II - Universidad Nacional de Colombia: Repositorio … · Estabilizaci6n de' orillas con espolones...
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DIOCJE TAPON CANO ROMPEDERO DE MEXICO
M aroen IzquIerdo
CANO ROMPEDERO DE MEXICO
Dlque - To pon
ISLA LOS HUEVOS
Mar,en Derecha
PLANTA GENERAL
Esc : I : 2000
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N Mox . Corona
Olrecclon
del fluID
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II
I II
44 M
SECCION DEL OIQUE
Figura 12. Dique tapon . Cano Rompedero de Mejico.
Banco ..r- 2
II
m 8M
La capacidad de la corriente para almacenar el caudal mientras se realiza el vaciado y la
capacidad de descarga del desvio determinan el metodo de cierre. Se debe
considerar el cierre de tal manera que eventual mente la presa 0 dique puedan estar
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ahogados, 6 a f1ujo Iibre; las velocidadessobre la cresta son total mente d~ferentes
para los dos casos siendo mayores en el caso de flujo Iibre.
Durante el cierre debe hacerse uso de la capacidad de descarga del relleno, grandes
vados en la roca, bloques de concreto 0 estructuras especiales que permitan el flujo
de agua parcialmente y luego puedan ser rellenados con material impermeable. EI
tamano, forma, peso de las rocas, velocidades crfticas, capacidad de filtraci6n, son
parametras esenciales en el anal isis, asi como la forma misma en tiempo y espacio
del vaciado.
Conductos de desague dentra del relleno pueden facilitar la colocaci6n del material;
antes del conducto debera haber una contracci6n.
4.3. OBRAS DE DEFENSA. PROTECCION DE ORILLAS.
4.3.1. Estructuras Permanentes. Los trabajos de estabilizaci6n y protecci6n de rios
pueden incluir la construcci6n de revestimientos de bancas, diques longitudinales,
espolones 0 espigones, presas de separaci6n entre canales multiples, presas de cierre a
traves de ramales, protecci6n con pilotes hincados de madera 0 metal, defensas
biotecnicas (pratecci6n estructural combinada con vegetacion apropiada), defensas
temporales con vegetacion, defensas utilizando enrocado a pentapodos 6 hexapodos,
defensas temporales utilizando bolsas rellenas con arena 6 suelo cemento 6 material del
mismo rio, etc.
Hay una gran variedad de estructuras cuyos criterios de diseno estan relacionados con el
tipo, formas, dimensiones, aSI como los materiales de construcci6n. En cuanto al tipo y
forma, las estructuras pueden clasificarse como cerradas 0 impermeables y abiertas 0
permeables. Las estructuras cerradas consisten de un cuerpo de suelo 0 roca protegido
con revestimientos. Sin embargo, los diques longitudinales, espolones y presas de cierre
se clasifican como estructuras abiertas 0 permeables .
Las estrucluras abiertas permiten que parte del flujo pase a traves de elias en cualquier
condici6n de f1ujo (crecidas 0 caudales bajos) . Un ejemplo son los espolones, rompeolas 0
diques transversales construidos con pilotes y sacos de arena u otro material permeable.
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AI absorver parte de la energfa del flujo a trav9s de la estructura abierta. la velocidad del
f1ujo y la capacidad de trans porte de sedimentos se reducen local mente y por consiguiente.
se induce a la sedimentaci6n. De esta forma. se puedeestabilizar una banca erodada 0 se
puede cerrar un braz~ de un canal (cierre de efluentes). La figura 13 muestra un esquema
de este tipo de estructuras abiertas.
A primera vista. el uso de estructuras abiertas parece atractivo : las condiciones de flujo no
se modifican abruptamente. se provoca la sedimentaci6n. la erosi6n y socavaci6n local
saran mas lentas. Sin embargo. aunque su construcci6n es simple. en la practica se tienen
algunas desventajas :
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A-A
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LECHO OR.GINAL
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Figura 13. Estabilizaci6n de' orillas con espolones permeables
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B-B
- Algunas veces el fondo tienen que ser revestido, no solamente cerca a la cabeza del
espolbn donde el flujo se acelera, sino tambien entre espolones y aguas abajo de la fila de
espolones donde las corrientes pueden ser turbulentas.
- Si los rios transportan troncos, vegetaci6n flotante, basuras, etc., las estructuras pueden
sufrir dafios haciendo que los costos de mantenimiento se incrementen. En estos casos es
mejor recomendar estructuras cerradas ya que actuan como obstc"iculos al flujo que las
sobrepasa en niveles altos.
la escogencia entre varios tipos de estructuras es un problema ec.on6mico pero tambieln
depende de la distancia entre la banca existente y el alineamiento nuevo del canal. La
figura 14 muestra un caso simple de estructuras de correcci6n.
En I, se indica la fijacion de la banca a 1<:6 largo de la curva proyectada; el tipo de
revestimiento puede se.r el mostrado en las figuras 15 6 26. En II, se recomienda remover,
mediante dragad0, la parte fuera del revestimiento 6 hacer el revestimiento cuando el
mismo rio se encargue de limpiarlo.
01 ou t 5
LONGI TUOI NALES -~-;::r":"'----\
LLE NO
Figura 14. Tipos de estructuras de proteccion.
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En III (figura 14). construcci6n de un dique longitudinal con lIeno hidraulico y revest imiento.
como se puede apreciar en la figura 16. En IV, se presenta un dique longitud inal con
revestimiento interior permanente si el lIeno hidraulico. por sus dimensicnes, se vuelve
costoso.
Banco Original
Attneamlelllo del canal
N normol....
Figura 15. Revestimiento de orillas
10 .5' Pendl.nle Superior
Max. pendlanle I: 2 . 5
.. :Q .~ .. >
En V. se muestran espolones y diques (6 espolones tipo bayoneta, 6 espolones con
cabeza en L. 6 espolones con cabeza en T ) de altura menor que el nivel maximo para
permitir que el flujo en crecientes contribuya con material fino a la sed imentaci6n detras del
dique.
Si el dique (6 la parte del espol6n alineada con el flujo) es muy largo, puede ocurrir que la
socavaci6n se extienda, durante las crecientes. en la orilla que se trata de proteger; por
tanto, son mas recomendables los espolones normales como estructuras retardadoras, si
se les da el espaciamiento adecuado (en lugar de colocar estructuras tipo V. colocar las
tipo VI) . En VI, se muestran espolones normales a menor espaciamiento.
4.3.1.1. Diques longitudinales como estructuras de proteccion. En la secci6n 4.1 se
describieron algunos criterios para el disefio de diques como estructuras de regulaci6n de
crecientes (diques perimetrales 0 diques longitudinales 6 jarillones) ; cuando los diques se
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usan como estructuras de protecci6n, el diseno es alga diferente ya que su fin no es
controlar aguas maximas sino un caudal normal, por 10 cual la altura de la cresta es mas
reducida, permitiendo que la creciente la sobrepase.
DIDUE LONGITUDINAL
' . N MAX
N NORMAL
N MIN .
--------.------r.~O FASE - ---;...----
SOCAVACION
30 FASE
LECHO DE E:QUILIBRIO
Figura 16. Dique longitudinal con revestimiento y lIeno hidraulico
La altura de la corona del dique longitudinal es, por economia, tan bajo como sea posible;
ligeramente mayor que el nivel medio y maximo hasta el nivel de la lIanura de inundaci6n.
Te6ricamente, la altura debe ser tal que aun durante crecientes el agua que 10 sobrepase
no erode el lecho en el tramo cerrado. EI nivel de la pata determina las dimensiones del
revestimiento.
Cuando se deja la estructura expuesta a la socavaci6n natural y la pendiente sumergida se
protege en niveles, no se necesita estimar exactamente las dimensiones de la protecci6n.
Esto solo es aceptable cuando no hay dragc;ls disponibles, debido a la alta posibilidad de
deslizamientos. Es mejor dragar un corte al frente de la banca revestida directamente
aguas abajo para anticiparse a la profundidad de equilibrio (dada por la maxima socavaci6n
esperada) y luego construir el revestimiento a esa profundidad. Ver Figura 26.
Los taludes de la cara anterior, en contacto permanente con ~ agua, tienen pendientes
mas suaves que los de la cara posterior; la magnitud de la pendiente esta condicionada por
el tipo de material de construcci6n. EI talud de la cara anterior debe ser protegido contra
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las f1uctuaciones del nivel, especial mente si el canal es navegable, can enrocado,
pentapodos, hexapodos u otro tipo de revestimiento.,
4.3.1.2. Espolones. Son estructuras permanentes colocadas dentro del cauce para
modificar la direcci6n del flujo y propiciar la sedimentaci6n, logrando can . ella evitar la
erosi6n de orilias, cuando el espaciamiento entre dichas estructuras es apropiado.
Figura 17. Espolones construidos en gaviones en Chigorod6.
Si el espaciamiento entre espolones es muy grande, se presenta contracci6n de la secci6n
efectiva del flujo (ancho) . . Entre mas grande seael cociente LIB (ver figura 18), mas grande
sera la perturbaci6n del flujo entre las caras de los espolones y par tanto, mayor
profundidad de socavaci6n.
Esta funci6n de Quia, el flujo se logra en una forma mejor si se facilita la formaci6n de un
fuerte remolino 0 v6rtice entre cada par de espolones. Este deseo restringe la distancia
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entre cada par de espolones ya que la estabilidad de un v6rtice esta gobernada par el factor
2gL/C2h, de tal manera que este factor no debe ser menor que la unidad.
ESPOLONES NORM~LES
-t- L--+
2 ---='-~ '---7~ ~ -='- T'iIW"''''w~-----------=
ESPACIJl.MIENTO PEQUENO ESPACIAMIENTO GRANDE
Figura 18. Perturbaci6n del flujo entre espolones normales.
La escogencia de espolones como estructuras locales de estabilizaci6n mejor que
estructuras longitudinales (muros, diques) esta justificada econ6micamente solo si las
distancias entre los espolones son grandes y aun conservan la funci6n de guiar el flujo
principal del I io fuera de la zona afectada (ya que se requeriria una longitud mayor de
estructura, Eli, siendo Li la longitud de trabajo de cada espol6n, para cubrir la longitud de
diseiio de un muro a dique; es decir, sera L* > [U ?) .
Esto se concluye al asumir que el flujo de remanso en un v6rtice confinado es solo posible
si e/ nivel de la superficie libre en el punta de estancamiento del espol6n de aguas abajo es
mayor que el nivel del agua en el punta A (ver figura 19) a cabeza del espol6n de aguas
arriba. La anterior significa que la perdida de energfa iL del rio entre dos espolones (debida
principalmente a la perdida por fricci6n en el fonda) tiene que ser mas pequeiia que la
cabeza de velociad V2/2g, entonces
h corresponde al caudal media, C es el coeficiente de Chezy. Esta regia ha sido
experimentada en modelos fisicos para campos circulares. Los experimentos recomiendan
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un valor de 2gL/C2h < 0,6 para un v6rtice fuerte. Este valor puede ser c1un menor para no
ceriirse al modelo ideal de campo circular. Otros factores que influyen en la resistencia del
v6rtice es la fricci6n de fonda y la profundidad del campo del espol6n.
-+-.---------.... Punlo de
-----------~ eslClncomlenlo
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~-_J
1--------
I I I I
V2 I Linea de energlo
2_g~On pendl.nt. i
----1- - --
SECCION
LONGITUDINAL L
Figura 19. Comportamiento del flujo entre espolones.
Criterios practicos para el diseiio. La longitud de trabajo del espol6n es uncuarto del
ancho superficial del cauce para caudales medias. La separaci6n L se selecciona de tal
forma que el angulo de separaci6n de las Hneas de corriente este entre 90
y 11 0
Otra
recomendaci6n de tipo practico es fijar L = k t, , donde K varra entre 3 y 8 (en nuestro
medio 5 66 es mas comun) y lr es la longitud de trabajo del espol6n.
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Para trazar esta linea se deberfa estudiar la dinamica del rio y fijar el radio de CUNatura del
nuevo cauce; analizando, con base en fotograHas aereas y cartografia adecuada, los
cambios en el patron de alineamiento, antiguos canales, divagacion del cauce, la CUNatura
caracterfstica de los meandros, la longitud caracterfstica de los cruces, etc. (no se debiera
cambiar la geometrfa del flujo para ~vitar problemas de mantenimiento). Se determina
luego la orientacion del espolon (angulo entre la tangente a la orilla con el punto de
arranque), segun el objetivo que se quiera lograr; asf :
Los espolones dirigidos hacia aguas arriba se lIaman agresivos (angulos entre 60° y 80° );
son eficientes cuando se busca una sedimentacion rapida, trabajan practicamente
sumergidos, estan muy expuestos a la acci6n de la corriente debido a su orientacion
contraria al f1ujo, la soluci6n resulta mas costosa pues la separacion entre ellos es mUGho
menor.
Espolones Direccionales estan orientados hacia aguas abajo (angulos entre 60° y 70° ),
favarecen una transici6n mas suave al f1ujo y permiten mayor espaciamiento
Espolones normales (formando angulo recto con la corriente) son recornendados para
trabajos de rectificaci6n. Las obras de proteccion en el rio Chigorodo se indican en la
Figura 20.
Se debe buscar que todos los espolones se diserian con la misma pendiente (CuNa de
duraci6n de caudales). EI piso base para el espolon debe ser nivelado y adecuarsele una
fundacion apropiada (piedra gruesa). Se recomienda proteger la cabeza del espol6n con
pentapodos, hexapodos, lIantas rellenas de concreto pobre u otro tipo de protecci6n
similar..
La cimentaci6n es la parte mas importante del espol6n; La profundidad de socavaci6n en la
"nariz" del espol6n debe ser evaluada cuidadosamente considerando socavaci6n local y
socavaci6n general. La fundaci6n de espolones, cuando son en gaviones; es una losa
flexible que se construye con gaviones de poco espesor (30 a 50 cm) amarrados unos a
otros; esta flexibilidad es necesaria para asegurar que el asentamiento de la losa siga el
perfil de la socavaci6n dellecho del rio en la punta del espol6n.
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Figura 20. Obras de defensa y estabilizaci6n en el rio Chigorod6 (Secretarla de Obras publicas. Depto de Antioquia) .
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49 BIBllO
Los rnateriales de construccion utilizados son general mente gaviones, pilotes metal icos
hincaoos en el cauce en la zona a proteger y empotrados 10 suficiente en la orilla firme,
unidO$ par cables y conformando el espolon con bolsas de polietileno 0 nylon relienas de
mortem pobre (5 Gravilla : 1 Cemento : agua sufidente para hormigon) 0 arena 0 suelo
cemento. En lugar de los pilotes metalicos se han uti lizado troncos de arboles resistentes a
la humedad.
SegUn los materiales de construccion empleados, los espolones pueden clasificarse como
rfgidos, semi-rfgidos 0 flexibles. Los espolones rfgidos, general mente construidos con
piedra gruesa mezclada con mortero pobre, se recomiendan para rios de montana cuando
se en:cuentre una buena fundacion en roca.
Los espolones semi-rfgidos consisten en bloques rfgidos (especial mente en concreto)
unidos mediante dispositivos que permitan el movimiento de los primeros cuando s.e
produzcan socavaciones del fonda del cauce. Se trata de combinar las estructuras rig idas
y flexibles cuando las condiciones sean favorables (Guzman, F. y Chavez, 0 ., 1987, Obras
para manejo y conservacion de cauces, Corporacion Autonoma Regional del Cauca -CVC)
Los espolones flexibles (general mente en gaviones) consisten de unidades flexibles que S8
acomodan a las deformaciones dellecho durante los perfodos de crecientes
Las principales ventajas de los espolones son : facilidad de construccion, bajo costo, la
falia que ocurra en alguno de ell os no afecta al adyacente, facilidad de mantenimiento; el
mantenimfento y las reparaciones debidas a socavacion local se reduce considerablemente
despues de las primeras dos crecientes.
Los gaviones son estructuras modulares formadas por elementos paralelipfpedos en red de
acero a doble torsion, relienados con piedras. EI tejido a doble torsion evita que la malla se
desteja ante el eventual corte de un alambre. (Gaviones Maccaferri, cortesfa del ingeniero
Roberto Morante, Cali) . La resistencia a los agentes atmosfericos se asegura con la
protecci6n ofre.cida por una galvanizacion fuerte. Las piedras usadas para el relieno deben
tener un alto peso especffico. EI tamano de las piedras debe ser entre una y dos veces la
menor dimension de la malla de la red . Para los gaviones se considera un peso especffico
de 1,7 kgjcm3 y una resistencia a la compresion de 30 - 40 kgjcm2 (Gaviones Maccaferri)
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