AGOSTO 2001624

SERIESDEL INSTITUTODE INGENIERiA

Basado en investigaciones realizadas paraGaviones LEMAC, SA

JAIME ECAMARGO HERNANDEZViCTOR FRANCO

MANUAL DE GAVIONES

ISSN 0185-2345

1. INTRODUCCION I1.1 Consideraciones generales I1.2 Desarrollo del manual 3

2. IUDRAULICA FLUVIAL 52.1 Resistencia aIjlujo 5

2.1.1 Sin arrastre 52.1.2 Con arrastre 7

2.2 Transporte de sedimentos 92.3 Diseno de cauces con arrastre 12

2.3.1 Gasto formativo 122.3.2 Cauces estables 13

2.4 Referencias 223. CONTROL DE CARCAVAS 25

3.1 Etapas de control 263.2 Presas de gaviones 27

3.2.1 Funciones y tipos 273.2.2 Criterio de diseiio 30

3.3 Recomendaciones de diseiio 503.4 Aplicacion 533.5 Referencias 63

4. ESTABlLIDAD Y RECTIFICACION DE CAUCES 654.1 Introduccion 654.2 Espigones 66

4.2.1 Datos para diseBo 664.2.2 Recomendaciones de disei'lo 674.2.3 Estabilidad de la estructum de gaviones 814.2.4 Observaciones 81

4.3 Recubrimientos 0 muros marginales 844.3.1 Datos paradiseno 844.3.2 Recomendaciones de disei'io 854.3.3 Estabilidad de Laestructum de gaviones 92

4.4 Canalizacion 1024.4.1 Consideraciones de disei'lo 1024.4.2 Recomendaciones de disei'lo 109

4.5 Referencias 110S. MUROS DE RETENCION 113

5.1 Introduccion 1135.2 Diseiio de los muros 114

5.2.1 Calculo deLempuje 1155.2.2 Estabilidad de los muros 1205.2.3 Recomendaciones de diseilo 130

5.3 Aplicacion 1385.4 Referencias- 153

La presencia de carcavas en un terrene ini:l.icaun grado avanzado de erosion, ya que, por 10general, estas se inician despues de que una gran parte del suelo superficial ha sido

arrastrado a causa de una fuerte erosion laminar.

En el transcurso del tiempo, la erosion transforrna de manera lenta y continua la cortezaterrestre, Este proceso es el resultado de la accion cornbinada de diversos factores,principalmente: eI agua, el viento, y la temperatura. La rapidez con la que se efectua este

fenomeno depende de las caracteristicas geol6gicas y climaticas de cada region y, en casos

particulares, de la alteration del medio causada por el hombre.

1.1 Consideraciones generales

1. INTRODUCCION

2En las curvas de los rios que drenan los escurrimientos de la cuenca, se produce el

fenomeno de erosi6n y deposito, debido a la fuerza centrifuga que se genera en estas. Por

ello, en las curvas, las secciones transversales tienen mayores profundidades cerca de la

orilla exterior y menores hacia el interior. Durante el proceso erosivo, el flujo rernueve y

arrastra sobre todo las particulas del pie y de la zona baja de talud de la orilla, con 10que

esta tiende a hacerse vertical. Cuando la margen esta formada principalmente por material

no cohesivo, por ejemplo, arenas y gravas, el talud falla por deslizamiento 0 fracturamiento,

basta que un bloque cae dentro de la corriente. Por el contrario, si la margen esta

constituida por material cohesive, se pueden llegar a formar cavidades al pie del talud antesde que se produzca el colapso y falla de un tramo de la orilla. Despues ocurre la falla, lapendiente del talud disminuye y se mantiene asi mientras la corriente arrastra todo el

material fallado yel ciclo erosivo vuelve a repetirse.

El control de las carcavas en etapa incipiente es sencillo, pues generalmente basta con pasar

el arado 0 la rastra a traves de las pequenas corrientes 0 canalillas para que estas

desaparezcan y se impida asl su crecimiento posterior y, por tanto, la dificultad de su

control. Si se trata de carcavas en etapa desarroUada, para disminuir la velocidad del

escurrimiento y reducir al maximo su poder erosivo a fin 'de evitar que estas crezcan en

profundidad y anchura, el control de carcavas, por ejemplo, puede hacerse mediante la.construccion de presas de gaviones, esto es solo una parte del control integral de cuencas,

ya que este problema, para ser resuelto en forma cornpleta, exige un tratamiento adecuado

del area total drenada. Un gavion se define como una caja de malla rellena de piedras de

diferente tamano.

AI empezar el proceso de la formacion de carcavas, se presenta el estado de zaujado

incipiente.0 sea, aquel en que la carcava comienza a notarse sobre el terrene, debido a que

el agua que escurre tiende a concentrarse para crear pequefias corrientes que poco a poco

convergen y dan origen a otras de mayor anchura y profundidad.

3En el capitulo 3, se incluye 10relative a la estabilizacion de carcavas con el uso de presas

de gaviones para controlar la erosion; estas estructuras reducen la velocidad del agua y eldeterioro en los taludes de la carcava tratada. Cabe sefialar que dicha estabilizacion solo

seria total, si se desarrolla vegetacion permanente que retenga el suelo en su sitio.

En el capitulo 2, se presentan algunos aspectos tecnicos de Hidraulica Fluvial, para estudiar

las dificultades que se plantean al tratar corrientes naturales y canales artificiales, cuyas

paredes y fondo estan formados con rnateriales susceptibles de ser arrastrados por el ffujo

de agua.

EI trabajo se ha dividido en cinco capitulos. EI capitulo I tiene la finalidad de formular el

problema de la erosion en cauces y carcavas y la rnanera de controlarla.

1.2 Desarrollo del manual

La erosion que se produce en la cuenca 0 en los rios como resultado de un fenomeno

natural es a menudo acelerada cuando el hombre cambia las condiciones propias del suelo,

debido a la desmedida practica comercial de la tala de arboles, los incendios no sofocados

en los bosques, el pastoreo exagerado, la construccion de vias de comunicacion, etc. En este

ultimo caso, para proteger los taJudes del terraplen, se utilizan comunmente muros de

. retencion constituidos por gaviones.

Entre las medidas mas comunes para proteger las margenes de los rios, sobre todo los

exteriores de las curvas, estan los espigones, los recubrimientos 0 protecciones marginales

y los diques, cuyo proposito principal consiste en evitar el contacto directo entre el flujo

con alta velocidad y el material que forma la orilla; esas estructuras pueden ser construidas

con gran variedad de elementos, por ejemplo, los enrocamientos y los gaviones.

4En el capitulo 5, se plantea el diseno de los muros de retencion 0 sostenimiento que se

emplean en vias de comunicacion (carreteras y ferrocarriles) para resolver, entre otrosaspectos, la estabilizacion de taJudesy la erosion de las margenes.

En el capitulo 4, se presentan las recomendaciones de diseno para la estabilidad y

rectificacion de cauces, mediante espigones, recubrimientos marginales y diques, cuando

estas obras se construyen con gaviones.

5V velocidad media, en m/s

n coeficiente de Manning (ver tabla 2.1)

donde

(2.1)

Una de las f6rmulas de resistencia al Ilujo mas usuales en la practica es la de Manning,dada por

2.1.1 Sin arrastre

2.J Resistencia alflujo

2. HIDRAULICA FLUVlAL

60.0303

presencia de vegetacion en el fondo y las orillas, 0 depositosirregulares de piedras y grava, 0 profundas erosionesirregulares. Canales en tierra realizados con excavadoras ysin mantenimiento

nI. Concreto, en conductos cerrados

funcionando parcialmente llenos:a) cimbra de acero, sin acabado 0.013b) cirnbra de madera, sin acabado 0.014

2. Concreto en canales excavados a cielo abiertoa) acabado con lIanametalica 0.013b) acabado con lIana de madera 0.015c) sin acabar 0.017

3. Fondo de concreto, acabado con lIana de madera y taludesa) mamposteria junteada y aplanada con mortero 0.020b) mamposteria seca 0 a volteo .0.030

4. Fondo y taludes de mamposterlaa) junteada con mortero 0.025b) sin juntear 0.032

5 Canales revestidos con gaviones tipo colchoneta rellenos dematerial bien seleccionado y colocados en obra con muchocuidado 0.0222

6. Canales revestidos con gaviones tipo colchoneta rellenos dematerial bien seleccionado y puestos en obra sin muchocuidado 0.0250

7. Canales revestidos con gaviones tipo colchoneta reUenosdematerial de cantera no seleccionado y colocado a volteo 0.0270

8. Canales revestidos con gaviones rellenos de material bienseleccionado y puestos en obra muy cuidadosarnente 0.0260

9. Canales revestidos con gaviones rellenos de material noseleccionado y colocados en obra sin mucho cuidado 0.0285

10.Canales en tierra con malas condiciones de mantenimiento:

TAB.LA 2.1 VAL ORES DE LA "N" DEMANNlNG PARADIFERENTES ACABADOS

7Entre los metodos que permilen obtener directamente la resistencia total, se recomienda el

de Cruickshank-Maza, que toma en cuenta la rugosidad relativa de los granos y de manera

irnplicita eT carnbio de hi configuracion del fondo al variar el flujo. Dichos autores

proponen dos ecuaciones: una para regimen inferior con fondo de rizos y dunas, y otra para

el superior con ondas estacionarias y antidunas.

2.1.2 Con arrastre

Fig 2.1 Valor del coeficiente de rugosidad de Manning enfuncion del tamahodel material con et que se llenan los gaviones [8J

0.0252 4 6 8 10

Didmetromedio de los pcirllculos con los que se lIena eillovion,en pill

>.>I----"'"

V7

17

0.034

c0.032

~S~ 0.030-8

~ 0.028'0;;:::

80.026

Si se usan gaviones, que son cajas de alambre lIenas de rocas, el valor de n tarnbien se

puede determinar con ayuda de la fig 2.1, en funei6n del diarnetro medio de las parnculas

con las que se rellena el gavi6n. Cuando el radio hidraulico es mayor de 1.5 ID, se puede

utilizar un valor de n = 0.025 con la restricci6n de que el diametro medio de las partfculastenga un tarnalloque varie entre 5 y 25 cm.

Ru magnitud caracteristica, en m; para flujo en canales, se utiliza el radio

hidraulico

S gradiente 0 pendiente hidraulica, adimensional

8V velocidad media del flujo, en mls

(J)SO velocidad de caida de las particulas con diametro D50, en mls; se obtiene con

ayuda de la fig 2.2

d tirante medio, en m

Dn diametro de la particula, donde el subindice n indica el porcentaje en peso de

1amuestra que contiene particulas menores 0 iguales a Dn. Por ejempJo,

donde

Ys -Yl!.=--Y

(2.3 b)1 ( d )0.382-s;66.S --S ADs.

que se cumple si

(2.3 a)(d )0644(8):>52

V = 6.2S{

9Para cuantificar el transporte total de fondo, es decir, la totalidad de particulas que pasan

por una seccion, en suspension 0 en la capa de fondo, y que proceden del fondo 0 del

lavado de la cuenca, se recomienda utilizar los metodos de Meyer-Peter y MUllery el de

Engelund.

Los sedimentos que pueden ser transportados son los que constiruyen el fondo y las orillas

del cauce, ademas de las particulas muy finas procedentes de los terrenos de la cuenca.

2.2 Transporte de sedimentos

Fig 2.2 Velocidadde caida de lasparticulas para 20C segun Rubey [5J

D,enmm

11000100101.00.10.01

wten w.encm/s emfs

1= 11 . "1 11= )t-velocidod de coida.-,.

V encm/s111 V i-'"1= I,.-i.-'"1---

7 f'(

~~V I? ""\. velocidod de ecloo ,en cm/s

V~

I .. / I .. I .. '" I""

1.0 000

[)84 = 0.524 rom significa que el 84 por ciento en peso del sedirnento emfonnado por particulas cuyos tamai'iosson menores 0 iguales a 0.524 mm

S pendiente del cauce, adimensional

Y. peso especifico de la particula, en kgf/m)

y peso especifico del agua, en kgf/m3

10

(2.5)

La formula planteada para cauces arenosos es

Metodo de Engelund

En la ec 2.4b 050 YD90 estan expresados en m. Meyer-Peter y MUlier probaron particulas

con pesos especlficos comprendidos entre 1 250 y 4 200 kgf/m3; los diametros medios delas muestras variaron de 0.4 a 30 mm,

(2.4 c)

g aceleracion de la gravedad, en mls2

r, parametro adimensional de Shields

(2.4 b)

gar transporte total de fondo, en kgf/s/m

Om diametro medio de las particulas, en mn rugosidad total del cauce; se obtiene de 1aformula de Manning

n' rugosidad debida a las partlculas e igual a

donde

(2.4 a)

La expresion propuesta establece que

Metodo de Meyer-Peter y Muller

11

Viscosidad Viscosidad Viscosidad ViscosidadTemperatura,

dinamica, ).I, cinernatica, V,Temperatura,

d inamica, ).I, cinematica, V,

en kgf/m2 en ro2/s en kgf s/m' en m2/senoC

(10.8) (10.6)enoC

(10.8) (10'~

5 1.548 1.519 16 1.133 1.1J 2

6 1.500 1.472 17 1.104 1.084

7 1.456 1.428 18 1.076 1.057

8 1.413 1.386 19 1.049 1.031

9 1.372 1.346 20 1.025 1.007

10 1.333 1.308 21 1.000 0.983

11 1.296 1.272 22 0.976 0.960

12 1.260 1.237 23 0.954 0.938. 13 1.227 1.204 24 0.932 0.917

14 1.194 1.172 25 0.911 0.896

15 1.162 1.141 26 0.890 0.876

TABLA 2.2 COEFICIENTE DE VISCOSIDAD DINAMICA Y CINEMATICA

DEL AGUA EN FUNCION DE LA TEMPERATURA

Re numero de Reynolds, adirnensional

v viscosidad cinematica, en m21s (ver tabla 2.2)V. velocidad aI cortante, en m/s

donde

(2.6 b)

(2.6 a)Re = V,D50 2: 12v

donde V es la velocidad media del flujo, en m/s. Esta ecuaci6n se aplica siempre y cuando

0.15 < D50 < 2 mm y el numero de Reynolds de la particula asociado a la velocidad alcortante sea igual 0 mayor de 12, es decir,

12

c) Por Ultimo, otros autores consideran como gasto formative, sobre todo en nos de

planicie, el gasto maximo que es capaz de pasar por el cauce principal sin que se

desborde hacia la planicie. En la mayoria de los problemas estudiados, cste criterio

ha conducido a resultados mas congruentes.

b) Para algunos autores (entre ellos, Leopold y Madok), el gasto formative es el que

tiene un periodo de retorno de 1.4 aaos. Si hay una estaci6n de aforos cercana, se

puede obtener dicho gasto anaIizando los gastos maximos con los criterios, por

ejemplo, de Nash 0 Gumbel.

a) Gasto dominante. EI gasto formative que recibe este nombre es aquel que, al

permanecer constante a 10largo del ano, transportara la misma cantidad de material

del fondo que el hidrograma anual. Por tanto, para encontrar el valor del gasto

dominante, se calcuJa para cada dia del ano el transporte de fondo en funci6n del

gasto medio diario aforado; aI sumar todos esos resultados, se obtiene el transporte

anual del fondo, el cual se divide entre 365 dias de ano, y proporciona el transporte

medic diario. Con este, se determina facilmentc el gasto liquido diario, expresado en

ml/s, que tiene esa capacidad de transporte,

Para el estudio de la estabilidad de un cauce, es indispensable fijar un gasto que represente

el hidrograma anual; a continuaci6n, se describen varios de los criterios que existen en la

literature para determinar dicho gasto.

2.3.1 Gasto formative

2.3 Diseno de cauces con arrastre

13

(2.7)

La primera permite conocer la velocidad media de la corriente que no produce erosion,

considerando el diarnetro medio del material del fondo y el tirante,

Altunin propone tres ecuaciones para obtener los tres grados de libertad.

Con ello, supone que una seccion es de tipo a si las oriUas son dificilmente erosionables, y

de tipo b si estas son erosionadas con facilidad.

Para conocer la estabilidad de un cauce, Altunin torna en cuenta, ademas de las variables ya

indicadas, la mayor 0 rnenor resistencia de las orilJas a la erosion y la zona del rio donde se

encuentra el tramo en estudio.

Metodo de Altunin para material granular

Generalmente, conocidos el gasto formativo Q, el transporte de solidos que entra al tramo

en estudio gaT, y un diametro representativo, D, del material del fondo, se pueden obtenerlas pendientes S, el ancho B y el tirante d, es decir, se tiene un cauce con tres grades de

libertad. Entre los metodos para analizar la estabilidad del cauce estan, por ejemplo, los

propuestos por Altunin, Maza y Cruickshank, y Blench. El primero se desarrolla para

cauces formados con material grueso, como gravas y boleos; el segundo se aplica a cauces

arenosos, y el tercero es para cauces con rnargenesde material cohesive.

2.3.2 Cauces estables

Sin embargo, se recomienda utilizar los tres criterios mencionados y probar los gastos

obtenidos. Casi siempre, se puede contar con algun dato adicional que permita conocer cual

de estes es el mas acertado.

14

I si d < 1.50m (2.11 a)a=-3

1 si 1.50< d 2.50 m (2.11 c)a=-5

Ct exponente variable que depende del tirante y que puede tomar los valores

siguientes:

en m

a constante igual a I en la planieie y a 1.1en la zona intermediaV~ velocidad media maxima, en m/s, que soportan las particulas del fondo sin

que se produzca erosion cuando el tirante es de I m; se obtiene con ayuda de

la tabla 2.3 en funei6n del diametro medio de las particulas

d tirante medio en la seccion, igual al area entre el aneho de la superficie libre,

donde

(2.10)

La ec 2.9 se puede transformar y se ha propuesto utilizarla tambien como

(2.9)

La tercera resulta de la observacion que se hizo sobre el comportamiento de secciones

naturales estables y fue planteada por Gluschkov,

(2.8)V=kdZSX

La segunda define la velocidad de la corriente en funcion de la resistencia aI flujo,

15

z exponente que se recomienda igual a 112para las condiciones indicadas

k coeficiente de rugosidad que Altunin supone igual a 11 para cauces congravas 0 diametros mayores

Diametro, en mm V., en mls Diametro, en mm V., en rnIs46 1.44

48 1.47

50 1.50

1.0 0.60 52 1.54

2.5 0.75 54 1.56

5.0 0.80 56 1.59

10.0 0.83 58 1.62

15.0 0.86 60 1.65

20.0 0.90 65 1.69

25.0 0.98 70 1.73

30.0 1.04 75 1.76

32.0 1.11 80 1.80

34.0 1.17 85 1.84

36.0 1.24 90 1.88

38.0 1.29 95 1.91

40.0 1.35 100 1.95

42.0 1.38 150 2.40

44.0 1.41 200 2.60

TABLA 2.3 VALORES DE LA VELOCIDAD V. EN FUNCl6N DEL DlA-METRO

MEDIO DE LAS PARTicULAS CUANDO EL TlRANTE ES DE 1 M

16

Dado que 1a informacion disponible para el diseilo puede variar Y, por tanto, pueden

cambiar las tres incognitas que deben despejarse de las tres ecuaciones originales, en la

tabla 2.6 se indican tres posibles combinaciones de parametres por obtener, En dicha tabla

A partir de las ecs 2.7, 2.8 Y2.10, se obtienen las ecuaciones generales de diseiio mostradas

en la tabla 2.5 donde se ha considerado que z y x tienen los valores indicados

anteriorrnente. Las ecuaciones se presentan para los tres valores de (X rnencionados.

En la ec 2.13 propuesta para valuar A, n es el coeficiente de rugosidad segun Manning, y K

es un coeficiente que depende de la resistencia de las orillas (ver ec 2.9) y cuyos valores

son: de 3 a 4 si el material que forma el cauce es muy resistente (tipo a), de 16 a 20 paramaterial facilmente erosionable (tipo b), y de 8 a 12para material aluvial. En los problemas

de ingenieria, se acepta usar K = 10.

Los valores de A y m se pueden obtener con ayuda de la tabla 2.4.

(2.13)

A coeficiente dado por la expresion

(2.12)

m exponente igual a 0.5 para rios de montana ya J.Opara cauces aluviales

cerca de la desembocadura; se acepta 0.7 para cauces arenosos. Este

exponente tarnbien se puede valuar mediante la ecuaci6n

B ancho de la superficie libre del agua, en m

x exponente que se recomienda igual a 1/3 para las condiciones indicadas

17

Parametro A Exponente mZona del rio y condicion del Numero de Fronde cuando K= 10cauce Tipo de seccion Tipo de seccion

a b a bZona de alta montana,Cauce rocoso 0 cubierto deIpiedras 10.00 0.50 0.75 --- 1.00Zona de montai'ia.Cauce formado por cantosrodados, boleos y guijarros.Rapidas y pendiente cercana a

1.00 - 0:50la critica 0.75 0.90 1.00 0.80Zona en las faldas de lamontana. LJegada del rio alvalle. Cauce formado porguij arras, grava y arena.Corriente tranauila 0.50 - 0.20 0.90 1.00 0.80 0.75Zona intermedia. Cauceformado por arena gruesa,media y fina. Corrientetranquila 0.20 - 0.40 1.00 1.10 0.75 0.70Zona de planicie. Caucefonnado por arena finaa) Rio caudaloso 0.20 - 0.02 1.10 1.30 0.75 0.70b) Rio DOCO caudaloso 0.20 - 0.40 1.00 1.10 0.75 0.70

TABLA2.4 VALORES DE AYmPARACAUCESESTABLES

q gasto unitario, en m3/s/m

donde

(2.15)Q=VBd

(2.14)v=!Ld

aparecen cuatro incognitas para cada grupo, pero ello se debe a que se han incluido dos

ecuaciones adicionales de continuidad

18

Conocidos algunos de los parametres que intervienen co las ecuaciones de partida, se

pueden obtener los valores de otras tres. Si, por ejernplo, se conocen el gasto formativo Q,

el transporte de sedimentos que entra al tramo QBT, asi como la granulometria del material

del fondo y orillas, y se supone que el exponente rn, de la ec 2.9, es igual a 0.70 (valor

EI metodo propuesto toma en cuenta tres ecuaciones: una de fricci6n (Ia de Cruickshank-

Maza para arenas), una de arrastre y otra que relaciona anchos y pendientes, obtenida en

forma emplrica de observaciones reales (la de Gluschkov).

Metodo deMaza y Cruickshank para cauces arenosos

Elemento de calculo a= 115 a= 1/4 a= 1/3

Profundidad media, d0.732V~O/3 0.685V ..' .O.565V:(1O.O.OSY019 (IO.O.OS)'" (1.O.O.OSr

Velocidad media, V.O.939Vj'3 .O.9.09V; .O.835Vi(1.O.O.OS)2/9 (1O.O.OS)"3 (I.OO.OS)2I9

Gasto unitario, q0.686V: .O.623V; .0.471-:(IOOOS)'1l (1O.00Syl3 (1.O'o.OS)""

Gasto de agua en un 7.46A2y~O 6.2'oA2V~1 3.50AVIS,brazo estable, Q (1O.O.Osl.G1 (1.O.O.OSt73 (I.OOOS)"13Pendiente del cauce 0.O.0192Ao6SlV;,26 .0..0.0163AoS63vi21 .0..001 23Ao.l1 vi'"estable, S go.n6 Q0268 gO,,"

Velocidad media

maxima sin que se6.85g0.l0SO.307 7.40QQ.OSJS.312 8.4Sgo.Gl9so.m

AO.2 AO.Ill Ao.lproduzca erosion, V~

TABLA 2.5 EXPRESIONES PARA EL CALCULO DE CAUCES ESTABLES

FORMADOS EN TERRENOS DE ARENA GRUESA A GUIJARROS,

CON PARTicULAS DE DIAMETRO MAYOR DE 1mm

19

promedio para cauces arenosos), se obtienen el ancho, et tirante y la pendiente del caucecon estabiJidad dinamica, Las ecuaciones que permiten determinar esas variables son:

J En algunos cases, las formulas tambien son apticables a cauces asenosos. Los valores de V se ternan de Ie tabla 2.3 yaque en las f6nnulas que aparecen en esta tabla se cst's tomando cn cuenta si sc utilizan tirantes diferentes de I m.

Variable ct= 115 ex = 1/4 ct = 1/3I por calcular

Primer problema Datos: Q, V., A

S0.00192Ao.6SJV:26 0.00163Ao~63V:21 0.00 I23Ao.31VllS

QO.)20 QO)6S QO.,s,

B AQv"/Sv,< AQu"/Su" AQu"ISU,"

q QIB QJB QIB

d (qN*i/6 (qN~)4f!1 (q/V~iI4

Segundo problema Datos: S, V., A

d0.732V~0/l 0.685V; 0.56SV:(1000S)'OI9 (1000S)'/3 (1000S)1

q V~d"" V~d;/4 V~d'"

B A"q/Sv" A"q/Su" A"q/Su.4

Q qlB qlB qlB

Tercer problema Datos: Q, S, A

0.817Qo., (IOOOSt'07 0.855Qo083(1000S)0.3'2 O.943Qo.049 (IOOOS)O.317V~ Ao.IOAo.2 AO.176

B AQv"/Sv,< AQv"ISv,< AQu,/Su.

q QIB QIB Q/B

d (ql V~i'6 (ql V~)419 (ql V~)ji4

TABLA 2.6 FORMULAS DE DISENO PARA CAUCES ESTABLESEN GRAVA oBOLEO I

20

Segun Blench, las tres ecuaciones de diseno para obtener las caracteristicas geornetricas deun canal estable son:

Teoria de regimen. Metodo de Blench para cauces arenosos 0 con material cohesivo

En las ecs 2.16 a 2.21, se expresan: B, d, D3; YDS4 en m; Q y QBT en 1U3/s; g en mls!; (1)50

en mis, y /:J. no tiene unidades.

La principal ventaja de este metodo consiste en que permite considerar el gasto solido y,

por tanto, conocer las variaciones que sufre la seccion cuando este es incrementado 0

reducido debido a alteraciones en la cuenca y obras en los cauces.

(2.21)

(2.20)O.SD~183Qo.m

d , 0.283g0.031 AO.l33KOjQO.061DO.061!o.V50 L\ Dr J:S

(2.19)

Para regimen superior,

(2.18)

(2.17)

(2.16)

Para regimen inferior,

21

(2.26)

Si el canal arrastra poco sedimento y el fondo es arenoso,

EI factor de fondo Fs puede ser valuado mediante las expresiones siguientes:

Los coeficientes de las ecuaciones antedores obligan a utilizar unidades del sistema

rnetrico.

(2.25)

Fb factor de fondo, cuyos valores promedio son 0.8 para material fino y 1.2paragrueso

F, factor de orilla, cuyos valores son 1.0 para materiales sueltos, 0.2 para

ligeramente cohesivos y 0.3 para cohesivos

concentracion del sedimento arrastrado del fonda, en partes por millen

expresada en peso

K coeficiente igual a

donde

(2.24)

,J ]"ld:I.1%'

(2.22)[ ]

"Z

B=l.S] ~b

22

5. Comision Federal de Electricidad, "Cap A.2.11 Hidraulica fluvial", Manual de

Disei'io de Obras Civiles, Mexico, D. F. (1981).

4. Comision Federal de Electricidad, "Cap Al.I0 Avenidas de disefio", Manual de

Diseiio de Obras Civiles, Mexico, D. F. (1981).

3. Comision Federal de Electricidad, "Cap A.2.9 Escurrimiento a superficie libre",

Manual de Diseiio de Obras Civiles, Mexico, D. F. (1981).

2. Engelaund, F, "Hydraulic resistance of alluvial streams", Journal of the Hydraulics

Division. ASCE, vol 93, No. HY4, paper 4739 (Mar 1966),315.327.

I. Blench, T,Regimen behavior of channels and rivers, ButterworthsScientific Publications, London (1957), 53113.

2.4 Referencias

Conviene utilizar el rnetodo de Blench en el disefio de canales de riego y en tramos de rios

CODmaterial fino y cierta cohesion. Se debe tener cuidado cuando su aplicacion se

extrapola a cauces naturales 0 canales con material grueso.

(2.27)Fj, = 1.9.fi5(J + 0.0 I2CJ

Si existe arrastre de sedimentos y el fondo es arenoso,

D diametro medio de las particulas, en mm

dODde

23

8. Secretaria de Obras Publicas, Gaviones mctalicos, Departamento de Antioquia,

Colombia.

7. Meyer Peter, E and MUlier,R, "Formula for bed-load transport", Report on Second

Meeting of The International Association f.Qr Hydraulics Research, Estocolmo,Suecia (1948), pp 39-64.

6. Maza, J A and Cruickshank, C, "Stable channels in alluvion", Proceedings of the

International Symposium on River Mechanics, Bangkok, Tailandia (Jan 1973), 71s-722.2.

25

EI control de las carcavas permite, por ejemplo, rellenarlas a fin de restituirlas aJ uso

agricola, 0 semirrellenarlas para favorecer el desarrollo de pastos y despues utilizarlascomo desagues, 0 simplemente dar a las carcavas un tratamiento adecuado para

estabilizarlas y asi evitar su posterior crecimiento.

Los metodos mas usados para efectuar este control varian de acuerdo con el numero,localizacion, tamafio y pendiente de las carcavas as! como de la superficie, topografla,cubierta vegetal existente, condiciones de drenaje y tipo de suelo predominante en la

cuenca de captacion.

3. CONTROL DE CARCA VAS

26

Can el uso de las presas de control de azolves, se estabiliza en forma casi total el fondo de

las carcavas y se reducen la velocidad del agua y el deterioro en los taludes de las mismas.

B. Decremento de la erosi6n de taludes y fonda de la carcava

Fig 3. J Zanjas desviadoraspara controlar 10 erosion aguas arriba de la carcava

cOrcovo

[ =_iO_de....svlodorn

,..- \1--- cOrcow estobilizodoI')

Para evitar el crecimiento de la carcava hacia aguas arriba, la prevenci6n y detencion de la

erosion remontante, se pueden lograr al desviar el escurrimiento superficial bacia otros

desagues, previamente protegidos, mediante el empleo de zanjas derivadoras (ver fig 3.1).

Otra opcion seria utilizar areas especlficas; la mas comun de estas es una rapida, cuyo piso

tenga la protecci6n de un zarnpeado de piedra 0 concreto reforzado (ver fig 3.2).

A. Cabeceo de las tormentas

En los trabajos por desarrollar para el control de las carcavas, se distinguen dos etapas

diferentes.

3.1 Etapas de control

27

Las presas de gaviones se emplean para controlar la erosion en carcavas de diferentes

tamaiios, y como presas filtrantes para regularizar corrientes; se usan siempre y cuando se

3.2.1 Funcionesy tipos

3.2 Presas de gaviones

La vida util de las presas de caracter temporal fluctua entre 2 y 5 aiios, es posible que este

tiempo sea suficiente para estabilizar la carcava mediante vegetacion nativa. Las presas de

caracter permanente pueden llegar a tener una duracion hasta de 40 0 SOafios.

Las presas de control de azolves se construyen con diversos materiales, segun sean de

caracter temporal (presas de ramas, de malla de alambre, etc.) 0 permanente (presas de

piedra acomodada, de gaviones, de mamposteria, etc.).

Fig 3.2 Cabeceo de una rdpida con zampeado de piedra 0 concreto reforzado

CD Fondo oriQinal de 10 earcaw Umbral del defleclor , 0Area Ileavada do 10 pared del 10Iud Relleno con reee V.rtedor Rdpi6a Cre.la de 10 eslruelura Elcurrimiento@ ExcavatiOn de 10 piotto

La estabilizaci6n sera total, s610 cuando se desarrolle vegetaci6n permanente que retenga el

suelo en su sitio.

28

En la pared vertical, s610 la malla que forma la cresta esta expuesta a la abrasion y, por

tanto, se debe proteger esa malla; ademas, al pie de la cafda se puede desarroUar una gransocavacion, mas grande que la producida por los otros tipos. EI de pared inclinada serecomienda cuando la altura de la presa varia entre 10 y 15 m. EI de escalones inclinados

presenta mejor estabilidad y disipa un poco de energia en cada escalon, 10 eual implica

cierta ventaja pues la profundidad de la socavaci6n puede ser muy pequena. No se sugiere

usar los tipos segundo y tercero si la corriente traosporta sedimentos muy pesados, ya que

estes pueden lIegar a dafiar la malla de cada uno de los escalones.

Fig 3.3 Presa de gaviones conparamento vertical aguas abajo [5}

Corle A-A

11.0

Corle 8-8

Acotocione" en In

9.0Perfil de moltimoero$ion del ccuce

Perfil odolnoldel terreecLA

Las presas de gaviones se pueden clasificar en Ires tipos fundamentales, segun sea la

conformacion del paramento aguas abajo: de pared vertical, de pared escalonada y de

pared inclinada, de manera que la lamina vertiente del agua que pase sobre ella quedeadherida (ver figs 3.3 a 3.5).

consideren los aspectos de estabilidad especificados para las construcciones de gran

rnagnitud.

29

Fig 304b Presa de gaviones COli escaiones incltnados y con escafones que formantanques disipadores [7J

o Fig 30 40 Presa de gaviones con paramenia escalonado aguas abojo [5J

Acotoclones, en tI\

Perfil de mOklmo.toslon de~ceuee

PsrlU orlc;Jinoldel terre no

Corle A-A

orioinol d.1 leu-,no

,.. ",11... orliflclol

l.~fSol

PeJfll de tnOltlmoerosIon del eeuee

de 010 001)01 obOJoPrOleee16n'-APerfilor1;1001del tereeee

Corle 8-8

11.0

Perfil orl91001d.1 terre no

so.o

30

EI espaciam.ientoentre dos presas consecutivas (ver fig 3.6), depende de la pendiente de los

sedimentos depositados, de la altura efectiva de las mismas y de la finalidad que se persigue

con el tratamiento de las carcavas. Por ejemplo, si se desea retener mucho sedirnento, se

Espaciamienro

La altura efectiva puede ser hasta de 5 m 0 mas, s610 que para su disefio se deben

considerar los problemas inherentes a la estabilidad de la presa.

Altura efectiva

Geometrica

El disefio de presas de gaviones requiere determinar las correspondientes dimensiones

geometricas (altura, espaciarniento y empotrarniento de la presa), hidraulicas yestructurales

(estabilidad al volteo y deslizamiento horizontal, asi como del revestim.ientodel tanque

amortiguador, y analisis de la cimentaci6n).

3.2.2 Criterio de diseno

Fig 3.5 Presa de gaviones canparamento inclinado aguas abajo [5J

6.0 6.0

CoIdlOn.'0S \l\ldos 00I'I olmoc;!.oobitumlnote hl4rOulieo

35.0,'.0'.013.0

t: 83.0. Iji ,I~ i , i ,I ,I ,I , i( II' ,I ,II I II, i ,II I I' , I , i I' II, i( I ,I , I I ':!:::-J.

: 26.65 ._, II I ' I ' II i , I ' 1 iii iii iii I i I: In 9Ovko"tS

31

E distancia entre dos presas consecutivas, en m

H altura efectiva de la presa, en m

donde

(3.1 )E = H 100S, -S,

Generalmente, los sedimentos retenidos por la presa de control presentan una pendiente, la

cual varia de acuerdo con el material sedimentado y la inclinacion geometrica de la

carcava. La pendiente de arenas gruesas mezcladas con grava es de 2 por ciento, para

sedimentos de textura media de I por ciento y para sedimentos finos limosos-arcillosos de

0.5 por ciento. De esta manera, el espaciamiento entre presas seria

Fig 3.6 Espaciaminto entre presas de gaviones [6J

Presos intermedios 0 de segundo orden

p.f'dl,ntt dt comp."soclol'l(01(111040

Perfil de equilibrio de un couee

r- P,..,io"o de complf'lsock)n

recomienda emplear presas relativamente altas, espaciadas a distancias mas 0 menos

grandes. Sin embargo, cuando el objetivo es estabilizar la pendiente de la carcava, el

espaciamiento y la altura de las presas deben ser menores.

32

La facilidad con que el agua pueda erosionar ellecbo del cauce determina Laprofundidadconveniente para cimentar la obra e impedir que la socavaci6n se produzca; no es necesario

alcanzar un estrato resistente a la compresion, ya que la flexibilidad de la estructura de

gaviones admite que la obra pueda sufrir asentamientos provocados por la inestabilidad del

terreno de apoyo.

La profundidad de los taludes depende de la posibilidad de derrumbamiento de las

margenes, y debe ser por 10 menos de I m respecto a la linea ideal.(ver fig 3.7). En algunos

casos, cuando el material que compone las margenes es facilmente erosionable, ademas de

profundizar los empotramientos, so requiere construir protecciones marginales aguas arriba

de la obra y muros que encaucen la caida de agua y eviten la socavaci6n de las margenes en

la proximidad de la presa (ver fig 3.8).

Uno de los aspectos que merece particular atencion es eLernpotramiento de la presa, tanto

en el fondo de la carcava como en sus taludes; en el fondo, cuando los escurrimientos que

se conducen son relevantes, y en los taludes, para impedir que el agua flanquee la estructura

y se produzcan erosiones en estes.

Empotramiento de la presa

Cabe destacar que en la practica, algunas veces no es necesario ajustarse con rigor al

espaciamiento calculado pues cambiando ligeramente la separacion, se puede rnejorar la

localizacion de las presas al encontrar sitios mas apropiados para construirlas.

Si se cuenta con informaci6n de la carcava, gasto formativo y tamaiio de los materiales es

posible predecir el perfil de equilibrio del cauce de esta, por ejemplo, con los criterios de

Blench, Altunin, y Maza y Cruickshank (ver inciso 2.3.2).

So pendiente de la carcava, en porcentajeS, pendiente estable del sedimento, varia entre 0.5 y 2 por ciento

I

33

Fig 3.8 Presafiltrante de gaviones con muros de encauzamiento [6]

Fig 3. 7 Esquemapara determinar faprofundidad del empotramtento en /a margende unapresa filtrante de gaviones [6]

8 AnoulO del tolod naturaldel te.rreno

hI

34

81 escurrimiento de una cuenca puede considerarse compuesto por dos partes, un flujo base,

el cual proviene del escurrimiento subterraneo y un escurrimiento directo, que es producido

por la lIuvia en exceso.

En cuencas pequenas, los gastos maximos son causados principalmente pOTlluvias de corta

duracion, Una parte de la precipitacion se pierde a traves del proceso de intercepcion,

evapotranspiracion e infiltracion, La parte restante, que de manera eventual lIega a serescurrimiento, es conocida como la lIuvia en exceso. La proporcion de la lIuvia en excesorespecto a la precipitacion total depende de los factores climatologicos y de los aspectos

fisicos como son la condicion de humedad del suelo, el tipo de superficle del suelo y

subsuelo, y la clase de vegetaci6n.

Una cuenca pequefia se puede defmir como aquella cuyo escurrimiento es sensible a lluvias

de alta intensidad y corta duraci6n, y donde predominan las caracterlsticas flsicas del sueJocon respecto al cauce. Con base a esta definici6n, el tamano de una cuenca pequeiia puede

variar desde unas pocas hectareas hasta un limite que para prop6sitos practices Chow

considera de 250 km2

Para una cuenca pequena, la forma y cantidad del escurrimiento estan influidas sobre todo

por las condiciones fisicas del suelo; por tanto, el estudio hidrol6gico debe darle mas

atencion a la cuenca propia. Para una cuenca grande, el efecto de almacenaje del cauce es

importante, pOT10 cual hay que revisar cuidadosamente las caracteristicas del rnismo.

En el desarrollo de los proyectos relacionados coo presas construidas en carcavas, uno de

los principales problemas corresponde a la planeaci6n y diseno del vertedor, los cuales

afectan mucho la economia y posibilidad fisica de un proyecto.

Vertedor alojado en la presa

,Hidraulico

35

A., area hidraulica sobre el vertedor, en m2

g aceleracion de la gravedad, en mls!

B ancho de la superficie libre del agua sobre el vertedor, en m

donde

(3.3 )

Cuando el vertedor no es rectangular, sino que tiene, por ejemplo, seccion trapecial 0

parabolica (ver fig. 3.9), la relacion entre el gasto y la carga hidraulica se obtiene por la

formacion del estado critico sobre el vertedor, la cual esta dada por

Q gasto maximo, en mJ/s

C coeficiente de descarga, en ml12/s; para un vertedor de cresta ancha es igual a

1.45 si la relacion e/H = 10L longitud del vertedor, en rn

e espesor del vertedor, en m

H carga hidraulica, en m

donde

(3.2 )

Los vertedores rectangulares de las presas de control se consideran del tipo de cresta anchay, por tanto, la descarga correspondiente, se calcula con la ecuacion siguiente:

En la literatura especializada sobre el tema, el metoda de Chow pennite evaluar el gasto

maximo en cuencas pequeiias para deterrninado periodo de retorno, mientras que el de

l-Pai-Wu sirve para calcular el gasto maximo, y su hidrograrna correspondiente. EnSpringall (1967), se presentan ambos metodos, como fueron deducidos y se analizan susrespectivas ventajas y limitaciones.

36

Rand (1955), con base en sus propios resultados, asi como en los datos experimentales de

Bakhmeteff y Feodoroff (1943) y de Moore (1943), propone que la geometria del flujo en

Caracteristicas generales del flujo

Para proteger el fondo de la carcava inmediatamente aguas abajo de la estructura contra los

efectos erosivos producidos por la caida de agua que pasa sobre el vertedor, se usa la platea,

que consiste en un revestimiento con piedra acomodada 0 con el material empleado en la

construccion de la presa.

Tanque amortiguador (platea)

En el caso de que exista arrastre de material solido, se emplea sobre la cresta vertedora

algun tipo de revestirniento, como es, por ejemplo, la madera 0 el concreto, para que el

escurrimiento no destruya la estructura del gavion,

ramas, etc.

Como practica comun, se da un bordo libre a la altura del vertedor para prever las posibles

obstrucciones debidas a materiales que pudiera arrastrar la corriente, por ejemplo: troncos,

Fig 3.9 Vertedores de secciones trapecial y parab6lica [5}

17.0

9.0

37

mimero de caida 0 de Dodiah, adimensional

gasto unitario, en ml/s/m

aceleraci6n de la gravedad, en m/52

altura de caida de la presa 0 dcl salto, en m

longitud del foso aJ pie de la calda, en mtirante aJ pie de la estructura, en mconjugado menor en la base de la caida

profundidad del remanso, en m

(3.8 )

(3.7 )

(3.6 )Y, = I.OODo.22h 30cm cerpeto de grovo a enraeomienloSecoloce onles de construlr elespigon

Taludes si se usoenrocomiento

EspiqOnformado can enroco-miento 0 goviones

Fig 4.11 Erosion delfonda durante la construccion [7}

Erosion del fondo quesopuedeproducirdurante 10canslruceion

Avonco de 10conslruceloncan el la.lud de reposo

81

Si el escurrimiento amenaza con llegar a la orilla donde esta empotrado el espigon, se debe

proporcionar una pequena proteccion marginal a ambos lados de dicha estructura.

EI espig6n construido con gaviones tiende a ser mas pequefio que el de enrocamiento. Lafinalidad de los espigones es desviar la direccion del flujo, 10cual provoca socavaci6n a 10largo de las lineas de corriente definidas y, como consecuencia, se incrementa laprofundidad del cauce; esto ultimo resulta util cuando se desea que el rio sea navegable.

Los espigones de gaviones son semirnperrneables pues primero desvian la corriente y luego

reducen la velocidad de la misma; ademas tienen la suficiente capacidad de deformacion

estructural. EI acurnulamiento de limo alrededor y dentro de los espigones ayuda a que se

desarrolle vegetaci6n, 10cual permite que estas estructuras se consoliden dentro de la nueva

orilla y favorezcan el control de la erosion.

4.2.4 Observaciones

Las diferentes secciones transversales de un espigon se proyectaran de acuerdo con elempuje del agua que esa estructura debera soportar (ver subinciso 3.2.2.3 para el analisis de

estabilidad); ademas, en las secciones sumergidas, se considerara la fuerza de tracci6n de la

corriente para el gasto maximo de diseflo. En la fig 4.13, se muestra la geornetria en planta

de un espigon.

En aquellos lugares donde no hay rocas 0 estas se encuentran a grandes distancias, unaalternativa viable es utilizar gaviones de medidas variables, adecuadas al proyecto,dispuestos en una 0 varias hiladas segun sea la altura que debe guardar el espigon.

4.2.3 Estabilidad de la estructura de gaviones

La profundidad de socavacion para un espig6n hecho con gaviones se puede obtenermediante diferentes formulas como las mostradas en la tabla Ique se incluye en Klingmane/ al. La flexibilidad del gavi6n ayuda a mantener la seguridad de la estructura si sepresenta una socavaci6n mayor que la calculada; en cambio, un espigon de enrocarniento esmas vulnerable en esa circunstancia.

82

Por otra parte, si el fondo del cauce no esta compuesto por rocas 0 piedras grandes, seemplea una platea de proteccion constituida por una colchoneta (ver fig 4.14); dicha plateapuede ser eliminada cuando el espig6n es pequeno (I 0 2 m de altura y basta 5 m de ancho).Los gaviones que forman la colcboneta son plauos, se colocan sobre el lecho del rio, estanrellenos con material de lOa 20 em de diametro y se alambran unos con otros. Laflexibilidad de la colchoneta asegura que esta siga la forma de la socavacion que sepresenta en la punta del espigon (ver fig 4.14). La colchoneta puede sec delgada, porejemplo: de 0.5 m 0 menos, pero con el peso suficiente para conservarla sobre el fondo, ylograr que resisla el arrastre producido por la corriente, asi como cualquier tendencia a

EI espigon de gaviones no requiere una excavacion previa para colocarlo. Cuando se esperatener una socavaci6n grande, se puede hacer una excavacion chica para minimizar eltarnafio del asentamiento diferencial. Esta clase de espigon se puede ubicar directamentesobre el fondo del cauce 0 bien sobre una losa formada con un gavion tipo colchoneta.

Fig 4.13 Disposicion de los elementos queforman un espigon de gaviones [3J

A B

EspigOn cobezo de morfilio, cimenfodosobre ptorec

83

La colchoneta de proteccion, para que sea adecuada, se debe extender hasta que alcance la

maxima socavaci6n que se considere posible. La colocaci6n de la colchoneta no requiere

Fig 4.14 Espigon conplatea [5]

b) Comportomientode 10ploteo

I

0) Espigon formodo por goviones y ploteo concolchoneto

p

I

lonto

l:th':'I~::;;.~ Nivel maximo",.:. '.,:-;,.. vdel ~ua1~_+-_+-_+_.,..._,"'ll!F-----Niv.l minima

I V del ~ua

levantarse. La longitud de la platea depende de la socavaci6n esperada; la experiencia ha

mostrado que dicha loogitud puede variar entre 1.8 y is.Om.

84

Para diseiiar un recubrimiento marginal, se requiereo los mismos datos seiialados en el

inciso 4.2.1 con las variantes que se indican a continuacion.

4.3.1 Datos para diseiio

Los recubrimientos marginales se clasifican en: permeables, semipermeables e

impermeables. Los muros permeables permiten el paso libre del agua, pero reducen su

velocidad para que esta pierda su capacidad erosiva al no poder arrastrar el material de la

margen; los elementos que ayudan a lograr esta proteccion se Uaman Jacks. Los

recubrimientos semiperrneables evitan el contacto directo de la corriente con el material

que constituye la orilla aunque no obstaculizan el flujo del agua entre los huecos de la

cubierta protectora. Los impermeables impiden el contacto entre el material de la margen y

el agua (Iosas de concreto, recubrimientos asfalticos, muros de mamposterfa, etc).

Estos muros son estructuras apoyadas directamente en la margen de un rio a fin de evi tar el

contacto de la corriente de agua con el material de la orilla que protegen.

4.3 Recubrimientos 0muros marginales

La punta del espigon se bisela y debe quedar a la misma altura del nivel mas bajo del agua(ver fig 4.15); el otro extremo, pegado a la orilla, se recomienda que este bien anclado a la

margen y quede 30 cm arriba del myel mas alto del agua,

No se recomienda construir un unico espigon, pues esto ocasiona la presencia de remolinos

que solo provocan problemas; se ha encontrado que el sistema uti! mas pequeno consta de

tres espigones.

una preparacion previa, solo basta con alisar un poco la superficie mediante tractor; eo caso

de que el tirante de agua sea notable, se arman los gaviones y se acornodan con ayuda de

una gnia,

85

Enseguida, se comentan los aspectos mas importantes que deben tomarse ell cuenta a)

disefiar recubrimientos marginales formados con enrocamiento y otros materiales,

4.3.2 Recomendaciones de disefio

El espaciamiento y amplitud de las secciones transversales se reduciran 0 aumentaran deacuerdo con la irregularidad de la margen para realizar el diseno de la proteccion. Conobjeto de formar el filtro (grava y arena) es necesario conocer la ubicacion de bancos demateriales, asi como la granulomerria y peso especifico de las particulas.

Fig 4.15 Perspectiva de un espigon [9]

secclcn lonqltudlncl

Loso de opoyo 0 ploleoMcho con coIcI)onelo

Loso de opoyo 0 plolea hechocan calchoneloEspig6n

,riO

86

donde res el radio de la curva medido al centro del cauce,

(4.7)r:$ 88

Los recubrimientos marginaJes se utilizan tambien para proteger curvas can radios menoresde 2 8. Asllos radios de curvatura del eje del rio deben valer

Fig 4.16 Trazo del eje del rio yde 10 linea del pie deltalud de 10proteccion [7l

secclcn B-B'Rc('.ubrimienlo marginal

Seccion A- A'

E

Morgen actualr-L,--t

F

RcctlbritnientomoroinoJ

Troza de) lo1ud exterior E~ de 10protection .

E -------f- ~ E'--'C L...~---Y JJ: Ejedolrio B' z:.::'.mo

de proteceidn

El diseno se efectua de manera similar aJ de los espigones. Se dibuja el eje del nuevo cauce

(ver inciso 4.2.2) y se marcan la orilla y el pie del talud de la margen. Luego, en forma

paralela al eje del rio, se trazan el pie del talud de la futura obra protectora y, par Ultimo, la

linea extrema de proteccion (ver figs 4.16 a 4.18).

a) Localizacion en planta

87

Fig 4.18 Recubrimiento marginal parafijar el cauce [7]

Recubrimiento morQinol

',_"",,'-_ Protecclen s610en los curvos(sin trcislope)

La morgen, si es resistente,no requiere proteccion

Morgen resis tente 0 to erosion

Fig 4. 1 7 Recubrimiento marginal para fijar el cauce actual [7]

EI recubrimiento morginol debeser porole 10at ele del do

88

Se forman con enrocamiento 0 colchonetas de malla metalica rellenas de grava 0 boleo,dispuestos sobre la margen, la cual debera ser perfilada al talud deseado y compactado (verfig 4. 19).

c.l Semimpermeables

c) Dimensiones de los recubrimientos marginales

Se recomienda usar el taJud2: I por su facilidad de construcci6n con enrocamiento, losas deconcreto 0 colchonetas formadas por malla metalica y rellenas con grava 0 00100.Cuando elproyecto requiere taludes verticaJes,por ejemplo, al cruzar una poblacion con el fin de ganarterreno al rio 0 bien para no destruir construcciones que esten cerca de la orilla, se recurre atabla - estacados, muros de concreto0mamposteria, y muros constituidos con gaviones.

Simultanearnente a 18localizacion en planta, en cada secci6n transversal se traza una lineavertical en el lugar que corresponde. a una linea que sefiala la traza del talud exterior de 18protecci6n. Con base en todas las secciones, se selecciona una elevaci6n prornedio delfondo, la cual se marca en la linea vertical mencionada. Con ello, se visualiza la ubicaciondel pie del taJud del futuro recubrimiento. A partir de este punto, se traza el talud elegidopara la protecci6n. Asimismo, se identifican las zonas que deben ser rellenadas 0 los cortesque se tienen que realizar antes de colocar el material del recubrimiento.

b) Talud de la proteccion

Cuando tinicamente se desea evitar los movimientos laterales de un rio, sin reducir el ancho

del cauce, 16s recubrimientos solo se colocan en las orillas conca vas de las curvas y se,prolongan hacia aguas arriba y abajo en los tramos rectos, de manera que donde termina laproteccion de una margen se inicia la de la margen opuesta (ver fig 4.I7). Si lasprolongaciones son costosas conviene reducir su longitud; esto se logra al proteger todas lascurvas de un tramo largo de un rio y, con un poco de experiencia, visualizar en el esquemade planta las zonas de los trarnos rectos que no requieren protecci6n (ver fig 4.18). Lascurvas interiores de los rios no se protegen.

89

Se construye el recubrimiento completamente impermeable cuando se tiene la certeza de

que el nivel freatico nunca rebasa el nivel del fondodel cauce (ver fig 4.21).

Usualmente, se integran con gaviones tipo colchoneta, concreto hidraulico inyectado

mediante la colocacion de una capa asfaltica; se utilizan en rios y canales donde se puede

trabajar en seco.

c.2 Impermeables

Los recubrimientos marginaJes de enrocamiento deben contar, COUlO miniruo, con una

coraza en contacto con eJ flujo que tenga el peso suficiente para no ser arrastradas por la

corriente, y con un filtro que evite que las particulas constitutivas de la margen del rio

salgan por los huecos de la coraza cuando el nivel freatico en la orilla presente una

elevacion mayor que la de la superficie Iibre del rio (ver fig 4.20).

Fig 4.19 Recubrimiento marginal de enrocamiento sobre fa/lid perjilado.Vista transversal [ref 7]

Fillro (en ocosiones no se eotece,eere si esto ocurre $e incremento elespesor del enrocomiento)Lp = LonQltud de 10 ptoteo

Enrocomiento

d

NAM(n

Ele""cion poro .1Qosto dominont.

90

4.22).

En zonas donde los rios cruzan poblaciones, es frecuente el uso de muros verticales de

gaviones, desplantados a una profundidad tal que la corriente no pueda erosionarlos (ver fig

Fig 4.21 Reoubrimiento impermeable en pequehos calices [7]

Zona que se puede rellenorcon enrocomiento

-~Posible erosionElevocion mOximodel niv~freotic:_l _

Couce secoen estioje .Recubrimiento de con-creto a momposteria

Fig 4.20 Recubrimiento marginal de enrocamiento sobre talud perfilado.Vista planta [7]

Recubrimiento marginal

,.-.""'_ Protacclon s610 en los curvos{sin troslope}

La morgen, si es resistenle,no requiere proteccldn

Morgen resistente a 10 erosion

91

AJgunos procedimientos para evitar que un recubrimiento sea socavado son: desplantar laproteccion a una profundidad que impida el dafio ya sea por erosion general 0 en curvas;

excavar una trinchera al pie del recubrimiento, y rellenarla con un material que no pueda

La causa principal de la falla y destruccion de los recubrimientos es la socavacion que seproduce al pie de los mismos; por tanto, el exito de un recubrimiento depende de su

proteccion contra esa erosion local debida a la socavacion general en el cauce 0 solo en las

curvas.

d) Proteccion contra la erosion local

Estas obras permiten colocar a cierta distancia de la orilla y a 10largo de la misma algun

elemento que no pueda ser arrastrado por la corriente y deteoga la vegetacion y basura

transportadas por el flujo. Ejemplos de dichas obras son los pilotes separados entre sl y

alineados a 10largo de la linea extrema de defensa, los Jacks (ver fig 4.23), etc.

c.3 Permeables

Fig 4.22 Recubrimiento marginal vertical [7J

Protecclon formoda con enro-comiento 0 goviones

d

Rellenocompoctodo

Ancloje en coso deser necesorio

92

Para calcular la proteccion coo gaviones tipo colchoneta, conocidos la pendiente, el tirantecorrespondiente aI gasto de diseno y el taJud de la margen, se determinan los componentes

4.3.3 Estabilidad de la estructura de gaviones

En los rlos de planicie, se recomienda que la proteccion llegue hasta el borde superior de Ja

orilla, es decir, que aJcance toda la altura de la margen. Eo los que 00 son de planicie, el

recubrimiento marginal, debera tener un metro mas arriba que el nivel del agua aI pasar el

gasto domioante (ver fig 4.24).

e) Altura del recubrimiento

Fig 4.23 Recubrimiento marginal permeable/armada can lacks [7]

Se pueden eolocor troncos yromos entre 10hilero de Jocksy 10mnrn"n

ser arrastrado por la corriente; finaimente, en vez de profundizar la proteccion, colocar una

platea a base de gaviones 0 enrocamiento sobre el foodo del cauce, con elementos que la

corriente no pueda transportar (ver fig 4.24).

93

Fig 4.24 Formas deproteger lin recubrimiento marginal contra 10 erosion [7]

L p= Longitud de 10 ploteoc) Oetontol de prof eccidn

_-'..... -~------- \._Posible

eroalcSn

Proteccion conenrocamiento 0 goviones

E

Profundidod ooaci

94

En el caso de un cauce que lleva cierto caudal, habra que tomar en cuenta el efecto del

arrastre de la corriente; con tal fin, se definira el esfuerzo cortante producido por la

corriente en el fondo 1"( 'I en la margen tm, segun las expresiones

F. = g, sene(4.8)

F =g cos9

Fig 4.25 Proteccion de fa margen actual 0 rectificada de un rio [3]

N A ordinaria.

N A M E

Eillaj.

95

(4.11)0.8CSd'Y, cos Starnp

e,

y el espesor ex requerido por el colch6n en ese punto sera

(4.10)gs cose Ian 'f/ =0.8y .,Sd

AI considerar exclusivamente la inestabilidad provocada pOTla fuerza de arrastre de la

corriente, en el gavi6n de protecci6n localizado a cierto punto "XU de la secci6n transversal

del cauce, aI cual corresponde una profundidad H. cuyo valor esta en funcion de la

pendiente 9 de la margen y el angulo de fricci6n IVentre las superficies del gavi6n y del

terreno, este valor se obtiene de pruebas de laboratorio, el equilibrio se lograra aJ imponer a

dicho material la condici6n

lJ Condicionde no arrastre

L Proteccion de talud

EI analisis de estabilidad de la protecci6n con gaviones tipo colchoneta abarca los taludes,

el area aIpie de estos y la cimentaci6n de la obra protectora marginal.

donde 'Yw es el peso especlfico del agua, incluyendo el peso del material en suspension; d es

el tirante maximo del agua, suponiendo que la secci6n es muy ancha y, por tanto, RH"'d; Ses la pendiente hidraulica.

(4.9)

96

Cuando el termino izquierdo de Ja ec 4.12 es mayor que el derecbo, los gaviones para

proteger la margen seran estables, y se requerira una platea a base de gaviones apoyada en

el fondo del cauce (ver fig 4.27) con protecci6n contra socavaciones al pie del talud. Si el

termino izquierdo de la ec 4.12 es menor que el derecbo, el material protector tendera a

donde G, es el peso total sumergido de los gaviones, incluyendo el agua que llena los

huecos y l!es el area de la faja de gaviones.

(4.12)

Si se presenta una falta de equiJibrio debida a la combinaci6n de las fuerzas totales de

arrastre de la corriente y la componente tangencial del peso sumergido del material de

protecci6n, el deslizamiento de la faja no seguira la linea de maxima pendiente, en un plano

perpendicular al eje del cauce, sino un recorrido inclinado, como el que se indica en la fig

4.26. AI iguaJar la fuerza de fricci6n Ntamp COil la resultante de las fuerzas 'm y T paralograr el equilibrio de la protecci6n, se tiene que

La revision se efectua sobre una faja de gaviones, con una longitud igual a la longitud

transversal protegida del talud y con lID ancho de 1m paralelo al eje del cauce.

Una vez determinado el espesor, 0 espesores, de los gaviones requeridos en toda la longitud

transversal de la margen del talud que necesita proteccion, se procede a revisar la condici6n

de no deslizarniento sobre la superficie inclinada donde se apoyan los gaviones.

1.2Condici6n de no deslizamiento

donde el factor de seguridad es C y el peso especifico sumergido del gavi6n reUeno,

incluyendo el peso del agua de los huecos, es y,. EI espesor excalculado de esta rnanera,debera de ajustarse ala medida estandar del gavi6n mas proximo superior (ex>e).

97

AI cornentar las caracteristicas funcionales de la estructura de gaviones se dijo que la platea

es Ja clasica cimentacion de las obras localizadas en un cauce y expuestas a Ja erosion de la

corriente (ver fig 4.29).

III. Cimentaci6n de la obra

La secuencia de calculo correspondiente a las fuerzas hidraulicas se incluye en el inciso

3.2.2.3, y la respectiva al empuje de tierra y la estabilidad del muro se presenta ell el

capitulo 5 de este Manual (ver fig 4.28).

lI. Protecci6n al pie del talud

Fig 4.26 Presiones actuantes sobre unafaja de gaviones que protege una margen [3J

deslizarse sobre la superficie inclinada de la margen, y sera necesario colocar al pie del

talud, con apoyo en el fondo del cauce, un muro de contencion de gaviones que soporte ese

empuje para lograr as! el equilibrio de las fuerzas (ver fig 4.28).

98

La longitud libre de la platea, es decir, la parte que sobresale del cuerpo principal de la

obra, debe ser suficiente para aJcanzarel fondo de la socavacion y detener asi el fenomeno

erosivo del agua. Se recornienda que dicha longitud tenga una dimensi6n de 1.5a 2 veces

de la profundidad de la socavacion.

Fig 4.27 Revestimiento marginal cimentado sobre una pfatea [3]

NAME

(4.14)e > Y"SdP Y,tamV

por tanto, su espesor debera cumplir la condicion

(4.13)

Para que esta cumpla su funci6n de proteger el cuerpo principal de la obra contra las

socavaciones se requiere que el peso sumergido de la misma debe mantenerla adherida alfondo del cauce, al considerar un metro cuadrado de platea, se tiene que

99

El espesor de la capa de gaviones es funcion de la pendiente de la orilla que se va a

proteger; se utiliza uno de 30 em para pendientes menores de 0.5:1, y uno de 50 em para

Pig 4.29 Defensa marginal cimentada sobre una platea [3J

Fig 4.28 Muro de contencion localizado en el cauce del rio [3]

100

Se recornienda que cuando la margen este formada en su mayor parte por material fino,

como arcillas 0 limos, se debe colocar debajo de los gaviones una lela permeable (geotextil)

hecha con fibras sinteticas, para que dicho material no sea arrastrado por el flujo (ver figs

4.30 y 4.31).

Fig 4.30 Proteccion marginal con gaviones [lO}

Acotociones I en m

pendientes de 1: I (ver fig 4.30). Si la pendiente sobrepasa 1.05 valores indicados, la

proteccion se diseila como un muro de retencion.

101

Fig 4.3/ Proteccion marginal con gaviones [9J

Gavion de opoyo de2.0 x 1.0 x 1.0 m

Acataciones, en m

'11.0

Talud 1: 0.66

Gavion de opoyo de2.0 x 1.0 x 1.0m

Material con tamanoentre 0.1 Y 0.15 m

1.0

Talud 1: 0.5

EI pie del talud es el mas propenso a sufrir danos por soeavaci6n; por tanto, requiere un

gavi6n de apoyo, el eual puede ser, por ejemplo, de 2 x I x 1 m (ver figs 4.30 y 4.31).

102

3) Se deterrninan el area, el perimetro mojado, eJ radio hidraulico y el ancho de la

superficie libre en funci6n del tirante (A, P, RHYB).

donde D90 es el diarnetro que se obtiene de Lacurva granulometrica, en m.

2) Se calcuia el coeficiente de rugosidad con ayuda de la tabla 2.1 0 bien COil la

ecuaci6n

1) Son datos: la forrna y ancho de la secci6n (rectangular, rrapecial, etc), el gasto, Ja

curva granulometrica, el peso especifico de la roca que se usa para lIenar los

gaviones y la pendiente S.

AJgunas veces, los gaviones tipo coJchoneta se utilizan para canaJizar una corriente 0

revestir las orillas y fondo de un canal (ver fig 4.32). En este caso, para resolver eJ

problema de la estabilidad de los elementos, se sugiere usar eJ procedimiento que se

describe a continuaci6n, propuesto por la Sociedad Colombiana de Ingenieros Andimallas.

4.4.1 Consideraciones de diseiio

4.4 CanalizaCiO'ii

En ocasiones, el espesor del recubrimiento con gaviones puede disminuir a rnedida que se

asciende sobre el taJud; en las figs 4.30 y 4.31, se muestran ejemplos de este tipo de

proteccion.

Si la margen esta constituida por limos y/o arcilJas, existe la posibilidad de que haya

derrumbes; 10 anterior ocurre cuando la orilla ha estado inundada mucho tiempo y se

presenta una subita disminuci6n en el nivel del agua. En estos casos, se sugiere usar un

muro de retencion.

103

Con la velocidad del flujo, el tipo de suelo sobre el que se va a colocar el gavi6n y

la ayuda de la tabla 4.3, se selecciona el espesor de la colchoneta,

5) Conocido el tirante, se obtiene la velocidad del flujo mediante

Fig 4.32 Seccion transversal de una canalizacion con gaviones tipo colchonetas [l)

donde los valores de A y RHson funci6n del ancho y del tirante; como se 'conoce el

ancho, se deterrnina el tirante por iteraciones,

4) Se utiliza la ecuacion de Manning para calcular el tirante poe medio de la expresion

Qn =AR J{SM H

104

8) Se determinan los esfuerzos cortantes sobre el fonda provocados por el

escurrimiento 1:b y el critico 'tbe, dados por

7) Conocidos F Y Dm (diametro medio de las particulas de relleno que se obtiene de la

curva granulometrica), se usa la fig 4.33 para deterrninar la velocidad critica Ve con

la cua! se inicia el movimiento de las particulas; luego se compara esta con la que

Ileva el escurrimiento (calculada en el paso 5). Si VVc, se requiere cambiar el espesor del gavion tipo colchoneta.

donde Y es el tirante hidraulico e igual a AlB, A es el area hidraulica y B el ancho

de la superficie libre, Si F> I, la corriente es rapida (flujo supercritico); si F

105

donde 9 es el angulo de inclinacion de la orilla y $ el de reposo del material.

9) Se calculan los esfuerzos cortantes sobre las oriLlas,causados por el escurrimiento yel entice, dados por

Fig 4.33 Velocidad crltica {I}

0.2000.175Om. en m

0.1500.1250.10020,075

I Modelo

f- Prototlpo__

o Piedras suelias .r.,.~1- .........f~/ .-_...

7.~

......A ....... ~ ~1~'

__ ........V" ..>..........,_.e-

._....-..-0

8

-eE 7c:Q>

If..6>u

0.2 5.:!:,_0'0 4~00

3s

donde 'to es el coeficiente de Shields para el inicio del movimiento de las partieulas

y vale 0.047 para enrocarniento y 0.10 para colcbonetas; y, es el peso especffico delas particulas con las que se rellenan los gaviones, en kgf/m'.

106

13) Se obtiene la velocidad debajo del colchon por medio de

12) Si 'tb > 1.21:bCy t, > J.2"c, el revestimiento no es apto y se debe comenzar

nuevamente el calculo incrementando el espesor del colch6n y el tamano de la

piedra.

En caso contrario, la deformaci6n es excesiva y hay que reiniciar el calculoaumentando el espesor del gavion tipo colchoneta y el tamaiio de las piedras.

donde e es espesor del gavion,

t1Z s2("":"" - IJn, n,

Con ayuda de la fig 4.34, as! como de z-: y z-::, se obtiene AZlDm y se dice que ladeformacion es aceptable si se cumple que

- Para la orilla,

..- Para el fondo,

II) Se determina el pararnetro AZlDm para conocer el grado de deformacion; se utilizan

las expresiones siguientes:

10) Si 'tb< 'tbeYt, < 't,c, el revestimiento es estable y no hay deformacion. Si tb:::; 1.2 'be

Y't,c < "t,:::; 1.2"t,c, en el revestimiento se produce una deformacion aceptable, la cua!debe ser verificada

107

donde 050 corresponde al material del fondo,

Para material no cohesi vo,

14) Se calcula la velocidad que resisten las particulas del fondo

Fig 4.34 Valoresdel coeficiente de Shields [lJ

PrototlpoA Modelo

0.140.100.060.02

0.4

0.8

E0 .. 1.6

108

donde f es el coeficiente de Darcy-Weisbaeb con valor de 0.05 para el caso de

gaviones, yDv es el diametro equivalente de los vacios.

[ ( J2]. D; V,e :T 1- Vb

Si v, V., se requiere disminuir el tamaftode las piedras del colchon 0 bien colocarun filtro, el eual se puede hacer, por ejemplo, con un geotextil. Este filtro debe

tener por 10menos un espesor de 15a 20 em y siempre debe ser mayor 0 igual a

15) Se efectua una comparacion entre Vby V.

Fig 4.35 Velocidadmaximapermisible [I}

Ve, en m/s

SUllo pocoorellloso

Arcillo- orenosos(arena< 50%)e

Para sue los cohesivos, se usa la fig 4.35 Ypreviamente se necesita eonocer el

valor de la relacion de vacios e.

109

Si el radio hidraulico es mayor de 1.5 m, se recomienda utilizar un valor constante de n =

0.025 cuando el material de reUenodel gavion tiene un tamai'ioque varia entre 5 y 25 ern,

esto se fundamenta en mediciones y observaciones hecbas tanto en laboratorio-como en

campo.

81 espesor del revestimiento depende del tipo de material que constituye el fondo y las

orillas, asi como de la velocidad del flujo, entre otros datos; la pendiente y el alineamiento

del canal tambien influyen: un espesor de 30 cm es adecuado en tramos rectos y uno de 50

cm en secciones curvas y zonas donde los taludes esten inclinados mas de 45.

Adernas, este tipo de revestimiento tiene la importante cualidad de ser separado con rapidez

"y a un costa minimo en caso de que una malla se rompa, ya que s610habra que coserla conalambre del mismo calibre; otra ventaja de los gaviones es que todos estan unidos entre si y

forman un elemento unico que presenta gran resistencia al arrastre provocado por lacorriente,

En la canalizacion, el empleo de gaviones presenta muchas ventajas con respecto a otros

rnateriales; par ejemplo, las losas de concreto apoyadas sabre un terrene blando y humedo

se fracturan can facilidad al fallar la cimentacion respectiva, en cambia, los gaviones

pueden sufrir asentamientos diferenciales grandes pero quedan en condiciones de trabajar

satisfactoriamente.

4.4.2 Recomendaciones de disei'io

110

8. Samide, G and Beckstead, G, "Desing considerations for stream groynes", Alberta

Department of the Enviroment, Enviromental Engineering Support Servicio, Technical

Services Division (Oct 1975).

7. Maza Alvarez, JAy Garcia Flores, M, "Estabilidad y rectificaci6n de rios", Manual de

Ingenieria de Rios, capitulo 14,Comision Nacional del Agua, Mexico, DF (1990).

6. Maza Alvarez, J A, "Cootribuci6n al diseii.o de espigones", Memorias del XIVCongreso Latinoamericano de Hidniulica, vol 3, Montevideo, Uruguay (Nov 1990).

5. Klingman, P et ai, "Strearnbank erosion protection and channel scour manipulationusing rockfill dikes and gabions", Water Resources Research Insitute, Oregon State

University (Sep 1984).

4. Kinori, B Z and Mevorach, J, Manual of Surface DrrunageEngineering, voln, Elsevier,Amsterdam (1984).

If3. Gaviones Lernac, SA, "Principales caracteristicas y aplicaciones del Gavion Lernac",

Mexico.

2. Franco, J, "Research for river regulation dike design", Journal of the Waterways,Harbors and Coastal Engineering Division. ASCE, vol 93, No. WW3, (Aug 19(7), 71-

87.

I. Agostini, ReI ai, "Rivestimenti flessibili in materassi Reno e gabbioni nei canali eneicorsi d'acqua canalizzati", OficineMaccaferri SPA, Bologna, Italia (1985).

4.5 Referencias

II I

II. Sociedad Colombiana de lngenieros Andimallas LTDA, "Memories: Estructuras

flexibles en gaviones y colcbonetas Reno", Santa Pede Bogota, Colombia (Jul 1992).

to. Suarez, J, Disei'lo de obras con gaviones, Universidad Industrial de Santander,Bucaramanga, Colombia (Nov 1987).

9. Secretaria de Obras Publicas, Gaviones metalicos, Departamento de Antioquia,

Colombia.

113

Si se trata de muros con poca altura, la practica consiste en utilizer metodos emplricos para

determinar el empuje de tierra. En el caso de mUTOSaltos que constituyen la parte principal

de una construccicn, por cuestiones de economia, se justifica recurrir a un estudio mas

completo del suelo y a un analisis mas detallado de las cargas.

Los suelos, as! como otros materiales, tienen un angulo de reposo propio; para lograr una

pendiente mayor que la proporcionada por dicho angulo, se requiere algun tipo de muro 0

soporte que evite el deslizamiento; con este proposito se emplean comunmente los mnros

de retencion 0 sostenimiento.

5.J Introduccion

S. MUROS DE RETENCrON

If

114

Se debe evitar el relleno becho con suelos arcillosos 0 que contengan un elevado porcentaje

de arcilla, especialrnente si existen filtraciones en los taludes. La areilla dura en terrones

grandes no debe ernplearse como relleno, a menos que se puedan evitar las filtraciones del

agua de la superficie. Bl drenaje apropiado siempre es relevante, ya que mejora la

estabilidad de todos los reLlenos,y resulta esencial donde quiera que se encuentren taludes

con estratos conductores de agua.

La cimentacion adecuada de un muro de sostenimiento permite que este funcione

satisfactoriamente. La mayoria de los fracasos oeurre cuando los muTOSse construyen

sobre eimentaciones de areilla; por otra parte, los suelos de grana grueso proporcionan base

y reLlenoestables.

Las presiones que obran sobre un rnuro de retencion tiendeu a producir su deslizamiento, 0

voltee. La resistencia a la sustentacion del terreno que forma el cimiento es importante, af

igual que el caracter del relleno, el cual puede variar desde una grava bien drenada basta

una arcilla muy plastica. E1calculo de la magnirud, direcci6n y punto de aplicaci6n de las

presiones constituye un procedirniento laborioso y complicado; por ello, se recomienda

consultar libros sobre este tema.

5.2 Diseho de los muros

Los muTOS de retenci6n 0 sostenimiento se usan generalmente en las carreteras y

ferrocarriles, as! como en otras propiedades publicas y privadas, con los fines siguientes:

I) resolver problemas de derecho limitado de via, confinando los taludes en los Linderos

practices; 2) efeetuar proyectos de separaci6n de niveles y ampliaci6n de caminos;

3) estabilizar taludes muy inclinados en corte 0 en terraplen; 4) reparar desperfectos en el

lecho del camino; 5) evitar erosi6n de las rnargenes; 6) realizar aleros para estribos y muros

de cabecera; 7) construir plataformas para carga; 8) conformar areas de estacionamiento;

9) crearmuros de protecci6n y barricadas.

(5.2)

(5.1)

115

H =[11+( B + a) Ian alcosa

EI empuje activo en el muro de sostenimiento se determina con la expresi6n

Cuando se trata de un muro con pararnento vertical interne, la superficie de empuje es esepropio paramento (ver fig 5.2). En el caso de un muro con escaJones intemos, se considerala superficie que une los extremes intemos superior e inferior del muro (ver fig 5.2) yquedando asl definido el angulo 13 formado por el plano de empuje y la horizontal.

Fig 5.1 Disposicion de muros de sostenlmientoformados con gaviones [/}

"

Para determinar el valor del empuje, se utiliza el metodo de Coulomb, basado en el estudio

del equilibrio de una cufia bidimensional de suelo indeformable (ver fig 5.1). sobre la cual

actuan el peso propio del relleno, la fuerza de fricci6n interna que se distribuye de manera

uniforme a 10 largo de la superficie de rotura plana, y eventual mente la cohesion del suelo.

En el caso particular de muros formados con gaviones, se OOliteel empuje hidrostatico por

ser permeable la estructura

5.2.1 Calculo del empuje

116

Fig 5.2 PIanos de empuje en muros de retencion [IJ

bJoj

empuje activo, en timcoeficiente de empuje activopeso especifico del suelo, en t/nr' (ver tabla 5.1)altura donde aetna el empuje, en maftura del muro, en m (ver fig 5.3)base del muro sin considerar los escalones externos, en m (ver fig 5.3)ancho del muro en la corona, en m (ver fig 5.3)inclinacion del muro con la vertical, en grados (ver fig 5.2)angulo formado por el planode empuje y la horizontal en grados (ver fig 5.2)angulo de friccion interna del material, en grados (ver tabla 5.1)angulo de fricci6n entre muro y terreno, en grades; en muros de gaviones, sepuede suponer Ii = rp. Si tras el mu~ohay un geotextil, t5= 0.9 rp .

e angulo del talud sobre el muro con la horizontal, en grados (ver fig 5.3)C cohesion, en tlm2

(5.3)

donde

E.K.YsHh

Baa;

prps

117

sees 1.76 bloques de arcilla seca 30humeda 1.S4 bloques de arcilla hurneda 40saturada 1.92 arcilta compacta 10-20

arcilla marga arenosa 1.60 arcilla bland. 5-7marga 1.76 calcareo,

zona de deslizamiento 20-27m c con grave 2.00 material de falla 14-22a 0I he e {~ lo super "'~ 1.36 suelo de cobertura 30-35r s cobertura suelo seco 1.44

suelo humedo 1.60a v suelo saturado 1.68I 0

2.61 gran ito 30-502.61 cuarcita 30-45

macizo 1.95 arenisca 30-45rocosa 3.17 caliza 30-50

2.58 porfido 30-401.76 yeso 30 40

TABLA 5.1 PROPIEDADES FisICAS DE SUELOS Y ROCAS

Peso especifioo Y. Angulo de fricci6nTipo Material tim' Material Grados

gruesa y seca 1.44 compacta, bien graduada,uniforme 40-45

0 arena fina y bUmeda 1.60 uniforme, gruesa, arena0 fina fina 0 suelta 35-40

m humeda 1.84 arena suelta bien graduada 35-40a 0 muyMmeda 1.92 arena fina seca 30-35

0e b {~m;~ 1.76 comun mixta 35-40r e grava " fluvial 2.24 grava 40

s suelta 1.84 compacta arenosa 40-45a arenosa 1.82 suelta arenosa 35 -40I v

0 {-" 1.60-2.00 piedra partida en fragmentos 35 -45roca basalto 1.76- 2.24 yeso fragmentado 35 45suelta calcarea 1.28- 1.92yeso 1.00 - 1.28

118

s"s'8

b)

s"s'

80)

8

h

Fig 5.3 Fuerzas estabiltzantes y desestabilizantes en los muros de retencion [IJ

H/3

H

119

para condicion sin sobrecarga.

(5.6)Hd=--Bsena3

para condicion con sobrecarga, y

(5.5)d = H [H +3h.] _ B sena3 H i,

La altura del lugar donde se aplica el punta activo "d", medida verricalmente desde la

horizontal que pasa por el punto de giro "F" (ver fig 5.3), esta dada par

La altura del punto de aplicacion del empuje es dificil de evaluar y varia bastante en la

practica; en general, dicho punto puede producirse a una altura compreudida entre 0.5 y

0.33H. En algunos casos, la variacion se debe al desplazamiento del muro, a su rigidez e

inclinacion, a modificaciones en las caracteristicas del terreno y a sobrecarga. Con

frecuencia, se considera 0.33 H (ver fig 5.3).

Normalmente, cuando la sobrecarga es debida a vehicuios, se adopta q = 1.5a 2.0 tlm2.

(5.4)

(5.3 a)h, =s/r s

Generalmente, la cohesion no se lorna en cuenta, ya que ella se modifica con el tiempo y no

tiene gran infIuencia en el valor final del empuje. En caso de que exista una sobrecarga

encima del muro de retencion, q, esta es asimilada a un relleno de altura h, de las mismas

caracteristicas del relleno. De esta manera, se tiene que

120

E, cornponente vertical del empuje activo Ea, en timEh cornponente horizontal del empuje activo Ea, en tim

donde

(5.6b)E"=E. cos (90+8 - p)

(5.6a)E" = En sen (900 +8 - p)

En ningun caso, el cociente de las fuerzas estabilizantes y las desestabilizantes debe ser

menor que el coeficiente de deslizamiento entre eJ terreno donde se construye el muro y

este 0 eJexistente para dos pianos del mismo material que tratan de deslizarse

Deslizamiento

Se recomienda inclinar el muro contra el suelo, con un angulo a = 6 que puede llegar a serde 10,pues asl el valor de K, disminuye.

La seguridad contra falla global

La seguridad contra deslizamiento

La seguridad contra volteamiento

La carga'sobre el terrene

La verificacion en secciones intermedias

En el disefio de los muros, es necesario respetar aJgunas condiciones de estabilidad paraevitar eJ fracaso de la estructura, por ello, se debe calcular 10siguiente:

5.2.2 Estabilidad de los muros

Si a= 0, d = Hl3

121

En la verificacion del deslizamiento, el coeficiente de friccion suelo-gavion es de 0.7 a 0.75

para suelos cohesivos. En tales valores, interviene la cohesion; si esta no influye, los

Los componentes vertical y horizontal del empuje activo (ver fig 5.3) roman los valores

dados por las ecs 5.6 a y b.

rg peso especifico de los gaviones, en tlm3r, peso especffico de la roca de relleno, en tim) (ver tabla 5.2)

n porcentaje de vacios, su valor promedio es 0.3

donde

(5.8)r =r (I-n)g .

El peso propio de la estructura W, depende de la seccion delmuro y del peso especffico del

relleno. En el gavion, se considera un porcentaje de vacios (n) de 0.3 (ver inciso 5.2.3), es

decir del 30 por ciento, El peso especifico del gavion r g seria

W peso propio de la estructura, en tim (ver fig 5.3)

Ct inclinaci6n delmuro con la vertical, en grados (ver fig 5.3)

B aDcho de la base del muro al despreciar los escalones externos, en grados(ver fig 5.3)

C cohesion, en tlm2

donde

(5.7)C/) = [(W+E,)cos a + Eh sen altan Ip +(W+ E,)seh a +C BE; cos a

El coeficiente de deslizamiento Co, que debe ser igual que a 1.5 0 mayor, esta dado por

122

(5.12)S"=Xg cosa+Yg sen a

(5.11)S'= B cosa _ H [H + 3h,] _1_3 H+2h, tanfJ

(5.10)M,=WS'+EvS"

(5.9)M.=E" d

Al considerar como fuerza estabilizante el peso propio del muro y el componente vertical

del empuje activo y como fuerza dcsestabilizante el componente horizontal del mismo

empuje, se llega a

Voltearniento

Tipo de roea Pesoespeclficoy" en tlm3

basalto 2.9granite 2.6caliza compacta 2.5traquita 2.5guijarro de rio 2.3arerusca 2.3caliza tierna 2.2toba 2.7

TABLA 5.2 PESO ESPECiFICO DE DIVERSOS TIPOS DE ROCA

valores disminuiran, Dicho coeficiente es de 0.64 entre una superficie de concreto-gavion,

Por seguridad se adopta tan tp independiente de la cohesion, adrnitiendose que el

deslizamiento se produce entre suelo y sueJo.

123

Bpara el caso de e < -6

(5.14)

AI suponer que existe una distribucion lineal de esfuerzos sobre el terreno, DO se debeadmitir fatigas mayores que las estipuladas como de trabajo del terreno, Cuando la

resultante cae dentro del micleo central de la base, los esfuerzos resultantes, obtenidos

mediante la aplicaci6n de la formula de la escuadria, estan dados por

Carga sobre el terreno

(5.13)C :M, >1 5 M, - .

Ellcoeficiente de volteamiento Cv sera igual a 1.5 0 mayor, es decir

En ningun cas07 el momento de volteo M,producido por las fuerzas desestabilizantes debeser mayor que el memento resistente M, generado por las estabilizantes.

S' distancia vertical eotre el punto de volteamiento F (ver fig 5.3) y el punto deaplicacion del empuje activo

S" distancia horizontal entre el punto de volteamiento F (ver fig 5.3) y el punto de

aplicacion del empuje acti vo

Xg, Ys coordenadas del centro de gravedad referidas a un sistema coordenado cuyo origencoincide con el punto F (ver fig 5.3)

donde

32I32I

Se requiere de estudiosde geotecnia 0experiencia local.

1085

35

100

Esfuerzo, en kgf/cm2

I124

,

Tipo de materialRoca viva, maeiza, sin laminaeiones, fisuras 0 signosde desccmposicion, como: gneis, granite, basaltoRoca laminada COD pequeilas fisuras, estratificada, como:esquistoDepositos corupactos y continuos de rocas y piedras dediversos tiposSuelo cementadoGrava compacta 0 mezclas compactas de arena y gravaGrava sue Ita 0mezclas de arena y grava; arena gruesacompactaArena gruesa suelta; arena fina compactaArena fina sueltaArcilla duraArcilla compactaArcilla medianamente compactaArcilla blanda }Arcilla muy blanda .RellenosOtros tipos de suelo no incluidos en esta tabla

TABLA 5.3 ESFUERZOS DE TRABAJO DEL TERRENO

(5.14 b)

(5.14 a)

0",.0"2 esfuerzos de trabajo (ver tablas 5.3 y 5.4).

e excentricidad, en m (ver fig 5.3); esta dada por

N =(W + E.)cosa + Eh sen a

N resultante de las fuerzas normales en la base del muro (fig 5.3) e igual a

donde

125

(5.15), Be=--e2

Si la resultante cae fuera del nucleo central, se reduce la seccion de trabajo de la base, como

puede ocurrir en los muros con gaviones por su gran flexibilidad; la excentricidad real

valdra en este caso

ARCILLAS

Resisteneia a la

penetracion, numero de Consistencia Esfuerzo, en kgf/cm2

golpes/30 em

2 muyblanda 0-0.452-4 blanda 0.45-0.904-8 media 0.90-1.80 .8-15 compacta 1.80-3.6015- 30 muycompacta 3.60-7.2030 dura 7.20

ARENAS

Resistencia a la

penetracien, numero de Compacidad Esfuerzo, en kgf/cm2golpe.~/30em

0-4 muy sueIta -4-10 suelta 0.810-30 media 0.8-3.030-50 compacta 1.0- 5.050 muy compacta 5.0

TABLA 5.4 ESFUERZOS D'ETRABAJO DEL TERRENO

,

126

(5.18 a)N =(W + E.) cosa+ Eh sena

N resultanre de las fuerzas normales en la seccion de analisis (ver fig 5.4)

".w., tension tangencial en la seccion de analisis0"."" esfuerzo resultante a la compresion en la seccion de analisis

dODde

T" =-- B

(5.18)

N0" ---.,1iT - 0.8 X

Se requiere verificar la estabilidad en secciones intermedias del muro de retencion, paraevitar la falla de la estructura. AI considerar las fuerzas estabilizantes, que son el pesopropio del muro y el cornponente vertical del empuje activo, y la fuerza desestabilizante,que es el componente horizontal de dicho empuje hasta la seccion de analisis, los esfuerzosresultantes a la compresion y a la tension tangencial se obtienen con

Verificacion en secciones intermediasr

Se recomienda que 0"2 .s2t1m2 en presion yO") no debe sobrepasar la presion admisible delterreno.

(5.17)[B-3e'](T2 = 0") 3 e'

(5.16)2N

0") =--3 e'

Para e> 8/6, los esfuerzos de trabajo 0") y 0"2' en tlm2, estan dados por

127

Fig 5.4 Fuerzas estabilizantes y desestabilizantes para una seccion intermedia en losmuros de retencion

H

H/3

H

H/3

lr=~s~'::t~9=::1..., -----L _

B

B

12S

(5.19)

(T""no = 50 r" - 30

Los valores de (T",dx Y 1:,... no debe rebasar las variaciones admisibles dadas por

(5.IS e)M=M,-M,.

M memento actuante en Ja seccion de analisis, que tome en cuenta el momento

resistente M, (ver ec 5.l0) y el de volteo Mv (ver ec 5.9)

(5.ISd)B Me=---2 N

e excentricidad de la resultante, en la secci6n de analisis (ver fig SA), en la

secci6n de analisis

B ancho de la base de la secci6n de analisis (ver fig SA)

(5.1S c)x= 0.5B-e0.4

X ancho de la seccion que esta trabajando a la compresi6n (ver fig 5A)

(5.1Sb)T=E. cosa-(W +E.)sena

T resultante de las fuerzas tangenciales en la secci6n de analisis (ver fig SA)

129

La inestabilidad de un muro de retenci6n forrnado con gaviones puede presentarse por una

Falladel conjunto suelo-muro a 10 largo de una superfieie curva de deslizamiento, mas 0

menos cilindrica (ver fig 5.5). Por consiguiente, se requiere establecer las condiciones deequilibrio de todas las fuerzas que actuan en la masa deslizante. EI analisis se realiza para

diversas superficies y se deterrnina aquella de falla critica, por ejemplo, el metodo de lasfajas (Fellenius) y el de Bishop, entre otros. . Otro sistema simplificado aproxima la

superfieie de rotura a una recta (ver fig 5.5). Para el detalle de tales procedimientos, se

sugiere consultar literatura especifica sobre el lema.

Seguridad contra falla global

Pu peso de la red metalica, en kgf/nr'; para gaviones tipo estandar, vale entre 8.6

y 12 kgf/m3 con alturas del gavion h de 1.0 a 0.5 m, respeetivamente. En el

tereio inferior de muros de gran altura, conviene colocar gaviones de 0.5 m.

(5.19 b)Cg = 10 (0.03 p" - 0.05)

c~ cohesion (agarre) del gavion, en tlm2

(5.19 a)

130

Los muros de sostenimiento hechos con gaviones tienen algunas ventajas, por ejemplo: su

construccion es rapida; son permeables y, por tanto, proporcionan un bueu drenaje; son

flexibles y resisten los asentarnientos diferenciales sin romperse; ademas, son relativamente

econornicos.

5.2.3 Recomendaciones de diseno

Fig 5.5 Esquemaspara la verificacion de lafalla global

b) Fa110 recto

0) Falla circular

131

EI material con el que se llena el gavion tiene un diametro que varia entre los lOy 20 COl;

esto ayuda a trabajar adecuadarnente con equipo mecanico y obtener un buen

acomodamiento dentro de las canastas. En pruebas realizadas con materiales de diferentes

formas y tamanos se ha enconrrado que al utilizar una porosidad del 30 por ciento en el

calculo del peso especifico