SECCIÓN N° 6

PROTECCION CONTRA LA EROSION

6.1 INTRODUCCION

Las actividades de infraestructura vial llevan consigo una serie de operaciones, generalmente de alcance considerable, que producen importantes cambios en la morfología local. Se hacen excavaciones o cortes, relleno de terreno, se construyen vías de acceso, se construyen campamentos, se hacen zanjas o badenes, se interrumpe o se modifica el cauce de un río o quebrada, se mueven grandes volúmenes de tierra, se forman terraplenes y depósitos de estériles excedentes y el uso de canteras. Todo ello favorece el fenómeno de la erosión y trae problemas de carácter ambiental. Dicho fenómeno se ve acentuado ante la ausencia de cobertura vegetal, así como por la formación de taludes de fuerte pendiente.

La erosión se define como el desgaste de la superficie terrestre por la acción de agentes extremos como el agua y en menor cuantía por el aire. En el caso de la infraestructura vial es la erosión hídrica la más importante y la de efectos más perjudiciales, se produce, cuando se disgregan las partículas de los materiales superficiales y son arrastrados de dichas superficies por la acción del agua.

El impacto de las gotas de lluvia sobre las superficies desnudas de los nuevos suelos de las áreas excavadas y de las construidas con los estériles, provoca, por un lado, una destrucción de los agregados de esos materiales produciendo la liberación de partículas finas y, por otro, una disminución de la velocidad de infiltración como resultado de la formación de una costra más importante debido a la compactación. Si cae más lluvia de la que puede infiltrarse en el suelo, se producen entonces las escorrentías.

6.2 FACTORES QUE COMPONEN LA EROSIÓN HÍDRICA

La desagregación, transporte y sedimentación de las partículas del suelo por las gotas de lluvia y el escurrimiento superficial definen el proceso de erosión hídrica. Este se ve afectado por varios factores, como ser, el clima, el suelo, la vegetación y la topografía.Los factores climáticos tienen un papel importante en la erosión hídrica, siendo las precipitaciones, tanto en su intensidad como en su duración, el elemento desencadenante del proceso. No obstante, la relación entre las características de la lluvia, la infiltración, el escurrimiento y la pérdida de suelo, es muy compleja.

La erosión que provoca la gota de agua, es el producto de la energía cinética de la partícula de agua sobre partículas de suelo que se disgregan ante el impacto de las gotas de lluvias.Algunas características del suelo como su agregación, su textura, su capacidad de infiltración, entre otras, afectan su erosionabilidad.

Si bien la influencia de la vegetación sobre la erosión hídrica, varía con la época del año, cultivo, grado de cobertura, desarrollo de raíces, etc., podemos considerar que su efecto se relaciona directamente con la intercepción, velocidad de escurrimiento e infiltración.

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La topografía influye en el proceso a través de la pendiente. Debiéndose considerar su longitud, magnitud y forma.

6.3 EL PROCESO DE LA EROSIÓN HÍDRICA

Se define el fenómeno de la erosión como un proceso de desgaste, transporte y deposición de las partículas de la masa de suelo. La sedimentación, proceso de deposición del material erosionado y transportado, ocurre a veces lejos del lugar de origen, pudiendo provocar tanto o más daño que la erosión misma.

El impacto de las gotas de lluvia y el escurrimiento representan los agentes externos que trabajan para vencer la cohesión de las partículas de la masa de suelo y provocar su transporte.

Una vez que la capacidad de infiltración y de almacenamiento superficial está satisfecha, comienza el escurrimiento, arrastrando las partículas sueltas y las que su fuerza misma desagrega.

Cuando el suelo está expuesto, la desagregación por la lluvia es una acción generalizada. Pero la desagregación por el escurrimiento es una acción dirigida que actúa sobre una pequeña parte de terreno en el cual éste se concentra con velocidades erosivas.

Si bien existe una combinación entre el transporte por salpicadura y por escurrimiento, ambos tienen características propias. Por salpicadura el suelo se mueve hacia los surcos y cárcavas y así es transportado por el escurrimiento conjuntamente con el material que éste desagrega. La capacidad de transporte está directamente vinculada a la velocidad y turbulencia del flujo.

La deposición ocurre cuando la velocidad del escurrimiento disminuye, realizándose en forma selectiva, primero se depositan los agregados y la arena y luego, a mayor distancia, el limo y la arcilla.

6.4 TIPOS DE EROSIÓN HÍDRICA

Erosión laminar: Es la más extendida y la menos perceptible. El daño causado, a igualdad de pérdida del suelo es mayor, ya que selecciona las partículas del suelo (deja atrás las más gruesas, llevándose el limo, la arcilla y la materia orgánica)

Erosión por arroyamiento: Tiene lugar cuando el agua concentra el poder erosivo a lo largo de un canal, en función de su energía cinética. Presenta tres tipos:

Regueros o canales de menor tamaño. Pueden cruzarse y suavizarse con operaciones normales de laboreo. El efecto es parecido al de la erosión laminar.

Cárcavas y barrancos que se forman donde se concentra el agua que fluye descendiendo por una pendiente.

Erosión de depósitos fluviales, que tiene lugar cuando el canal principal de una corriente establecida incide contra sus propios sedimentos

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Coladas de lodo: Desplazamientos de tierra en forma de fluido viscoso por efecto de la gran cantidad de agua embebida en el suelo

Deslizamientos. Pueden ser de dos tipos:

Superficiales: una capa superficial de terreno resbala por efecto de la gravedad y de la cantidad de agua embebida.

De fondo: una capa permeable resbala sobre otra más profunda impermeable, debido a la formación de un plano lubricado

Reptación: Movimiento lento e imperceptible de una película superficial de suelo en el sentido de la pendiente, debido a causas varias

Erosión en túnel: Se manifiesta por hundimientos y deslizamientos, debidos a flujos subterráneos, o a la existencia de rocas solubles que dan lugar a cavernas

Figura 6.1 tipos de erosión

6.5 CONTROL DE LA EROSIÓN DE ORIGEN HÍDRICO

Presas filtrantes destinadas a retener el suelo arrastrado por la escorrentía superficialExisten varias formas de controlar la erosión de carácter hídrico. Entre otras se puede mencionar: El incremento de la cobertura vegetal del área a ser protegida. Esto se puede hacer de varias formas: Mediante la reforestación; Evitando el sobre pastoreo de las praderas; En terrenos cultivables, hacer uso de técnicas adecuadas de labranza, y procurar que los cultivos estén crecidos en el período de lluvias; Construir retenes artificiales de los suelos arrastrados por el escurrimiento superficial de las aguas de lluvia.

6.6 CLASIFICACIÓN DE LOS REVESTIMIENTOS

Debido al gran número de materiales, actualmente disponibles, utilizados en la estabilización y protección de canales; sería útil clasificarlos en base a sus características y desempeño. Los

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revestimientos se clasifican como rígidos (por ejemplo el concreto) y flexibles (por ejemplo el enrocado). Además los revestimientos flexibles se dividen en temporales y permanentes. Los materiales de revestimiento pueden clasificarse en:

1.- Revestimientos rígidos: Concreto vaciado en el lugar Concreto asfáltico puesto en el lugar Mampostería de piedra Suelo-cemento2.- Revestimientos flexibles: Enrocado (Rip-Rap) Gaviones Revestimiento de vegetación

6.7 ENROCADO EN CANALES (rip-rap)

El enrocado (rip rap) es una cobertura permanente y resistente a la erosión del terreno de un curso de agua hecha de piedras grandes, sueltas y angulares. El enrocado, disminuye la velocidad de la escorrentía concentrada o estabiliza taludes con problemas de filtración, debido a suelos no cohesivos. EL enrocado debe colocarse en contacto suelo- agua, donde las condiciones del suelo, la turbulencia del agua, la velocidad del agua y la cubierta vegetal prevista son tales que el suelo puede erosionarse bajo las condiciones de flujo de diseño.

El tamaño del enrocado puede diseñarse ya sea por el diámetro o por el peso de las piedras. Sin embargo, es más sencillo especificar el diámetro de un tamaño equivalente de piedra esférica.

Figura 6.2 a) Uso de piedras en revestimiento de canales b) Protección de las alcantarillas

Existen programas de software, como el SEDCAD, el cual proporciona el diámetro promedio del material de enrocado en función a la velocidad, talud lateral y radio hidráulico del canal. Las velocidades máximas permisibles en función al diámetro se dan en el Cuadro 6.1.

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Tabla 6.1: Relación del diámetro del rip –rap y velocidad del flujo

D50 (mm) Velocidad máxima (m/s)

1.90 0.763.81 1.377.62 1.9815.24 2.7422.86 3.5130.48 3.9638.10 4.42

6.7.1 DISEÑO DE ENROCADOS

Las márgenes de los ríos, mayormente están constituidos por arena y limo, siendo necesario por esta razón, en épocas de grandes avenidas en que se incremento considerablemente la fuerza de arrastre de la corriente, mantener alejada el agua de aquellas áreas susceptibles de erosionarse; tal como sucede con las orillas cóncavas, Para ello se utilizan los enrocados de recubrimiento cuya estabilidad está basada en la determinación analítica de los esfuerzos cortantes creados por el flujo y de su capacidad de recubrimiento para soportar estas fuerzas.

6.7.1.1 Esfuerzo Cortante promedio

El buen funcionamiento de una protección con enrocado, está relacionada con las fuerzas hidrodinámicas de arrastre y levantamiento, las que son creadas por las velocidades de flujo y son proporcionales al esfuerzo cortante local.

El esfuerzo cortante promedio, que actúa sobre el perímetro mojado de una sección de canal, donde el flujo es uniforme y el cauce es recto, esta dado por la siguiente expresión:

~τ 0=γ ∙ R ∙ S… ……(6.1)donde :~τ o= esfuerzo cortante promedio; kg / m2γ= peso especifico del agua; kg/m3R = radio hidráulico; m/mS = pendiente de la línea de energía; m/m

Para el cálculo de la velocidad media del escurrimiento, suelen emplearse muchas relaciones, siendo una de las más utilizadas la de Chezy, cuya expresión es la siguiente:

V=C ∙(R ∙ S)1 /2 ……… (6.2 )

donde :C = coeficiente de Chezy

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R, S = definido anteriormenteEn base a ello, la relación (6.1) puede expresarse así:

~τ 0=γ ∙V 2

C2 ………(6.3)

Para canales rugosos, Ven Te Chow, presenta la siguiente ecuación para el cálculo de "C":

C=18 ∙ log10 ∙12,2 ∙ R

K……… (6.4)

Siendo:K = rugosidad equivalente de la superficie del canal expresada en metros.Sustituyendo la relación (6.4) en (6.3) se tiene:

~τ 0=γ ∙V 2

[18 ∙ log10 ∙12,2 ∙ R

K ]2 ………(6.5)

6.7.1.2 Esfuerzo Cortante Local

En cauces muy anchos ( T = 10 y ), el radio hidráulico se aproxima al tirante, de manera que R = Y. Si se sustituye la velocidad V por V promedio de velocidad de una vertical; y el valor K por el diámetro promedio de la roca D50 en metros; la relación (6.5) se transforma en:

~τ 0=γ ∙V 2

[18 ∙ log10 ∙12,2 ∙Y

D50 ]2 … ……(6.6)

Ecuación que representa el esfuerzo cortante en cualquier punto, sobre el perímetro mojado. Esta ecuación se encuentra representada en la Figura 6.3.

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Figura 6.3 Relación entre los valores de los esfuerzos cortantes y sus correspondientes cotangentes o taludes

θ=¿Angulo de talud con la horizontal

∅=¿Angulo de reposo del material =40°

τ ,=¿Esfuerzo cortante de diseño en taluddel canal

τ=¿ Esfuerzo cortante de diseño en fondo del canal

K1=τ ,

τ=(1− sen2 θ

sen2∅ )1/2

Relación entre esfuerzos cortantes de diseño de fondo y talud para canales trapezoides

6.7.1.3 Esfuerzo Cortante en Curvas

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Para la determinación del esfuerzo cortante local en una curva, se puede utilizar la Figura 6.4. Los valores de los esfuerzos cortantes locales obtenidos por la ecuación 6.6, deberán ser multiplicados por la relación Tb/Ta, obtenida de la Figura 6.4, a fin de hallar el valor del esfuerzo cortante local en la curva Tb.Ta = esfuerzo cortante promedio en el canal aguas arriba,Tb = esfuerzo cortante local afectado por la curva

Figura 6.4 Corte en curvas de canales

6.7.1.4 Esfuerzo Cortante para Diseño de Enrocado

Se refiere al valor del esfuerzo cortante local que una roca de determinado tamaño resiste con condiciones de seguridad.El esfuerzo cortante local permisible sobre el fondo de un canal plano se expresa como:

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τ=a ∙ (γ s−γ ) ∙ D50……… (6.7)donde :γ s=¿peso específico de la roca ( Tn / m3 )γ=¿peso específico del agua Kg/cm3 ó Tn/m3a= coeficiente dimensionalD50=diámetro promedio de la roca (mts.)τ=¿esfuerzo cortante local en el fondo el canal

El esfuerzo cortante de diseño para el enrocado colocado en los taludes de un canal esta dado por la relación:

τ ,=τ (1− sen2θsen2∅ )

1/2

……….(6.8)

donde :τ , = esfuerzo cortante de diseño en los taludesθ = ángulo del talud con la horizontal∅ = ángulo de reposo del enrocado, generalmente es 40°Esta ecuación 6.8, está representada en la Figura 6.5.El esfuerzo cortante local en cualquier punto de la sección de un canal revestido con roca no deberá exceder el valor de diseño permisible obtenidos por las ecuaciones (6.7) y (6.8).

τ 0≤ τ , ………(6.9)

El valor mínimo para Cotg θ debe ser z; es decir m = 2.

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Figura 6.5 Relación entre los valores de la ecuación básica, la profundidad de flujo y el diámetro

6.7.1.5 Espesor de la Capa del Enrocado

a) El espesor del enrocado para una colocación práctica, no deberá ser menor de 30 cm.

b) El espesor deberá aumentarse en un 50% cuando el enrocado es colocado bajo agua, como previsión por la incertidumbre asociado a este tipo de colocación.

c) Un incremento de 15 a 40 cms. acompañado con un incremento apropiado del tamaño de la roca, deberá proveerse donde el revestimiento estará sujeto al ataque de olas.

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6.7.1.6 Colocación del Enrocado

La colocación del enrocado se efectúa sobre el talud debidamente acondicionado y sobre el filtro de tal manera que no se produzca segregación. El enrocado deberá ser de roca bien graduada y los intersticios deben ser rellenados con material pétreo de menor tamaño, de tal manera que exista el menor porcentaje de vacios. El enrocado deberá ser colocado a su espesor total en una sola operación de manera de evitar el desplazamiento del material que se encuentra abajo. No debe colocarse el enrocado por capas.

Figura 6.6 Diseño de enrocado para canales con pendiente pronunciada

(Ancho de la base = 0 m, talud lateral = 3:1)

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Figura 6.7 Diseño de enrocado para canales con pendiente pronunciada

(Ancho de la base = 0.5 m, talud lateral = 3:1)

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Figura 6.8 Diseño de enrocado para canales con pendiente pronunciada

(Ancho de la base = 1.0 m, talud lateral = 3:1)

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Figura 6.9 Diseño de enrocado para canales con pendiente pronunciada

(Ancho de la base = 1.5 m, talud lateral = 3:1)

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6.8 GAVIONES

Los gaviones son elementos prismáticos construidos en malla metálica que permiten alojar rellenos diversos (piedra, suelo, arena, etc), que luego mampuestos en obra y atados unos a otros, acaban formando una estructura de protección.

Tal estructura tiene la particularidad de su gran resistencia, trabaja como un todo en forma monolítica, son extremadamente flexibles. No permiten la acumulación de tensiones por presión hidrostática, o sea que al ser permeable y permitir ser atravesada por el agua, alivian las importantes tensiones que se acumulan detrás de los muros.

Otra particularidad de estas estructuras es la integrarse al medio ambiente permitiendo el desarrollo de la vegetación.

6.9 USOS Y APLICACIONES

Control de la erosión fluvial obra de derivaciónLas estructuras en gaviones, ofrecen muchas veces la mejor solución técnica y económica para la corrección de obras de toma. En la sistematización de ríos pueden ser utilizadas para el control de la erosión, tanto en protecciones longitudinales de márgenes, como en obras transversales tales como espigones y diques. En obras de derivación pueden ser utilizadas en pequeñas presas para irrigación o abastecimiento y consumo industrial, así como en obras auxiliares como revestimiento de vertederos, protección de obras de toma, ataguías, etc.

Protección de puentes y alcantarillasLos gaviones y colchones son usados para la ejecución de alas y estribos de puentes y para la protección de los mismos, aun los construidos con otros materiales, tanto en carreteras como en aéreas urbanas o rurales.

Proporcionan también una efectiva protección para las alcantarillas de carreteras y ferrocarriles. La rugosidad y flexibilidad de la estructura le permite disipar la fuerza del flujo de agua y proteger la salida de la alcantarilla contra la erosión.

FlexibilidadLas obras en gaviones y colchones pueden por su flexibilidad absorber asentamientos sin perder su eficiencia, permaneciendo estructuralmente seguras, al contrario de las rígidas o semirrígidas que pueden ser destruidas aun por pequeños movimientos o socavaciones del terreno en apoyo.

PermeabilidadLos gaviones y los colchones reno son altamente permeables y actúan como drenes permitiendo el escurrimiento de las aguas de filtración, eliminado de este modo los efectos de la presión hidrostática.

Figura 6.10 Caja del gavión

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6.10 Diseño de gaviones

Los gaviones son rocas colocadas dentro de mallas de alambre, formando cuerpos macizos de geometría uniforme. Las estructuras conformadas por gaviones pueden soportar descargas mayores que un canal revestido por enrocado.

Los gaviones son comúnmente utilizados como estructuras de caída para el control de flujo y la disipación de energía. Un cambio en la pendiente de pronunciada a suave, colocando estructuras de caída en intervalos a lo largo del tramo del canal, modifica una pendiente constantemente pronunciada en series de pendientes suaves y caídas verticales. Con estas estructuras se evita que las velocidades alcancen valores erosivos.

Un modo de falla probable es el deslizamiento de las rocas dentro la estructura del gavión. Otro tipo de falla es la socavación bajo y detrás de los gaviones. Se deben tomar en cuenta ambos tipos de falla en el diseño para asegurar una estructura funcional. Para este objetivo, se han preparado gráficas como guía en la selección del tamaño de la roca y una evaluación del espesor de la estructura.

La hidráulica en estructuras de gaviones ha sido investigada por Chen & Cotton en 1988. Para complementar el diseño, las gráficas mostradas en las figuras anteriores han sido elaboradas en función a la descarga, profundidad de flujo y la pendiente del lecho. Los anchos del lecho considerados van de 0 a 1.5 m. y las pendientes del lecho varían entre 10 y 25% con inclinaciones de los lados fijadas en 3:1.

Los gaviones utilizados como revestimiento para canales requieren de un filtro de material granular adecuadamente gradado o un geosintético de peso apropiado, para prevenir fallas por tubificación en el material de fundación.

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El diseño del filtro es exactamente igual al de un canal con pendiente moderada, la única diferencia radica en una condición adicional: Espesor del filtro ¿ 1xD100 (filtro) o 150 mm. de espesor mínimo, elegir el mayor.

6.10.1 Espesor del revestimiento

El espesor mínimo de estructuras de gavión o enrocado debe ser del tamaño de la piedra más grande a ser utilizada. Para la mayoría de las rocas utilizadas en revestimientos de canales, el criterio se traducirá en lo siguiente:

Espesor del revestimiento = (2 a 3) x D50 (6.10)

6.10.2 Gradación

Las piedras que conforman el enrocado o gavión deben ser adecuadamente gradadas, reuniendo los siguientes requerimientos:

3>D100

D50

>1,5 ………. (6.11)

3>D50

D20

>1,5 …… …(6.12)

Este criterio permitirá formar una estructura o capa compacta bien gradada. Un requerimiento específico para estructuras de gavión consiste en que la roca más grande no debe ser menor que 2/3 del espesor del gavión, ni la piedra más pequeña ser menor que las aberturas de la malla de alambre.

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Figura 6.11 Esfuerzo de corte permisible del colchón de gaviones vs. Tamaño de roca

Figura 6.12 Esfuerzo de corte permisible del gavión vs. Espesor del colchón

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Figura 6.13 Diseño de gaviones para canales con pendiente pronunciada

(Ancho de la base = 0 m; talud lateral = 3:1)

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Figura 6.14 Diseño de gaviones para canales con pendiente pronunciada

(Ancho de la base = 0.5 m; talud lateral = 3:1)

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Figura 6.15 Diseño de gaviones para canales con pendiente pronunciada

(Ancho de la base = 1.0 m; talud lateral = 3:1)

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Figura 6.16 Diseño de gaviones para canales con pendiente pronunciada

(Ancho de la base = 1.5 m; talud lateral = 3:1)

387

6.11 PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA REVESTIMIENTOS FLEXIBLES DE CANALES

Esta sección describe el procedimiento de diseño para revestimientos flexibles de canales. Cuando el enrocado es utilizado en pendientes pronunciadas, el procedimiento de diseño debe tomar en cuenta fuerzas adicionales actuando en el revestimiento. El diseño que involucra el enrocado debe ser verificado y comparado con los resultados obtenidos en el proceso de diseño de canales con pendiente pronunciada. Los resultados más conservadores, por ejemplo el mayor tamaño de enrocado, deben ser utilizados para el diseño. Otros tipos de revestimientos presentados en este capítulo son aplicables a la mayoría de pendientes, en dónde el esfuerzo de corte permisible no se excede.

El procedimiento básico de diseño para revestimientos flexibles en canales es muy simple. Involucra tan solo dos cálculos y varias comparaciones del rendimiento del revestimiento. Los cálculos incluyen la determinación de la profundidad de flujo uniforme en el canal, conocida como la profundidad normal, y la determinación del esfuerzo de corte en la profundidad máxima de flujo. En este capítulo se provee de un nomograma para determinar la profundidad normal en canales trapezoidales.

La comparación básica requerida en el proceso de diseño, es la que se hace entre el esfuerzo de corte calculado con el esfuerzo de corte permisible. Los valores del esfuerzo de corte permisible para una variedad de revestimientos se encuentran en una tabla y dos gráficas proporcionadas en este capítulo. Si el esfuerzo de corte permisible es mayor al calculado, el revestimiento será adecuado. Si el revestimiento no es adecuado, deberá tomarse en cuenta otro tipo de material que tenga un esfuerzo de corte mayor al anterior, y se repetirán los cálculos para la profundidad normal y el esfuerzo de corte.

Los canales revestidos con grava o enrocado en pendientes laterales mayores a 1:3 deben ser diseñados utilizando el procedimiento para canales con pendientes laterales pronunciadas. Este tipo de pendientes son permitidas en un canal si existen condiciones de suelo cohesivo.

6 . 1 1 . 1 E S F U E R Z O D E C O R T E P E R M I S I B L E

El esfuerzo de corte permisible Tp, indica la fuerza requerida para iniciar el movimiento del material de revestimiento. Previo al movimiento del revestimiento, el suelo de fundación está relativamente protegido. Por tanto el esfuerzo de corte permisible no afectado significativamente por la erosión del suelo de fundación.

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Tabla 6.2 Esfuerzos permisibles de corte para diferentes revestimientos

Los valores para el esfuerzo de corte permisible para revestimientos se basan en investigaciones de campo y ensayos de laboratorio. La tabla 6.2 muestra valores del esfuerzo de corte permisible para revestimientos manufacturados y enrocados. El esfuerzo de corte permisible para suelos no cohesivos está en función del diámetro medio del material del canal, como se muestra en la figura 6.17.

Figura 6.17 Esfuerzo de corte permisible para suelos no cohesivos

Para tamaños mayores de piedra y roca que no son mostrados en la figura 6.17, el esfuerzo de corte permisible está definido por la siguiente ecuación:

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τ p=628,3 ∙ D50 ………(6.13)Dónde:D50 es el tamaño medio en metros del enrocado.

Para materiales cohesivos la variación en el esfuerzo de corte permisible está gobernada por muchas de las propiedades del suelo. El índice de plasticidad de suelos cohesivos proporciona una buena guía para determinar el esfuerzo de corte permisible, como se muestra en la gráfica 6.18.

Figura 6.18 Esfuerzo de corte permisible para suelos cohesivos

6.11.2 DETERMINACIÓN DE LA PROFUNDIDAD NORMAL DE FLUJOLa condición de flujo uniforme en un canal con una descarga conocida está definida por la ecuación de Manning. La solución gráfica de esta ecuación se encuentra en el nomograma de la gráfica 6.19.

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Figura 6.19 Solución gráfica de la ecuación de Manning, para canales trapezoidales con taludes que varían de z=0 hasta z=6

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6.11.3 COEFICIENTES DE MANNING PARA REVESTIMIENTOS DE ROCA

La tabla 6.3 proporciona valores recomendados del coeficiente de rugosidad de Manning para materiales de revestimientos flexibles de canales. La rugosidad del canal será mayor baja profundidades pequeñas de flujo, y mayor para tirantes elevados. El rango de profundidades comprendido entre 150 mm a 600 mm es típico para canales de drenaje en carreteras.

Tabla 6.3 Valores del coeficiente de Manning en canales revestidos de roca

6.11.4 DETERMINACIÓN DEL ESFUERZO DE CORTE EN EL CANAL

Como se mencionó anteriormente, según la teoría de la fuerza tractiva, el esfuerzo de corte en el revestimiento del canal con una profundidad máxima τ d, es calculada utilizando la siguiente

ecuación:τ d=γ ∙d ∙ S ………….(6.14)

Dónde:y= peso unitario del agua (9810 N/m3)d= profundidad de flujo en metros.S=Pendiente del canal.El flujo alrededor de una curva en un canal provoca esfuerzos de corte mayores en la parte inferior y en las márgenes del canal. Para curvaturas, el esfuerzo de corte máximo está definido por la siguiente ecuación:

τ b=Kb ∙ τd ……(6.15)

Dónde el valor de Kb puede ser hallado, utilizando la figura 6.20. En la figura 6.20, el radio de curvatura del canal, Rc , y el ancho de la base, B, determinan la magnitud del factor Kb. la longitud de protección, Lp, requerida aguas debajo de una curvatura es calculada utilizando la figura 6.21. La longitud de protección está en función de la rugosidad del material de revestimiento en la curvatura (nb) y la profundidad de flujo.

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Figura 6.20 Factor Kb para determinar el esfuerzo de corte máximo en curvas de canales.

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Figura 6.21 Longitud de Protección Lp aguas abajo de la curva del canal

6.11.5 ESTABILIDAD DE LAS PENDIENTES LATERALES

Los canales revestidos de grava o enrocado, que tienen pendientes laterales mayores a 1:3 pueden llegar a ser inestables. A medida que el ángulo de los lados del canal se aproxima al ángulo de reposo del material de revestimiento, este se vuelve menos estable. Sin embargo, el esfuerzo de corte en los lados del canal es menor que el esfuerzo de corte en el fondo. La estabilidad de las pendientes laterales del canal está en función a la inclinación que esta tenga y al ángulo de reposo del material de revestimiento.El ángulo de reposo θ, para formas y tamaños diferentes de roca puede ser hallado en la figura 6.22.

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Figura 6.22 Angulo de reposo de las rocas, en términos del tamaño medio y de la forma de la piedra.

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La relación del esfuerzo de corte en los lados y el fondo del canal, K1, puede ser encontrada utilizando la figura 6.23, de la misma manera en la figura 6.24se puede hallar el índice de fuerza tractiva, K2.

Figura 6.23 Factor K1

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Figura 6.24 Relación de fuerzas tractivas, k2

El tamaño adecuado de roca (diámetro medio de gradación, D50) para las pendientes laterales es calculado utilizando la siguiente ecuación:

( D50 )lados=K1

K2

∙ ( D50 )fondo ……….(6.16)

6.11.6 FACTORES DE DISEÑO DE REVESTIMIENTOS DE ENROCADO

Para el diseño de enrocado es necesario tomar en cuenta dos consideraciones adicionales:

La gradación y espesor de la capa del enrocado.Uso del material del filtro colocado bajo el enrocado.

a.) Gradación y espesor del enrocado

La gradación del enrocado sigue el patrón de una curva de distribución. La mayoría de las gradaciones del enrocado caerán en el rango de D1 0 0 /D5 0 y D50

/D20 entre 0.0 a 1.5 lo cual es aceptable. El criterio más importante es la distribución apropiada de los tamaños en la gradación de manera que los intersticios formados por piedras de gran tamaño sean rellenados con piedras de menor tamaño a manera de trabazón, previniendo así, la formación de espacios abiertos. En general, el enrocado construido con piedras angulares tiene mejor desempeño. Las piedras redondeadas son aceptables como parte del enrocado si estas no son colocadas en las pendientes laterales mayores a 1:3. El espesor del revestimiento de enrocado debe ser igual al diámetro de la roca más grande en la gradación. Para la mayoría de las gradaciones, el espesor llegaría a ser 1.5 a 3 veces el diámetro medio del enrocado.

b.) Diseño del filtro

Tradicionalmente, una capa de filtro comprendida de material granular bien gradado es colocada entre la base del suelo y el revestimiento de enrocado o gaviones. El objetivo es de asegurar una permeabilidad suficiente para permitir que las filtraciones tomen lugar fuera del suelo de fundación al mismo tiempo que se minimizan los espacios en el filtro para prevenir que el material del lecho se desplace a otro lugar.

En la práctica actual de ingeniería, la capa de filtro granular es comúnmente reemplazada por un filtro geotextil, el cuál desempeña esencialmente las mismas funciones. Los requerimientos específicos para cada tipo de área del filtro son:Filtro granular

D15(filtro)D85(suelo)

<5<D15( filtro)D15(suelo)

<40 ……(6.17)

D50(filtro)D50(suelo)

<40 (U . S . Army Corps .Of Engineers ,1955 )…… (6.18)

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6.11.7 PROTECCIÓN DE LAS CURVAS

El flujo a través de una curvatura en un canal abierto, induce a fuerzas centrífugas debido al cambio de su dirección. Esto lleva a una sobre elevación de la superficie de agua. El tirante es más elevado en la parte externa de la curvatura que en la interna. Esta sobre elevación está definida como:

∆ d= v2 ∙ Tg ∙ Rc

……….(6.19)

Dónde:v: Velocidad media en el canal.T: Ancho del espejo de agua.Rc: Radio de curvatura.El flujo a través de una curvatura impone esfuerzos de corte mayores en la parte más baja del canal y en las márgenes. La naturaleza del esfuerzo de corte inducida por una curva será discutida con mayor detalle en la sección de fuerza tractiva. El incremento de esfuerzo requiere condiciones adicionales de diseño dentro y aguas debajo de la curvatura.

6.11.8 PROCESO DE DISEÑO PASO A PASO

1. Seleccione un revestimiento flexible y determine el esfuerzo de corte permisible, Tp (ver tabla 6.2).2. Estime la profundidad de flujo para el revestimiento, la forma del canal, pendiente y descarga de diseño.3. Determine el valor del coeficiente de Manning para la profundidad de flujo estimada, utilizando la tabla 6.3.4. Calcule la profundidad de flujo, d, en el canal. (figura 6.19 para canales trapezoidales)5. Compare la profundidad de flujo calculada, d, con la estimada, di. Si d esta fuera del rango para revestimientos flexibles, repita desde el paso 2 hasta el paso 4.6. Calcule el esfuerzo de corte, Td. Si τ d>τ p , el revestimiento no es aceptable, repita desde el paso 1 hasta el paso 5.7. Para las curvas en los canales:τ b=Kb τd , si τb>τ p (6.20) el revestimiento no es adecuado, repita desde el paso 1 hasta el

paso 7.

8. Calcule la sobre elevación.∆ d= v2 ∙ Tg ∙ Rc

……… (6.21)

9. Calcule la longitud de protección, Lp, aguas abajo de la curvatura. (figura 6.21)10. Para el enrocado o revestimientos de grava en pendientes laterales pronunciadas (mayores a 1:3):

Determine el ángulo de reposo para el tamaño y forma de la roca, utilice la figura 6.22.Determine K1 de la figura 6.23. Determine K2 de la figura 6.24.Calcule el D50 requerido para las pendientes laterales.

398

( D50 )lados=K1

K2

∙ ( D50 )fondo(6.22)

Para el enrocado en pendientes mayores al 10% el procedimiento de diseño es el mostrado en el acápite 6.11. Utilice cualquiera que produzca el mayor tamaño de enrocado.

6.12 MÁXIMA DESCARGA APROXIMADA

En muchos casos, el ingeniero a cargo del diseño necesitará conocer simplemente la máxima descarga que el canal pueda conducir, teniendo como datos el esfuerzo de corte permisible y la profundidad de flujo correspondiente. Conociendo la máxima descarga que un revestimiento puede soportar, el diseñador puede determinar la máxima longitud de revestimiento para un canal, basado en la hidrología del lugar. Esta información puede ser de importancia en la evaluación económica de los diferentes tipos de revestimiento además de que se puede determinar el espacio para una toma. El proceso para hallar la máxima descarga esta descrito a continuación:

1. Determine la profundidad de flujo permisible en el canal, utilizando el esfuerzo de corte permisible (tabla 6.2, figura 6.17 ó figura 6.18). Verifique que esta profundidad no exceda la profundidad (incluyendo el borde libre) proporcionada en la sección típica.

sssdd d=τ p

γ ∙ S…….(6.23)

1. Determine el área y radio hidráulico correspondiente a la profundidad de flujo.2. Encuentre el coeficiente de Manning de la tabla 6.3.3. Resuelva la ecuación de Manning para determinar la máxima descarga en el canal.

9.13 PROTECCIÓN DE CANALES CON PENDIENTE PRONUNCIADA

Los canales con pendiente pronunciada, definidos como aquellos canales cuya pendiente es superior al 10%, son requeridos a veces para conducir el agua desde una cierta elevación a otra de un nivel significativamente baja. En el caso de condiciones bajas de flujo, un revestimiento temporal será suficiente para controlar cualquier mecanismo de erosión en el suelo, hasta que la vegetación se establezca. Sin embargo, en situaciones moderadas de flujo, habrá la necesidad de una medida de control permanente de la erosión tal como el revestimiento de roca.

Los revestimientos flexibles permanentes (por ejemplo el revestimiento de roca) pueden ser capaces de solucionar la mayoría de los problemas en dónde la vegetación no es suficiente; raramente serán requeridos revestimientos rígidos o tuberías de drenaje.

Los materiales comúnmente utilizados para un revestimiento flexible permanente, a lo largo de pendientes pronunciadas, son el enrocado y los gaviones. Generalmente, los bloques de concreto prefabricados tienden a ser más costosos que un revestimiento de rocas.

399

Con un revestimiento flexible como el de enrocado, gaviones o bloques de concreto, se deben tomar en cuenta factores adicionales cuando se compara la fuerza tractiva del diseño con la resistencia del revestimiento. En el diseño de canales con pendiente pronunciada, no se define un solo valor de esfuerzo de corte permisible para los tres tipos de revestimiento.

Los factores físicos a ser considerados son el tamaño y la forma del material que conforman el lecho, la pendiente de los lados y la geometría del canal. Sin embargo, con el enrocado y los gaviones, se han llevado a cabo varios ensayos hidráulicos y evaluaciones en la gradación del material normalmente utilizada en el proceso de diseño. Una comparación del espesor relativo de la capa del enrocado con el colchón formado por gaviones, fue una vez investigada para indicar que el espesor más pequeño (2 a 3 veces) del colchón conformado por gaviones puede ser utilizado bajo condiciones hidráulicas idénticas.

Figura 6.25 Diseño geométrico de canales trapezoidales

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Ejemplos de aplicación

Ejemplo 1Un drenaje carretero de sección trapezoidal tiene sus pendientes laterales de 1:3, el diseñador ha dispuesto que la base del canal de drenaje debe ser revestido con grava de 55 mm. Determine el tamaño medio de grava, necesario para proteger las márgenes del canal.

Datos:Z=3D50 = 55 mmGrava muy redondeada B = 1.5 m.Tirante = 0.184 m.

Solución:

Dado un D50 = 0,055 m, utilizando la figura 6.22 el ángulo de reposo será Ɵ= 36,1º.

Calculando la relación Bd= 1,5

0,184=8,15 e ingresando a la figura 6,23 determinamos el factor

K1= 0.87.

Ingresando a la figura 6.24, dados Z = 3 y Ɵ= 36,1º, el factor de fuerza tractiva es K2=0,84.

Con la ayuda de la ecuación 6.22, calculamos el tamaño medio de las rocas necesario para los lados del canal:

( D50 )lados=K1

K2

∙ ( D50 )fondo=0,870,84

∙ 0,055

( D50 )lados=0,057 m

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Ejemplo 2Encuentre el tamaño medio adecuado del enrocado y la profundidad de flujo de un canal con pendiente pronunciada:

Datos:Q = 0.849 m3/sS = 0.15 m/mB = 1,5 m. Z = 3

Solución

Para resolver el problema, ingrese en la figura 6.9 dados Q = 0.849 m3/s y S = 0.15 m/m:

Profundidad de flujo = 200 mm.Diámetro medio del enrocado D50 = 255 mm.

Ejemplo 3Determine la profundidad de flujo, el tamaño medio de las rocas y el espesor requerido para un colchón conformado por gaviones que reviste un canal de sección trapezoidal con taludes laterales de Z = 3, una pendiente del 12 %, un ancho de la base de 0.61 m y una descarga de 0.4 m3/s.

Paso 1: Encuentre la profundidad de flujo en el canal.

Descarga Q = 0,4 m3/s Pendiente del lecho S = 0.12 m/m Ancho del canal B = 1,0 m Taludes laterales, Z =3

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Ingrese en la figura 6.15 para Q = 0.4 m3/s, la profundidad de flujo es 175 mm.

Paso 2: Determine el tamaño de la roca que conformará el gavión. Esfuerzo de corte del flujo será:

τ d=γ ∙ d ∙ S=9810∙ 0,175 ∙ 0,12=206,01 N /m2.

Luego en la figura 6.11 para τ d= 206,01 N /m2, el diámetro medio de la roca es 180 mm.

Paso 3: Encuentre el espesor del colchón de gaviones:

De la gráfica 6.12 para τ d= 206,01 N /m2, el espesor mínimo es de 150 mm.

De las recomendaciones del acápite 6.10.1, el espesor del colchón es 2 a 3 veces el diámetro medio, por lo tanto, el espesor entra en el rango de 300 mm a 450 mm.

Los colchones de gaviones fabricados tienen un espesor que varía entre 0.25 m a 0.45 m.

Por lo tanto, adoptemos un espesor de 0.30 m, lo cual es cercano al doble de D50.

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