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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL - IMEFEN - CISMID

DISEÑO DE REVESTIMIENTOS CON ENROCADO Ing. Edgar Rodríguez Zubiate [email protected] MAYO 2003

3.1 CONSIDERACIONES BASICAS

Los enrocados de protección de riberas y de diques son una parte importante en los trabajos de tratamiento de ríos, y sirven a los siguientes propósitos: • Tratamiento del río para mantener el alineamiento de la ribera • Protección de los terrenos adyacentes contra la erosión • Protección de los diques de defensa contra inundaciones • Protección de estructuras, como puentes, barrajes, presas, etc

Falla de una defensa ribereña de tierra sin protección

FALLA DE DEFENSAS DE CONCRETO EN EL RIO ICA

CARRETERA CON TALUD SIN PROTECCION CONTRA FLUJOS DE AVENIDAS

DIFERENTES TIPOS DE PROTECCION DE RIBERAS

OBRAS DE DEFENSA SOBRE TALUD DE DIQUE USANDO COLCHONES DE GAVIONES

Dique de tierra con enrocado

3.2 ELEMENTOS DEL ENROCADO DE PROTECCION La protección se compone de los siguientes elementos: •

•

• •

Capa de protección de enrocado. - La cual debe ser dimensionada contra los esfuerzos de corte, y contra las olas que pueden impactar al enrocado Filtro.- El cual protege al suelo de la erosión debido a la corriente de agua, ataque de olas, y de flujos subterráneos; y evita el movimiento de las partículas finas que conforma el suelo protegido Debajo del filtro el terreno base de la orilla, o del dique Enrocado de protección al pie del talud.- El cual evita que el talud protegido falle, debido a los efectos de socavación general

Enrocado de Protección al pie del talud

Rio Ica. Falla de revestimiento de concreto por socavación general

Defensa ribereña, de tierra con protección de enrocado

Dique río Cautin Temuco - Chile

3.2.1 CAPA DE PROTECCION DE ENROCADO a.

Calidad de las rocas

• • •

La roca debe ser sana, dura, de cantera Debe ser resistente al agua y a los esfuerzos de corte 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

• •

Densidad de diferentes tipos de materiales en Kgmasa/m3 Material

rs

(rs – r)/r

Arena, grava

2650

1.65

Concreto

2200

1.2

Concreto armado

2400

1.4

Concreto asfáltico

2300 a 2400

1.3 a 1.4

Granito

2500 a 3100

1.5 a 2.1

Basalto

3000 a 4000

2a3

Relación entre el diámetro medio y masa

Masa de La piedra Kgmasa

D=(rroca – ragua) / ragua

Diámetro medio mm

3.2.1 CAPA DE PROTECCION DE ENROCADO (continuación)

b. Tamaño de las rocas • •

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

- Fórmula de Maynord 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

3.2.1 CAPA DE PROTECCION DE ENROCADO (continuación)

b. Tamaño de las rocas (continuación) •

Fórmula de Isbash ? ?

V ? 1.7 ? gd

?r ? ? ?

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

Fórmula de Goncharov V 8.8 y ? 0.75 Log d ? gd

VELOCIDAD CRITICA PARA PIEDRAS

h = tirante de flujo

D= (rpiedra – ragua)/ragua

3.2.1 CAPA DE PROTECCION DE ENROCADO (continuación)

b. Tamaño de las rocas (continuación) b1 Fórmula de Levi

V ? gd

y ? 1 .4 ( ) d

0 .2

b2 Recomendación del U.S.Department of Transportation

d 50

I

? 0 . 001 V

3

/( y

0.5

K1

1 .5

)

Sistema inglés

K 1 ? (1 ? ( sen 2 ? / sen 2 ? )) 0 . 5 El tamaño recomendado de la roca es:

d 50 ? C o d 50

I

C o ? C sg C sf

C sg ? 2 . 12 /( DR ? 1) 1 .5

Donde: 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

C sf ? ( FS / 1 . 2 ) 1 . 5

3.2.1 CAPA DE PROTECCION DE ENROCADO (continuación) •

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. Influencia significativa de las olas producidas por el vientos y botes

1.6 – 2.0

3.2.1 CAPA DE PROTECCION DE ENROCADO (continuación)

b. Tamaño de las rocas (continuación) b3 Recomendaciones de la Comisión Federal de Electricidad de Mexico Diámetros mínimos de las piedras de protección, en centimetros, para un tirante igual a 1m (*) Velocidad de la corriente V1,en m/s

1600

1.0

8

8

7

6

6

2.0

18

16

13

13

12

3.0

38

34

31

28

26

4.0

68

60

54

50

46

85

77

70

>4.5

Peso específico del material, en Kg/m3 1800 2000 2200

2400

3.2.1 CAPA DE PROTECCION DE ENROCADO (continuación) (*) En el cuadro anterior, si el tirante y es diferente de 1 m:

V ? V1 y

a

,

donde

1 a? 2? y

Conocidos V e y, se despeja V1, y se regresa al cuadro para conocer el diámetro de las piedras. b4. Resistencia contra la acción de las olas L Se tiene una ola , de altura H, longitud L, que impacta sobre un H enrocado, avanzando hacia arriba, y luego el agua regresa a lo largo del talud.

a

Se tienen las siguientes fórmulas para el cálculo de la masa mínima de las rocas, de tal manera que puedan resistir el ataque de las olas:

3.2.1 CAPA DE PROTECCION DE ENROCADO (continuación) b4. Resistencia contra la acción de las olas (continuación) - Fórmula de Iribarren

fH 3 ? r M? 3 ? (cos ? ? sen? ) 3

Talud

y/L

f

1V:2H

0.25 0.3 0.4

0.021 0.015 0.014

1V:2.5H

0.25 0.3 0.4

0.028 0.019 0.018

1V:3H

0.25 0.3 0.4

0.039 0.029 0.028

- Fórmula de Hudson

H 3 ? r tan ? M? 3.2? 3 Donde:

?r ? ? ? ? ?

rr = densidad de la roca en Kmasa/m3 r = densidad del agua en Kmasa/m3

M = masa de la roca en Kg masa

3.2.1 CAPA DE PROTECCION DE ENROCADO (continuación)

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

d. 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 W 50 a 5.0 W 50

100

1.2 D50 a 1.4 D50

2.0 W 50 a 2.75 W 50

85

1.0 D50 a 1.15 D50

1.0 W 50 a 1.5 W 50

50

0.4 D50 a 0.6 D50

0.1 W 50 a 0.2 W 50

15

3.2.2 FILTROS •

•

•

•

La estabilidad del revestimiento, en una ribera o en un dique, depende no solamente del tipo y construcción del enrocado, sino que depende en gran medida del tipo y composición del filtro El filtro protege al suelo de la erosión debido a la corriente de agua, ataque de olas, y de flujos subterráneos; y evita el movimiento de las partículas finas que conforma el suelo protegido Se tiene que tener en cuenta, que dependiendo de las condiciones de diseño, el flujo en el filtro puede tener componentes: - a lo largo del enrocado en la dirección del alineamiento del río - hacia arriba o hacia abajo del talud del enrocado - Perpendicular al talud - Hacia adentro o hacia fuera del suelo protegido Se puede tener filtros de material granular, o filtros de geotextil

2.2.2 FILTROS (continuación) a.

Filtros de material Granular • Para evitar la obstrucción del filtro es preferible que no más que 5% del material del filtro sea más pequeño que 0.75 mm • Las curvas granulométricas del filtro y del material del suelo deberán ser más o menos paralelas en el rango de los diámetros pequeños • En cuanto a la granulometría del material del filtro se han hecho muchas investigaciones entre las que tenemos: - Simons y Senturk recomiendan que la granulometría de los filtros debe cumplir con las siguientes ecuaciones:

d50(del filtro) / d50(del terreno