba de la estructura en una distancia conveniente.

Vertederos en Bolsacreto

Las estructuras en bolsacreto son generalmente másrígidas que los gaviones y son de gran utilidad en sitiosen los cuales no es posible conseguir piedra paragaviones. Al igual que con los gaviones, los vertederosse pueden realzar después de construidos.

13.4 ESTABILIDAD DE LAS ESTRUCTURAS

Erosión interna en presas y vertederos

Como la presencia de una estructura de controlproduce un levantamiento del nivel de agua, aguasarriba el agua trata de percolar por debajo y alrededorde la estructura. Este flujo puede tener velocidadescapaces de remover partículas de suelo de lafundación y de esa forma se erosiona internamente elmaterial.

Para estos casos se recomienda trazar una red de flujoa través de la fundación. Para diseños preliminaresde pequeños vertederos se puede emplear la ecuaciónde Bligh (1946); según este criterio la trayectoria totalde flujo por debajo del vertedero debe ser:

hcL ∆>

Donde:

Dh = Diferencia de cabeza de aguas abajo a aguasarriba.

c = Coeficiente de Bligh que depende del suelo.

C Tamaño departículas (mm) Tipo de suelo

20 0.0-0.05 Limos finos18 0.06-0.10 Limos gruesos15 0.12-0.25 Arena fina12 0.30-0.50 Arena media10 0.60-1.00 Arena gruesa9-4 2.00 Grava6-3 0.005 Arcilla dura

TABLA 13.1 Valores del coeficiente c de Bligh para controlde flujo interno.

Como la permeabilidad del gavión es alta encomparación con el suelo alrededor, las estructurasen gaviones se comportan como drenes y recogenaguas. En esta forma debido a los gradienteshidráulicos altos, las partículas de suelo sontransportadas hacia los gaviones pudiéndosepresentar el colapso de la estructura. Este problemase puede evitar por medio de pantallas subterráneasy permeables que intercepten el flujo.


Otro sistema de control de erosión interna es el decolocar capas de filtro entre los gaviones y el suelopara permitir el paso del agua impidiendo el transportede partículas. Últimamente se han intensificado el usode textiles con este objetivo. De todas formas esconveniente emplear la fórmula de Bligh en todos loscasos.

Estabilidad estructural

Una presa vertedero se considera como un muro degravedad sujeto a las fuerzas de gravedad y presionesdel suelo y del agua.

El diseño debe incluir:

a. Estabilidad contra volteo

b. Estabilidad contra deslizamientos

c. Estabilidad contra levantamiento

d. Capacidad de soporte del terreno

e. Cálculo de asentamiento

f. Resistencia interna del material (En estructuras degran altura).

REFERENCIAS

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Bligh, (1912) “Practical design of irrigation works”, Constable, London.

C.D.M.B. Hidroestudios Ltda. (1977) “Norma técnicas para diseño de alcantarillados”

Christodoulou, G.C. (1993) “Energy dissipation of stepped spillways. J. Hydraulic engineering 119 (5): 644-650.

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