diseño final enrocado en bajo grau

Año de la Promoción de la Industria Responsable y del Compromiso Climático

DISEÑO DE ENROCADOS DE PROTECCIÓN (riberas del rio chili)Facultad de ingenierías y arquitectura

ROJAS CUTIPA YURICOLQUE CHUCTAYA JUAN GONZALO

Doc.: Ing. OLGER FEBRES ROSADO

AREQUIPA– PERU

2014

DISEÑO DE ENROCADOS DE PROTECCION

RECURSOS HIDRAULICOS doc. : Ing. OLGER FEBRES ROSADO 3


INTRODUCCIÓN.- …………………………………………………………………3

OBJETIVOS: ……………………………………………….………………….……4

CONDICIONES DEL AREA DE ESTUDIO.- …………………………………..……5

ALTERNATIVA DE DISEÑO.- ………………………………………………………5

REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA.- …………………………………………..………5

ENROCADOS.-……………………………………………………………..……5

CONSIDERACIONES BASICAS: ………………………………..……………6

ELEMENTOS DEL ENROCADO DE PROTECCION: ………………………6

CAPA DE PROTECCION DE ENROCADO.- ………...…………6

FILTROS.- ………………………………………………………8

Filtros de material Granular.- ………………………………………9 Filtros de geotextil.- ………………………………………………9

PROTECCION AL PIE DEL TALUD.- ………………….… …11

PARAMETROS DE DISEÑO DE ENROCADO.- …………………………………12TALUDES DE FONDO.- ……………………………………………….……12TALUDES LATERALES.- ………………………………………………..…14FILTROS.- ……………………………………………………………………14

PROCEDIMIENTO.- …………………………………………………………..……15

1ro. Localización en planta.- …………………………………………………………15

2do. Calculo del tamaño nominal del enrocado.- ……………………………………15

3ro. Calculo del espesor del sistema enrocado.- ……………………………..………17

4to. Calculo de filtros.- …………………………………………………………..……18

ANEXOS.- ………………………………………………………………………….…19

CONCLUISIONES.- …………………………………………………………………22

BIBLIOGRAFIA: ……………………………………………………………………22

RECURSOS HIDRAULICOS doc. : Ing. OLGER FEBRES ROSADO


1. INTRODUCCIÓN.-

Los márgenes de los ríos están compuestos generalmente por arenas y limos, siendo necesario por esta razón, en épocas de grandes avenidas en la que se incrementa considerablemente la fuerza de arrastre de la corriente, mantener alejada el agua de aquellas áreas susceptibles a erosionarse, tal como sucede con las orillas cóncavas. Para esto se utilizan los enrocados de recubrimiento cuya estabilidad está basada en la determinación analítica de los esfuerzos cortantes creados por el flujo y su capacidad de recubrimiento para soportar estas fuerzas.



NOMBRE DEL TRABAJO

DISEÑO DE ENROCADO EN UN SECTOR DE LA RIBERA DEL RIO CHILI.

MICROZONIFICACION

Departamento: Arequipa

Provincia : Arequipa

Distrito : Yanahuara

Lugar : Av. La Marina; referencia: puente de fierro.

Figura 01: fuente google earth.

2. OBJETIVOS:

Proteger la ribera del lecho a la erosión, así como áreas de cultivos, viviendas y sobretodo evitar pérdidas de vidas humanas, en caso de algún fenómeno natural.

Determinar el tamaño nominal de rocas a utilizar en el diseño.



3. CONDICIONES DEL AREA DE ESTUDIO.-

A lo largo del tramo de estudio para el diseño de enrocado (80mts) se ha podido observar 2 tipos de rocas:

Las rocas sedimentarias son resistentes a la erosión de las aguas del río; por encontrarse en un medio húmedo, pero son fácilmente meteorizadas.

Las rocas ígneas se ubican a lo largo de todo el valle perteneciendo al batolito de la Caldera y a la formación Volcánica Chachani; el primero está constituido por rocas plutónicas, ubicándose éstas en el flanco izquierdo del valle.

Cabe mencionar que predomina un flujo turbulento, con un espejo de agua de 8.5 mts. Promedio.Debido a la velocidad de flujo y cambios de direccion que ha experimentado la ribera del rio chili (Arequipa), las áreas agrícolas colindantes con este, reducen su margen de uso con el transcurso del tiempo.

4. ALTERNATIVA DE DISEÑO.-

Para la definición de las alternativas de protección de la ribera del rio chili, se siguieron las siguientes consideraciones de tipo funcional:

Se prefirieron estructuras flexibles, como los enrocados, a las estructuras rígidas, tipo muros de contención de hormigón.

Se consideraron más convenientes las obras que producen menores impactos ambientales negativos

Se prefirieron las estructuras de enrocado por ser en parte disipativas de energía de las corrientes bruscas en cambios de dirección del flujo, incidentes sobre la ribera, y también reflejan parcialmente dicha energía.

5. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA.-

5.1 ENROCADOS.-

El muro de enrocado está formado por la agrupación de elementos pétreos naturales, siendo estructuras permeables y de poca resistencia.



5.2 CONSIDERACIONES BASICAS:

Los enrocados de protección de riberas y de diques son una parte importante en los trabajos de tratamiento de ríos, y sirven a los siguientes propósitos:

Tratamiento del río para mantener el alineamiento de la ribera Protección de los terrenos adyacentes contra la erosión Protección de los diques de defensa contra las inundaciones. Protección de estructuras, como puentes, barrajes, presas, etc.

5.3 ELEMENTOS DEL ENROCADO DE PROTECCION:

La protección se compone de los siguientes elementos:

Capa de protección de enrocado. - Filtro.- Enrocado de protección al pie del talud.-

5.3.1 CAPA DE PROTECCION DE ENROCADO.-

La cual debe ser dimensionada contra los esfuerzos de corte, y contra las olas que pueden impactar al enrocado.

a) Calidad de las rocas.-

La roca debe ser sana, dura, de cantera. Debe ser resistente al agua y a los esfuerzos de corte. La mejor forma de la roca es la angular. Se recomienda las rocas ígneas como: granito, granodiorita, dioríta, basalto,

riolíta, etc. con densidad relativa DR > 2 La estabilidad del enrocado depende de la forma, tamaño y masa de las

piedras, y de una adecuada distribución de tamaños.

Densidad de diferentes tipos de materiales en Kgmasa/m3

Material rs (rs – r)/rArena, grava 2650 1.65Concreto 2200 1.2Concreto armado 2400 1.4Concreto asfáltico 2300 a 2400 1.3 a 1.4Granito 2500 a 3100 1.5 a 2.1Basalto 3000 a 4000 2 a 3



Relación entre el diámetro medio y masa

Masa de D=(rroca – ragua) / ragua

La piedra (Kg)

Diámetro medio (mm)

b) Tamaño de las rocas

La estabilidad de una roca es una función de su tamaño, expresada ya sea en términos de su peso ó diámetro equivalente. Se han efectuado muchos estudios para determinar el tamaño de las rocas, entre los que tenemos:

- Fórmula de Maynord.-d50

y=C 1.F3

Dónde: d50 es el diámetro medio de las rocas, y los valores recomendados de C1 y C2 se muestran a continuación:

- Valores de C1:Fondo plano C1 = 0.28Talud 1V:3H C1 = 0.28Talud 1V:2H C1 = 0.32

- Valores de C2 Tramos en curva C2= 1.5Tramos rectos C2= 1.25



En el extremo de espigones C2= 2

c) Espesor del enrocado.-

Simons y Senturk recomiendan que el espesor del enrocado debe ser lo suficiente para acomodar la roca de mayor tamaño.

El espesor del enrocado para una colocación practica no deberá ser menor 30 cm.

El espesor deberá ser incrementado en un 50 % cuando el enrocado es colocado bajo agua, como provisión por la incertidumbre asociada a ese tipo de colocación.

Un incremento de 15 a 40 cm. Acompañado con un incremento apropiado del tamaño de roca, deberá preverse donde el revestimiento estará sujeto al ataque de olas.

d) Distribución del tamaño de las rocas.-

La Relación tamaño máximo de la roca entre el diámetro d50 debe ser aproximadamente 2

La relación entre d50 y d20 debe ser también aproximadamente 2

Límites de Graduación de las Rocas.-

Rango del tamaño de Rango de peso de la Porcentaje de

roca (pies) roca (libras) graduación

Menor que

1.5 D50 a a 1.7 D50 3.0 W 50 a 5.0 W 50 100

1.2 D50 a 1.4 D50 2.0 W 50 a 2.75 W 50 85

1.0 D50 a 1.15 D50 1.0 W 50 a 1.5 W 50 50

0.4 D50 a 0.6 D50 0.1 W 50 a 0.2 W 50 15

5.3.2 FILTROS.-

El cual protege al suelo de la erosión debido a la corriente de agua, ataque de olas, y de flujos subterráneos; y evita el movimiento de las partículas finas que conforma el suelo protegido debajo del filtro el terreno base de la orilla, o del dique.

La estabilidad del revestimiento, en una ribera o en un dique, depende no solamente del tipo y construcción del enrocado, sino que depende en gran medida del tipo y composición del filtro

El filtro protege al suelo de la erosión debido a la corriente de agua, ataque de olas, y de flujos subterráneos; y evita el movimiento de las partículas finas que conforma el suelo protegido

Se tiene que tener en cuenta, que dependiendo de las condiciones de diseño, el flujo en el filtro puede tener componentes:

o A lo largo del enrocado en la dirección del alineamiento del río.o Hacia arriba o hacia abajo del talud del enrocado.



o Perpendicular al talud.o Hacia adentro o hacia fuera del suelo protegido.

Se puede tener filtros de material granular, o filtros de geotextil.

5.3.2.1 Filtros de material Granular.-

Para evitar la obstrucción del filtro es preferible que no más que 5% del material del filtro sea más pequeño que 0.75 mm

Las curvas granulométricas del filtro y del material del suelo deberán ser más o menos paralelas en el rango de los diámetros pequeños

En cuanto a la granulometría del material del filtro se han hecho muchas investigaciones entre las que tenemos:

- Simons y Senturk recomiendan que la granulometría de los filtros debe cumplir con las siguientes ecuaciones:

d50(del filtro) / d50(del terreno drenado ) < 40

5 < d15(del filtro) / d15(del terreno drenado ) < 40

d15(del filtro) / d85(del terreno drenado ) < 5

Se sugiere que el espesor mínimo del filtro de grava sea la mitad del espesor del enrocado.

-Terzaghi recomienda que la granulometría de los filtros debe cumplir con las siguientes ecuaciones:

5 < d15(del filtro) / d15(del terreno drenado )d15(del filtro) / d85(del terreno < 4 drenado )

El espesor mínimo del filtro emin = 25 d50(del filtro)

5.3.2.2 Filtros de geotextil.-

Los geotextiles que se colocan debajo de los enrocados de protección se recomiendan que cumplan con las siguientes especificaciones mínimas.Geotextil no tejido, de fibras continuas termoligado, de polipropileno estabilizado (para garantizar su resistencia al reventamiento durante el colocado de las piedras), del tipo Typar o similar, imputrescible.

Ensayo Unidades Norma Valor- Peso g/m2 D-3776 200 (min)- Espesor mm D-1777 2.0 (min)- Resistencia desgarre longitudinal N D-4533 330 (min)- Resistencia desgarre transversal N D-4533 330 (min)- A.O.S Malla D-4731 50 (max)- Luz mm D-4751 1 (max)



- Resistencia a la perforación N D-3787 400(min)

colocacion.-

o Un buen contacto entre el geotextil y el suelo es esencial. Por esta razón la superficie de la ribera o del dique debe ser una superficie lisa, libre de protuberancias, depresiones y lentes de material suelto

o Debe ser colocado suavemente, sin pliegues, de arriba hacia abajo.o Se debe tener mucho cuidado al colocar el enrocado, pues puede romper el geotextil.o Si las rocas tienen aristas filudas se debe colocar una subcapa granular entre el enrocado y el

geotextil.o Después de colocar el enrocado, el geotextil debe ser aseguarado al pie de este, tal como se

indica en la figura, y anclado en la parte alta de la ribera o dique.

Ventajas y desventajas.-

Los filtros sintéticos son otra alternativa con respecto a los filtros granulares.

Ventajas:

La instalación es generalmente rápida y eficiente Son consistentes y tienen una calidad de material más confiable Son capaces de deformarse con el enrocado y permanecen continuos.

Desventajas:

o Puede haber dificultad para colocarlos debajo el agua o El desarrollo de bacterias dentro del suelo, o sobre el filtro puede alterar el

comportamiento hidráulico definido en las especificaciones de fábrica.

Introducir el geotextil dentro de la base del enrocado



GEOTEXTIL

5.3.3 PROTECCION AL PIE DEL TALUD.-

El cual evita que el talud protegido falle, debido a los efectos de socavación general. La socavación al pie del enrocado es uno de los principales mecanismos de falla por lo tanto

se debe proteger la base del talud con enrocado. En la siguiente figura se muestra un esquema de protección.

Máximo nivel del agua

1.5 dgFiltro

dg profundidad de socavación general

Tal como se observa en la figura siguiente el enrocado al pie del talud es colocado en una zanja a lo largo de todo el tramo protegido, cuyo tamaño esta relacionado con la profundidad de socavación general dg.

Se debe tener mucho cuidado, durante la colocación de las piedras que no se formen montículos, generando un dique bajo. Estos montículos a lo largo de la base del talud podría resultar en una concentración de flujo a lo largo del tramo enrocado, produciendo su falla.

Diferentes formas de colocación de enrocados



5.4 PARAMETROS DE DISEÑO DE ENROCADO.-

5.4.1 TALUDES DE FONDO.-

Maynord propone las siguientes relaciones para determinar el diámetro medio de las rocas a usarse en la protección.

Dónde:

d50: Diámetro medio de las rocas Y: Profundidad de flujo.V: Velocidad media del flujo. F: Número de Froude.C1 y C2: Coeficientes de corrección.

Los valores recomendados de C1 y C2 se muestran a continuación

El tamaño mínimo de los elementos a utilizar en el enrocado debe ser:

u2= 43

. R .gDCd

. ( μ cosα−sin α )

μ=1.92 [sin (∅−θ ) ]1 /2

u: velocidad del flujo.R: (Peso esp. del sólido – Peso esp. del agua)/ P esp. del agua.D: diámetro equivalente del enrocado.



Cd: coeficiente de arrastre.µ: coeficiente de fricción.α: ángulo que forma el talud con la horizontal.

El espesor mínimo del enrocado debe estar entre 1,5 a 2 veces el d30.

Como muchas veces lo que se desea es conocer la relación entre la altura del escurrimiento y el diámetro equivalente (rugosidad relativa), esta última relación se puede modificar para llegar a una ecuación de D/H en función del número de Froude:

DH

=34

.Fr2. Cd Si Cd=0.4 (régimen turbulento) y R=1.6 se obtiene finalmente:

DH

=0.188 . Fr2

Por otro lado se han desarrollado otras relaciones a partir de datos experimentales, las más importantes se muestran a continuación:

Maza & García:HD

=[ 1.93Fr ]

2.86

Esta relación es válida para el rango de 0.4 a 10 metros de profundidad de agua y hasta 500 mm de diámetro equivalente de las partículas. Generalmente se ocupa para números de Froude entre 1.35 y 1.6.

HD

=6.97Fr3

Esta relación esta basada en experiencias de laboratorio en la Universidad de Chile y fue presentada en el XIV Congreso Latinoamericano de Hidráulica realizado en Montevideo, Uruguay. Los resultados obtenidos son, en general, más conservadores que el resto de las expresiones anteriormente citadas.Existe una sexta relación importante que se desarrolló en el año 1980 por Don Alberto Sepúlveda en Endesa, mediante medidas realizadas en prototipos. Esta relación es válida para Fr < 3.25 y se presenta a continuación por medio de un gráfico:

1.60

H/D 1.40

1.20

Rela

tiva

1.000.80

Rugo

s

0.600.40



0.20

0.001.50 2.00 2.50 3.00 3.50

Número de Froude Fr

Para valores mayores a 3.25 en algunas obras se recomienda extrapolar esta curva, siempre y cuando se tomen las medidas necesarias.

5.4.2 TALUDES LATERALES.-

Para el caso de taludes laterales es necesario modificar el análisis de estabilidad y tomar en cuenta la inclinación del talud en una dirección perpendicular a la del flujo.

Existen dos fórmulas importantes en el diseño de enrocados para taludes laterales:

California División of Highways:

u√g . R .D

=1.92 [sin(∅−θ) ]12

Lopardo – Estellé.-

u√g . R .D

=[ HD ]

16 (1−( sin θ

sin∅ )2)

14

En general, no se recomienda usar valores del ángulo de reposo ∅ , superiores a alrededor de 60º. Valores tan altos como este último, pueden considerarse sólo cuando se especifique la colocación manual de elementos de enrocado suficientemente angulosos.

El ángulo del talud con respecto a la horizontal θ, también es importante y los valores recomendados son 1.5/1 (H/V) o mejor 2/1 (H/V).

5.4.3 FILTROS.-

La función del filtro es no permitir la migración de finos del material subyacente (material base) ni pasar a través de la capa superior (enrocado), para asegurar esto, se deben cumplir las siguientes relaciones:



Además:

6. PROCEDIMIENTO.-

1ro. Localización en planta.-

2do. Calculo del tamaño nominal del enrocado.-

Para taludes de fondo.-

Según: Diseño de obras hidráulicas “universidad de chile”

u2= 43

. R . gDCd

. ( μcosα−sin α )



D= 3 (Cd)u2

4 R . g ( μ cosα−sin α )

DATOS:

ɵ = 26.6 ̊a 33.7 ̊ Cd = 0.4G = 9.81m/s2 Ø = 60 ̊S = 1500 kg-f/m3إل α = 5% = 2.86 ̊w = 1000 kg-f/m3إل u = 2.5 m/sμ=0.4 …… ……………………para diseño de obras hidráulicas en rios

u: velocidad del flujo.R: (Peso esp. del sólido – Peso esp. del agua)/ P esp. del agua.D: diámetro equivalente del enrocado.Cd: coeficiente de arrastre.µ: coeficiente de fricción.

u2= 43

. R . gDCd

. ( μcosα−sin α )

D=3(Cd)(u)2

4 R . g ( μcosα−sin α )

D=3 (0.4)(2.5)2

4( 2200−10001000 ) .(9.81)(0.4 cos(2.86)−sin(2.86))

D= 7.54 x1.2 x3.429 D = 0.456 mts.

Para taludes laterales.-

California División of Highways:

u√g . R .D

=1.92 [sin(∅−θ) ]12

D= u2

g .R 1.922 sin (∅−θ )



D= 2.52

(9.81) .( 2200−10001000 )1.922 sin (50−33.7 )

D= 6.25(9.81)(1.2)(1 . 0346)

D = 0.513 mts.

OTRA FORMA

Maynord propone

Dónde:

d50: Diámetro medio de las rocas Y: Profundidad de flujo.V: Velocidad media del flujo. F: Número de Froude.C1 y C2: Coeficientes de corrección.

Los valores recomendados de C1 y C2 se muestran a continuación

F=C 2. V√g . Y

.→

F=1.5 2.5√9.81 X 0.7

.→

F= 2.52.6205

F = 1.431

D 50=C 1 (Y F3 ) .→

D 50=0.32¿

D = 0.656 mts.RECURSOS HIDRAULICOS doc. : Ing. OLGER FEBRES ROSADO


3ro. Calculo del espesor del sistema enrocado.-

El espesor mínimo del enrocado debe estar entre 1,5 a 2 veces el d30.

d 30=0.3(D)0.5

.⇒

d 30=0.3(0.513)0.5

d30 = 0.308 mts.

e=2 (d 30 ) e=2 ( 0.308 )e = 0.616 mts.

4to. Calculo de filtros.-

Se utilizó Geotextil no tejido, de fibras continuas termoligado, de polipropileno estabilizado (para garantizar su resistencia al reventamiento durante el colocado de las piedras), del tipo Typar o similar, imputrescible.

Ensayo Unidades Norma Valor- Peso g/m2 D-3776 200 (min)- Espesor mm D-1777 2.0 (min)- Resistencia desgarre longitudinal N D-4533 330 (min)- Resistencia desgarre transversal N D-4533 330 (min)- A.O.S Malla D-4731 50 (max)- Luz mm D-4751 1 (max)- Resistencia a la perforación N D-3787 400(min)

Introducir el geotextil dentro de la base del enrocado

{



GEOTEXTIL

7. ANEXOS.-



Foto 01. Erosion de áreas agrícolas colindantes con la ribera del rio chili

Foto 02. Flujo totalmente turbulento.

Foto 03 erosión muy crítica en cambios de curso del flujo (curvas).



Foto 04 flujo turbulento leve en zona libre de rocas.

Foto 05 vista transversal del tramo longitudinal para el diseño



Foto 06 muros longitudinales de protección a la erosion en viviendas

8. CONCLUISIONES.-

La protección se logra con revestimientos que se apoyan directamente sobre el talud de la orilla y se extienden hasta el fondo del cauce. Se construyen con materiales que no pueden ser arrastrados por la corriente, generalmente enrocados.

Entre estos materiales y los del cauce se suele colocar un filtro que impide que las partículas finas salgan entre los huecos de la protección debido a la turbulencia por la corriente y a las rápidas fluctuaciones de los niveles del agua

9. BIBLIOGRAFIA:

BIANCHINI INGENIEROS S.A “obras defensa fluvial e hidrologia” MONTORNES DEL VALLE – BARCELONA-ESPAÑA (1978)

SIMON DARYL “comprehensive course on river mechanics and related topic” – CIDIAT MERIDA- VENEZUELA (1977)


diseño final enrocado en bajo grau

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