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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

DISEÑO DE ESPIGONES

Ing. Edgar Rodríguez [email protected]

ESPIGONES O ESPOLONES

5.1 GENERALIDADES •

Los espigones son obras transversales que avanzan desde la orilla existente hasta la nueva línea de orilla, para reducir las anchuras excesivas del lecho, provocando la sedimentación de la zona limitada por ellos

•

Siempre se debe tener en cuenta que tales estructuras son obstáculos en el flujo natural del río por lo que puede haber reacción

•

Las ventajas de los espigones sobre las obras longitudinales estriban en que permiten modificar posteriormente con facilidad el ancho del lecho ; pero en cambio ofrecen el inconveniente de no formar un lecho regular, ya que constituyen solamente guías a relativamente grandes distancias, y entre ellas el lecho se forma libremente

•

La razón principal de que se empleen a pesar de este inconveniente, radica en que implican menos desembolsos

•

En ríos de montaña con considerable transporte de sedimentos los espigones no dan buen resultado

•

Estas estructuras han sido muy efectivas en ríos pequeños y medianos.

•

Los espigones se usan comúnmente en protección de tramos en curva

Los espigones se construyen con plataformas sumergidas , con cestones, con enrocados, con gaviones, con cajones de piedras, de tierra con taludes protegidos, de concreto,etc.

4.2 Espigones permeables e impermeables 4.2.1 Espigones Permeables Tal como se observa en la figura, los espigones permeables consisten de una o más filas de caballetes (de acero, madera, concreto). Debido a su espaciamiento el agua puede pasar, pero se origina un remanso aguas arriba, se incrementan las pérdidas de energía, haciendo que ocurran sedimentaciones aguas arriba de los espigones

También son gaviones

permeables los espigones hechos con enrocados y con

4.2.2 Espigones Impermeables Los espigones impermeables son construídos de piedra, grava y roca, como diques de tierra con protección en los taludes, o como estructuras de concreto. En la figura se observa un espigón impermeable , no sumergible Filtro

Tierra compactada

Revestmiento Llanura de inundación Nivel del cauce

Protección en la base

Profundidad de socavación esperada

Protección en la base

4.3 Partes de un Espigón Las denominaciones de las diferentes partes de un espigón se indican en la figura Morro Frente cresta

Espalda Arranque

• Alrededor del morro ocurren fenómenos de socavación local, por lo tanto se debe hacer mucho más seguro la protección tanto en el talud, como al pie de este. • Los espigones sumergidos necesitan tambien tener protección en la cresta • El talud en el morro es mayor que los taludes del frente y la espalda del espigón

4.4 Espigones no sumergibles y sumergibles Espigones no sumergibles Son los más efectivos Causan mayores profundidades en los fenómenos de socavación local Tramo 1

Tramo2

Llanura de inundación

b.

Espigones sumergibles durante los máximos niveles de agua Son más baratos, pero causan menos sedimentación, y crean turbulencia durante el proceso de sumergencia, por lo que las protecciones al pie de los taludes deben ser de mayor longitud

Socavación

Inicio de sumergencia

Socavación

Alto grado de sumergencia

4.5 Características del Flujo alrededor de los espigones Socavación local Erosión de ribera

a.

Espigón con inclinación hacia aguas arriba Socavación local Socavación local

b.

Espigón con inclinación hacia aguas abajo

Socavación local

c.

Espigón normal al flujo

Características del Flujo Alrededor del Morro de un Espigón Normal a la Corriente

Cresta Impacto del flujo

5.6 LOCALIZACION EN PLANTA •

Al proyectar una obra de defensa, ya sea respetando la orilla actual, o bien en una nueva margen (al hacer una rectificación), se requiere trazar en planta el eje del río, y en las orillas delinear una frontera, generalmente paralela a dicho eje, a lo cual llegarán los extremos de los espigones Espigones Línea de frontera

B

•

La longitud de cada espigón estará dada por la distancia de la orilla real a esa línea

•

La separación entre las nuevas orillas, es decir, el ancho B, estará dado por el estudio de estabilidad de la corriente que se haya hecho.

• Cuando se trata de una rectificación en cauces formados por arenas y limos conviene, dentro de los posible, que los radios de las curvas, medidos hasta el eje del río, tengan la longitud r siguiente:

2.5B  r  8B Espigones

B

Donde: B ancho medio de la superficie libre en los tramos rectos en metros • Al proteger una sola curva o un tramo completo, los primeros tres espigones aguas arriba deben tener longitud variable: el primero será el de menor longitud posible (igual al tirante) y los otros dos aumentarán uniformemente, de tal manera que el cuarto ya tenga la longitud del proyecto. La pendiente longitudinal de la corona debe ser uniforme en todos ellos

Espigones

Diques guia

LOCALIZACION EN PLANTA DE UNA OBRA DE DEFENSA CON ESPIGONES

a.

Curva trazada con un solo radio

b. Curva formada con tramos que diferente radio de curvatura

4.7 LONGITUD DE LOS ESPIGONES •

La longitud total de un espigón se divide en una longitud de anclaje o empotramiento (LA), y en una longitud de trabajo (LT) Margen

LA LT

•

LA= 0.1 a 0.25LT

Se recomienda que la longitud de trabajo esté dentro de los siguientes límites: y < LT < B/4 Donde: B = ancho medio del cauce, en metros y = tirante medio Los valores de B, y del tirante deben ser los correspondientes al gasto formativo, o aquel gasto que de permanecer constante a lo largo del año, transportará la misma cantidad de material de fondo que el hidrograma anual. Algunos autores consideran como gasto formativo, el gasto máximo que es capaz de pasar por el cauce principal sin que desborde hacia la planicie

4.4 SEPARACION ENTRE ESPIGONES Se mide en la orilla entre los puntos de arranque de cada uno SP a

a

a

LT

Separación en tramos rectos a. Recomendaciones del Laboratorio de Hidráulica de Delft

S p  Co y1.33 /( 2 gn 2 )

metros

Donde: Co = constante (aproximadamente = 0.6) y = tirante medio de la corriente n = Coeficiente de Manning

5.4 Separación entre espigones (continuación) b. Otras recomendaciones Sp = 4LT Sp = B

a a

4.5LT 2B

c. En función del ángulo a Angulo a

Separación, SP

70o a 90o

4.5LT a 5.5LT

60o

5LT a 6LT

d. Separación en curvas - Si la curva es regular, la separación recomendable es: Sp = 2.5Lt

a

4Lt

- Si la curva es irregular hay que ajustarse a los diferentes radios de curvatura Línea a la que llegan los Extremos de los espigones Espigón

a

90o

b

b

b

a

90o

a

90o

Si la curva es circular , todas las separaciones y longitudes son iguales

4.6 ELEVACIONES Y PENDIENTES DE LA CORONA a. Espigones no sumergibles Los espigones no sumergibles tienen una cresta horizontal sin pendiente. El borde libre esta generalmente entre 0.5 m a 1 m. La cresta de un espigón nunca ha de estar más alta que la orilla próxima, porque de lo contrario las crecidas podrían rodear el arranque, arrastrando tierra de la orilla antigua. b. Espigones sumergibles En este tipo de espigones la cresta es ascendente hacia arriba. Si el morro del espigón queda por debajo del nivel de estiaje, se le denomina espigón bañado, y si toda la cresta se encuentra por debajo de dicho nivel , se dice que el espigón es de tipo sumergido Se inician a la elevación de la margen , o a la elevación de la superficie libre al ocurrir el gasto formativo.

b. Espigones sumergidos (continuación) El extremo dentro del cauce puede tener alturas máximas de 0.5 m. Sobre el fondo actual La pendiente de la cresta puede estar entre 0.05 a 0.25 Espigón sumergido con revestimiento

SECCION TRANSVERSAL

PLANTA

So

A

Cauce inicial Cauce equilibrado SECCION LONGITUDINAL

b. Espigones sumergidos (continuación) LT

a. S

Colocación de un espigón cuando la margen no esta muy elevada

0.5 m

C

Se recomienda una pendiente S uniforme hasta el fondo. El piso C de los espigones debe construirse primero para evitar erosiones locales durante la construcción Posible erosión LT

Nivel del agua para el dominante

Espigón

b. Colocación de un espigón cuando la margen esta muy elevada

4.7 TALUDES a. Taludes de la espalda y del frente del espigón Los taludes tienen taludes laterales que varian de 1 : 1.25 a 1 : 3, dependiendo del material de construcción b. Talud de Morro El talud del morro es mayor que los taludes laterales, varian entre 1 : 2.5 a 1 : 5

4.8 ORIENTACION DE LOS ESPIGONES • Los espigones pueden estar dirigidos hacia aguas abajo o aguas arriba, ó también ser normales a la corriente • La experiencia ha demostrado que el relleno más rápido tiene lugar en espigones con inclinación • Se recomienda orientaciones de espigones hacia aguas arriba en rios grandes y anchos, y hacia aguas abajo en ríos relativamente angostos

4.9 ESPIGONES DE ENROCADO a. Características Tal como se observa en la figura , la sección transversal del enrocado es trapezoidal y simétrica, y esta constituido de rocas El talud del morro es mayor que los taludes laterales Relleno con roca de Menor diámetro

Enrocado Protección al pie del Talud del morro

En el caso de espigones temporales se puede usar como cuerpo de los espigones cestones hechos de plantas, combinado con material del cauce, y protegido con enrocado, tal como se observa en la figura. Enrocado de protección

Cestones

b. Calidad de las rocas • • •

• •

La roca debe ser sana, dura, de cantera Debe ser resistente al agua y a los esfuerzos de corte Se recomienda las rocas ígneas como: granito, granodiorita, dioríta, basalto, riolíta, etc., con densidad relativa DR > 2 La mejor forma de la roca es la angular La estabilidad del enrocado depende de la forma, tamaño y masa de las piedras, y de una adecuada distribución de tamaños

c. Tamaño de las rocas • •

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

- Fórmula de Maynord

d 50 = C1 F 3 y

F = C2

V gy

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

- Valores de C2

-

Fondo plano Talud 1V:3H Talud 1V:2H Tramos en curva Tramos rectos En el extremo de -espigones

C1 = 0.28 C1 = 0.28 C1 = 0.32 C2 = 1.5 C2 = 1.25 C2 = 2.0

c. Tamaño de las rocas (continuación) •

Fórmula de Isbash =

V = 1.7 gd

r −  

Donde: d = diámetro mínimo de las rocas rr= densidad de las rocas r = densidad del agua

•

Fórmula de Goncharov V 8.8 y = 0.75Log d gd

c. Tamaño de las rocas (continuación) c1 Fórmula de Levi V y = 1.4( ) 0.2 d gd

c2 Recomendación del U.S.Department of Transportation

d50 = 0.001V 3 /( y 0.5 K1 I

1.5

)

Sistema inglés

K1 = (1 − ( sen 2 / sen 2))0.5 El tamaño recomendado de la roca es:

d50 = Co d50

I

Co = Csg Csf

Csg = 2.12 /( DR − 1)1.5

Q = es el ángulo de inclinación del talud F = es el ángulo de reposo del enrocado DR = densidad relativa FS = factor de seguridad En el siguiente cuadro se muestra valores del factor de seguridad FS

Donde:

Csf = (FS / 1.2)1.5

•

Recomendación del U.S.Department of Transportation (continuación) Valores de los factores de seguridad FS

Condición

FS

Flujo uniforme, tramos rectos o ligeramente curvos (radio de la curva / ancho del canal > 30). Mínima influencia de olas y de impacto de sedimentos y material flotante

1.0 – 1.2

Flujo gradualmente variado, curvas moderadas (30 > radio de la curva / ancho del canal > 10). Moderada influencia de olas, y de impacto de sedimentos y material flotante

1.3 – 1.6

Aproximación al flujo rápidamente variado; curvas cerradas (10 > radio de la curva / ancho del canal. Alta turbulencia, efecto significativo de impacto de material flotante y de sedimentos. Inflencia significativa de las olas producidas por el vientos y botes

1.6 – 2.0

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

e. Distribución del tamaño de las rocas •

Recomendaciones de Simons y Senturk - La Relación tamaño máximo de la roca entre el diámetro d50 debe ser aproximadamente 2 - La relación entre d50 y d20 debe ser también aproximadamente 2

•

Recomendaciones del U.S. Department of Transportation La graduación de las piedras del enrocado afecta su resistencia a la erosión. Cada carga del enrocado debe ser razobablemente bien graduada desde el tamaño más pequeño hasta el tamaño más grande. En el siguiente cuadro se presenta los límites de la graduación de las piedras

Límites de Graduación de las Rocas (Recomendaciones de U.S. Department of Transportation) Rango del tamaño de roca (pies)

Rango de peso de la roca (libras)

Porcentaje de graduación Menor que

1.5 D50 a 1.7 D50

3.0 W50 a 5.0 W50

100

1.2 D50 a 1.4 D50

2.0 W50 a 2.75 W50

85

1.0 D50 a 1.15 D50

1.0 W50 a 1.5 W50

50

0.4 D50 a 0.6 D50

0.1 W50 a 0.2 W50

15

f. • •

Protección al pie del talud La socavación al pie del enrocado es uno de los principales mecanismos de falla Por lo tanto se debe proteger la base del talud con enrocado. En la siguiente figura se muestra un esquema de protección Máximo nivel del agua

Cresta protegida en espigones sumergidos

1.5 dg

dg profundidad de socavación general

g.

Protección al pie del morro

•

En en este caso la longitud de protección es mayor

Máximo nivel del agua

2.0 dg

dg profundidad de socavación general

CASO DE APLICACION

DEFENSAS RIBEREÑAS ZONA SECTOR AVISPA RIO INAMBARI

Interoceánica

Proceso acelerado de socavación lateral

RIO INAMBARI – PROCESO ACELERADO DE SOCAVACION LATERAL

Interoceánica

11 m

SCTOR AVISPA – SITUACION EL 09 OCTUBRE DEL 2009

Aparición de grietas en la vía

3m

SECTOR AVISPA – SITUACION 31 OCTUBRE DEL 2009

Interoceánica

RIO INAMBARI - CONSTRUCCION DE ESPIGONES

Interoceánica

Espigones

RIO INAMBARI

RIO INAMBARI - IMAGEN SATELITAL 2005

Interoceánica

Sector Avispa

Río Inambari

SECTOR AVISPA – FOTO DESDE AVION (ABRIL 2009)

Interoceánica

Sector Avispa

Río Inambari

SECTOR AVISPA – FOTO DESDE AVION (SETIEMBRE 2011)

SECTOR AVISPA - AÑO 2013

SECTOR AVISPA - AÑO 2013

SECTOR AVISPA - AÑO 2013

Interoceánica

Proceso acelerado de socavación lateral

RIO INAMBARI – OCTUBRE 2009

MAYO - 2013

4.10 PROTECCION CONTRA SOCAVACION AL PIE DE ESTRIBOS DE PUENTES Se puede evitar la socavación al pie de estribos con dos métodos diferentes

El primero consiste en sutituir el material erosionable del fondo, con un enrocado de características similares al que se coloca en el morro de un espigón El segundo consiste en colocar en el extremo de cada estribo un dique de encauzamiento (o dique guia)

DEFINICIÓN TÍPICA DE LA CONTRACCIÓN DEL FLUJO EN UN PUENTE SOBRE UN RIO CON LLANURAS DE INUNDACION

Tipos de flujo dentro de un puente (1)

Tipos de flujo dentro de un puente (2)

FORMA Y SECCION TRANSVERSAL DE UN DIQUE GUIA La geometría en planta de la porción del dique, aguas arriba del cauce, Corresponde a un segmento de elipse. Con el fin de evitar toda erosión en el Estribo, se comtinúa aguas abajo con oto dique que tiene una longitud aproximadamente igual a la tercera parte del anterior

Ls

X Y ´´oó óóó

opop´´´´

0.4Ls

El desarrollo del dique en Planta esta definida por La siguiente ecuación:

´X 2 Y2 + =1 2 2 (0.4 Ls ) Ls

ESQUEMA GENERAL DE UN DIQUE GUIA PARA ENCAUZAR UN RIO CON MEANDROS.

Ubicación de diques guía en un puente

5. CONTROL DE HUAYCOS EN LA PARTE ALTA DEL CAUCE

• OTRAS MEDIDAS A NIVEL DE CUENCA