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UNIVERSIDAD PRIVADA ANTENOR ORREGO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

“Análisis técnico comparativo entre el uso de gaviones y geoceldas como estructuras de protección por erosión y estabilidad en el tramo puente de fierro, río Moche”

PROYECTO DE TESIS PARA OBTENER EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO CIVIL LÍNEA DE INVESTIGACIÓN: GEOLOGÍA Y GEOTÉCNIA

AUTOR:

BR. GUEVARA RECOBA FREDDY ALONSO

ASESOR:

ING. LUJAN SILVA ENRIQUE FRANCISCO TRUJILLO - PERÚ 2019

ÍNDICE I. GENERALIDADES......................................................................................................................... 4 1.

Título: ................................................................................................................................ 4

2.

Equipo investigador:.......................................................................................................... 4 2.1.

Autor.......................................................................................................................... 4

2.2.

Asesor ........................................................................................................................ 4

3.

Tipo de Investigación: ....................................................................................................... 4 2.1.

Por su finalidad .......................................................................................................... 4

2.2.

Por su profundidad.................................................................................................... 4

4.

Línea de Investigación: ...................................................................................................... 4

5.

Unidad Académica: ........................................................................................................... 4

6.

Institución y localidad donde se desarrollará el proyecto: ............................................... 4

7.

Duración del proyecto: ...................................................................................................... 4

8.

Horas semanales dedicadas al proyecto ........................................................................... 4

9.

Cronograma de trabajo ..................................................................................................... 4

10.

Recursos: ....................................................................................................................... 5

11.

Presupuesto .................................................................................................................. 5

12.

Financiación................................................................................................................... 5

La financiación de esta tesis será con recursos propios.............................................. 5 II. PLAN DE INVESTIGACION .......................................................................................................... 5 1.

2.

EL PROBLEMA .................................................................................................................... 5 2.1.

Realidad problemática .............................................................................................. 5

2.2.

Formulación del problema ........................................................................................ 7

2.3.

Justificación del estudio ............................................................................................ 7

OBJETIVOS: ........................................................................................................................ 8 2.1.

Objetivo general ........................................................................................................ 8

2.2.

Objetivos específicos ................................................................................................. 8

3.

ANTECEDENTES ................................................................................................................. 9

4.

MARCO TEORICO ............................................................................................................. 12 2.3.

GAVIONES TIPO CAJA .............................................................................................. 12

2.4.

GEOCELDAS RELLENAS DE CONCRETO .................................................................... 16

2.5.

VARIABLES PARA LA COMPARACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS DE PROTECCIÓN....... 22

5.

MARCO CONCEPTUAL ..................................................................................................... 27

6.

HIPOTESIS ........................................................................................................................ 33

7.

VARIABLES. Operacionalización de variables .................................................................. 33

8.

MATERIAL Y METODOS ................................................................................................... 35

9.

2.1.

Material ................................................................................................................... 35

2.2.

Métodos .................................................................................................................. 36

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................................................................... 38

I. GENERALIDADES 1. Título: “Análisis técnico comparativo entre el uso de gaviones y geoceldas

como estructuras de protección por erosión y estabilidad en el tramo puente de fierro, río Moche”. 2. Equipo investigador: Autor Guevara Recoba Freddy Alonso Asesor Lujan Silva Enrique Francisco 3. Tipo de Investigación: Por su finalidad Aplicativa Por su profundidad Explicativa 4. Línea de Investigación: Geología y Geotecnia 5. Unidad Académica: Escuela Profesional de Ingeniería Civil Facultad de Ingeniería 6. Institución y localidad donde se desarrollará el proyecto: Universidad Privada Antenor Orrego 7. Duración del proyecto: 7.1. Fecha de Inicio: 7.2. Fecha de Término: 8. Horas semanales dedicadas al proyecto 9. Cronograma de trabajo

ETAPAS

FECHAS inicio

9.1 Recolección de datos 9.2 Análisis de datos 9.3 Elaboración de informe

término

DEDICACION semanas Hrs/sem

10. Recursos: 10.1 Recursos Humanos 10.2 Recursos Materiales 11. Presupuesto 11.1 Bienes 11.2 Servicios 12. Financiación 12.1 Con recursos propios La financiación de esta tesis será con recursos propios.

II. PLAN DE INVESTIGACION

1. EL PROBLEMA

Realidad problemática

Los ríos son recursos naturales sumamente importantes para el desarrollo de la vida. Este recurso ha sido aprovechado y utilizado desde tiempos remotos, junto a sus márgenes se han fundado ciudades y se los ha aprovechado para desarrollar agricultura, ganadería y otras actividades importantes, no obstante los ríos predominan sobre las ciudades y es de suma importancia tener en cuenta que “La incorporación del río a la ciudad debe ser una actividad multidisciplinaria y tener enfoque holístico en que la solución de problemas de Hidráulica e Hidrología sea prioridad absoluta para lograr una decorosa “fachada fluvial” de la ciudad al río.” (Rocha, 2011, p. 13).

Debido a los ríos, las ciudades son beneficiadas y a su vez pueden ocurrir fenómenos hidrológicos extremos que dañen a la población y sus propiedades, por lo cual se percibe que necesitamos proteger el lecho del río de las crecidas que puedan ocasionarse, es importante resaltar que “Los expertos ya han advertido que la variabilidad climática que se vive en el Perú y que ha causado desastres con saldos lamentables se puede volver a repetir” (Bianchi Ingeniero S.A. 2015; p. 58), teniendo esta

necesidad surgen las defensas ribereñas que son estructuras construidas para proteger el lecho del rio de las crecidas máximas.

Por lo cual La Autoridad Autónoma Cuenca Hidrográfica Chira-Piura (AACHC) (2007) ha empleado la siguiente definición para las defensas ribereñas, tal como. Estructuras construidas para proteger de las crecidas máximas de los ríos las áreas aledañas a estos recursos de agua durante la crecida. El caudal, en un recurso de agua, aumenta en tales proporciones que el lecho del río puede resultar insuficiente para contenerlo, implica por lo tanto que la protección no es contra un acontecimiento regular sino extraordinario (p.66).

Al parecer, el propósito de las defensas ribereñas está enmarcado en las probabilidades de una crecida máxima.

Actualmente en el cauce del Rio Moche existen zonas vulnerables donde se evidencia la probabilidad de erosión y según Juarez y Rodriguez (2017, p. 117) sostienen que “se recomienda construir gaviones en las zonas más críticas del tramo puente de fierro, para evitar daños que puedan afectar a la población”. Esta investigación compara los gaviones tipo caja y las geoceldas rellenas de concreto, estas alternativas se utilizan como revestimiento superficial en la cara mojada de diques de tierra, su función es proteger los diques de la erosión. Ante esta problemática, surge la necesidad de saber cuál es la estructura de protección apropiada para una futura ejecución de defensas ribereñas.

La presente investigación consiste en la comparación de dos tipos de estructuras de protección de defensas ribereñas que controlen la erosión, luego de realizar los estudios topográficos, mecánica de suelos y estudio hidráulico en el tramo puente de fierro, río Moche en la zona de Quirihuac, se obtendrá los datos necesarios que definirán los criterios generales de dimensionamiento y diseño de ambas estructuras de protección, a su vez procederemos a confrontar estas estructuras de protección mediante variables técnicas:

-La resistencia a la erosión. -La estabilidad del sistema de protección.

Finalmente, las variables técnicas definirán las especificaciones de cada estructura de protección comparándolas en el dimensionamiento y diseño, se obtendrá cual es la estructura de protección más apropiada para el tramo puente de fierro, rio Moche, sector de Quirihuac resultado de investigaciones y datos recolectados a nivel local, nacional y mundial.

Formulación del problema

¿Cuáles son los beneficios técnicos al comparar el uso de gaviones tipo caja y geoceldas rellenas de concreto como estructuras de protección por erosión y estabilidad en el tramo puente de fierro, río Moche?

Justificación del estudio

El objeto por el cual se realiza esta investigación es el de realizar el análisis técnico comparativo de dos estructuras de protección contra la erosión ribereña en el tramo puente de fierro, río Moche, encontrar el dimensionamiento adecuado mediante las variables técnicas definidas que van más allá del aspecto económico y concretar la comparación de los diseños de las estructuras de protección para defensas ribereñas sustentando la toma de decisiones futura ante un proyecto de defensas ribereñas en el lugar de estudio.

El primero consiste en gaviones tipo caja que son usuales en la mayoría de estructuras de protección para defensas ribereñas de lechos de los ríos, “mientras que las geoceldas con relleno de concreto son una alternativa que funciona con un mecanismo diferente” (Otiniano y otros, 2012). Añadiendo, “cada vez se hace más necesario el uso de alternativas distintas a los gaviones rellenos de piedra, debido a la explotación excesiva de las canteras de piedra para la construcción de defensas

contra inundaciones” (Otiniano y otros, 2012). La presente investigación aporta a la toma de decisiones no solo en el tramo puente de fierro, río Moche sino en ríos que presenten similitudes con el tramo en estudio.

2. OBJETIVOS:

Objetivo general

Comparar técnicamente el uso de gaviones tipo caja y geoceldas rellenas de concreto como estructuras de protección de defensas ribereñas mediante el análisis de las variables técnicas en el tramo puente de fierro, río Moche.

Objetivos específicos



Realizar estudio topográfico del tramo puente de fierro.



Realizar estudio de mecánica de suelos del tramo puente de fierro.



Realizar estudio de cantera del tramo puente de fierro.



Realizar el estudio hidrológico del tramo puente de fierro usando el programa River.



Diseñar las estructuras de protección de defensas ribereñas.



Establecer cuál es la estructura de protección más apropiada para el tramo puente de fierro río Moche.

3. ANTECEDENTES

INVESTIGACIONES INTERNACIONALES

1. LINCO OLAVE, NEFI ANDRÉS (2015); realizo una investigación: “DISEÑO DE DEFENSA FLUVIALES RÍO CRUCES EN SAN JOSÉ DE LA MARIQUINA” de la Universidad Austral de Chile. Valdivia-Chile; se propuso realizar el diseño de defensas fluviales que prevengan inundaciones y daños que se pudieran producir por el aumento de caudal en el río Cruces en San José de la Mariquina, para lo cual desarrolló cuatro alternativas de defensa escogiéndose aquella que alterara en menor forma los parámetros hidráulicos respecto de la situación sin proyecto. En base a esto se diseñaron las defensas y sus componentes principales como talud, material de caraza, cotas de coronamiento, fundación, etc. La investigación llegó a los siguientes resultados, que la alternativa seleccionada y el diseño cumplen con los objetivos establecidos de proporcionar protección a las obras y bienes afectado, de acuerdo a los antecedentes y modelación para las crecidas centenarias. El principal aporte al trabajo de investigación es de dar a conocer cuatro alternativas para diseñar estructuras de protección de defensas ribereñas que amplíen conocimientos y criterios al compararlas entre sí.

INVESTIGACIONES NACIONALES

1. AGUILAR AGUINAGA DANIEL ALBERTO (2016); en su investigación: “COMPARACIÓN TÉCNICA ENTRE EL USO DE GAVIONES Y GEOCELDAS COMO ESTRUCTURA DE DEFENSA RIBEREÑA” de la Pontificia Universidad Católica del Perú. Lima-Perú; se propuso comparar

los resultados del análisis de las variables técnicas definidas y establecer, en base a esta comparación, el revestimiento contra la erosión más adecuado para el proyecto de defensas ribereñas en el río Zarumilla, para lo cual desarrolló una propuesta de diseño para cada tipo de revestimiento con el objetivo de mostrar los criterios generales que influye en la concepción y diseño de estas estructuras. Luego de realizar este diseño, se procede con el análisis de las variables definidas para la comparación. Estas

variables

han

sido

determinadas

para

representar

las

características básicas de análisis de los revestimientos comparados. La investigación llegó a los siguientes resultados que al comparar los resultados de ambos revestimientos se determina que ante las condiciones de velocidad y esfuerzo de arrastre expuestos tienen la capacidad de resistir de manera adecuada. Aunque, las geoceldas demuestran tener características superiores a los colchones de gaviones. El principal aporte al trabajo de investigación es que mediante las tres variables técnicas propuestas pueden realizarse más comparaciones del desempeño de otros revestimientos que aumente la gama de propuestas para estructuras de protección de defensas ribereñas.

INVESTIGACIONES LOCALES

1. RONCAL LEON, JORGE LUIS y SEVILLANO HARO, DENIS SAMIR (2017); en su investigación: “ALTERNATIVA PARA DEFENSAS RIBEREÑAS, CON GAVIONES APLICANDO LA BIOINGENIERÍA EN EL RÍO HUANTAN, ZONA URBANA DEL DISTRITO HUANTAN. PROVINCIA YAUYOS, LIMA” de la Universidad Privada Antenor Orrego. Trujillo-Perú; se propuso proponer la alternativa para defensas ribereñas, con gaviones aplicando la Bioingeniería en el Rio Huantan, zona urbana del Distrito Huantan, Provincia Yauyos. Lima, para lo cual desarrolló una propuesta de diseño para cada tipo de revestimiento con el objetivo de mostrar los criterios generales que influyen en la concepción y diseño de estas estructuras. Luego de realizar este diseño, se procede con el análisis de las variables definidas para la comparación. La investigación llegó a los siguientes resultados, se ha determinado que los gaviones

aplicando la bioingeniería es decir empleando materiales inertes (piedras y mallas) y plantas vegetales tienen el mejor desempeño como recubrimiento contra la erosión ribereña, tienen mayor resistencia y mayor durabilidad. El principal aporte al trabajo de investigación es la comparación que se da entre las propuestas de estructuras de protección de defensas ribereñas mediante tres variables técnicas.

2. MACEDA

NICOLINI

ENRIQUE

ANTONIO

(2015);

realizo

una

investigación: “EVALUACIÓN DEL USO DE GEOSINTÉTICOS PARA EL CONTROL DE LA EROSIÓN HÍDRICA EN LA MARGEN IZQUIERDA DEL RÍO ZARUMILLA-TUMBES” de la Universidad Nacional de Trujillo. Trujillo-Perú; se propuso analizar y validar las bondades de utilizar materiales geosintéticos, para diseñar estructuras de protección ribereño a través de las geoceldas, rellenadas con mortero cemento – arena, para lo cual desarrolló el “Diseño en función” que sirve para determinar la elección del geosintético más conveniente a ser aplicado en la obra de defensa de la Margen Izquierda del río Zarumilla, permitió detectar la función primaria que el geosintético cumplirá dentro de la obra en estudio, a fin de poder relacionarla numéricamente con las propiedades necesarias para satisfacerla. La investigación llegó a los siguientes resultados, determinó la Vulnerabilidad del proyecto, se utilizó el formato 1 para la Identificación de peligros en la zona de ejecución del estudio; el formato 2 para el Análisis de riesgo para las decisiones de localización y diseño; y el formato Nº 3 para la Identificación del Grado de Vulnerabilidad por factores de exposición, fragilidad y Resiliencia e identificó peligros en la zona de estudio presentados en el Cuadro 7; los resultados del Análisis de Riesgo para las decisiones de Localización y Diseño se observan en el Cuadro 8; y por último en el Cuadro 9 se presentan los resultados del Grado de Vulnerabilidad por factores de exposición, fragilidad y resiliencia. El principal aporte al trabajo de investigación es las diversas propuestas de estructuras ribereñas que utiliza para el control de la erosión.

3. JUAREZ SUAREZ, MERCEDES ESMERALDA y RODRIGUEZ PEREZ, JAIME CARLOS (2017); realizaron la investigación: “EVALUACIÓN HIDRAULICA DEL RÍO MOCHE TRAMO PUENTE DE FIERRO, LONGITUD 1 km” de la Universidad Privada Antenor Orrego. TrujilloPerú; se propuso elaborar el análisis hidráulico en el rio moche en el tramo de puente de fierro 1km, con la finalidad de prevenir posibles inundaciones en la zona de Quirihuac, para lo cual desarrolló un estudio hidráulico del rio mencionado, que nos permite realizar el estudio hidrológico que consiste en estimar descargas máximas a partir de reporte de caudales máximos en 24 horas registradas en la estación Quirihuac, para periodos de retorno 50,100 y 500 años. La investigación llegó a los siguientes resultados, El modelo hidráulico procesado en el software IBER se realizó tomando en consideración los caudales que han pasado desde el año 1950 hasta 2011, se desarrolló con diferentes periodos de retorno que están conformados por: -

Periodo de retorno 50 años. Para este periodo de retorno se tomó el

caudal máximo que se estableció en 370.56m3/s. -

Periodo de retorno 100años. Para este periodo se generó un caudal

máximo con el que se trabajó de 508.44m3/s. - Periodo de retorno 500años. Para este periodo se trabajó con un caudal máximo de 1056.28m3/s. El principal aporte al trabajo de investigación es haber evaluado hidráulicamente el tramo puente de fierro, río Moche en el cual nos recomienda construir gaviones en las zonas más críticas del tramo expuesto, esto crea la necesidad de hacer una comparación técnica en dicho tramo y nos da un punto de partida para una futura evaluación hidráulica en dicho tramo.

4. MARCO TEORICO

GAVIONES TIPO CAJA Los gaviones son cestas de malla triple torsión de alambre de medidas variables, dividida uniformemente en celdas, conectadas a unidades similares, se suelen llamar tipo caja a aquellos cuya altura fluctúa entre

0.50m – 1.00m. Interiormente los gaviones pueden estar divididos por diafragmas formando celdas cuya longitud no debe ser mayor a una vez y media el ancho de la malla. Usualmente esta separación es de 1 m. Son llenados con roca en el sitio de proyecto para formar estructuras, flexibles, permeables y monolíticas usadas como muros de retención, canales o revestimiento y presas para control de erosión. En la siguiente figura se muestra un gavión tipo caja.

(parqueygrama)

A continuación se detallan los componentes que forman una estructura de gaviones tipo caja (Prodac, 2019).



Alambre: El alambre utilizado para la fabricación de las mallas y para las operaciones de amarre y atirantamiento durante la colocación en obra, deberá de ser de acero dulce recocido de

acuerdo con las especificaciones BS (Brithis Standard) 1052/1980 “Mild Steel Wire”, una carga de rotura media superior a 3800 kg/cm2 y un estiramiento no inferior al 12%. El diámetro externo del alambre de la malla será de 3.40 mm, y el diámetro externo del alambre de borde será de 4.00 mm (incluye le PVC). 

Revestimiento del alambre: El alambre debe tener un revestimiento Zinc+ 5%Al, de acuerdo a la norma ASTM A 856 “Zinc/5% aluminio Mischmetal Alloy Coated Carbon Steel”, cuyo espesor y adherencia garantice la durabilidad del revestimiento. Adicionalmente al recubrimiento de Zn+Al, el alambre tendrá un revestimiento por extrusión con PVC (polivinil cloruro), de un espesor mayor o igual a 0.4mm.



Malla: Las características indispensables que deberá tener la malla a utilizar.  No ser fácil de destejer o desmallar.  Poseer una elevada resistencia mecánica y contra fenómenos de corrosión.  Facilidad de colocación. La malla hexagonal de doble torsión es obtenida a través del entrelazado de los alambres por tres medias vueltas, conforme a las especificaciones de la NBR 10514, NB 710-00 y NP 15 055 00



Alambre de amarre: El alambre de amarre debe tener como diámetro 2.20 mm + PVC (3.2 mm diámetro externo). La cantidad a emplear debe corresponder al 9% en peso para gaviones tipo suelo reforzado de 1m de altura y 7% para 0.5m.



Abertura de malla: La abertura de la malla, también conocida, será de 10x12 cm, para los gaviones tipo caja.

La siguiente tabla muestra las dimensiones en las que podemos encontrar este tipo de gavión.

Largo (m) 2 3 4 2 3 4 3

Ancho (m) 1 1 1 1 1 1 1.5

Gavión, tipos y características Alto (m) Tipo de malla 0.5 5x7 - 2 mm / 8x10 - 2.7 mm 0.5 5x7 - 2 mm / 8x10 - 2.7 mm 0.5 5x7 - 2 mm / 8x10 - 2.7 mm 1 5x7 - 2 mm / 8x10 - 2.7 mm 1 5x7 - 2 mm / 8x10 - 2.7 mm 1 5x7 - 2 mm / 8x10 - 2.7 mm 1 5x7 - 2 mm / 8x10 - 2.7 mm

Peso por unidad (kg) 9./12 14./17 18./22 14./17 19./24 25./31 28./32

(Bianchini)

Cuando son instalados y rellenos de piedra los gaviones se convierten en elementos estructurales flexibles, armados, drenantes y aptos para ser utilizados en la construcción de los más diversos tipos de estructuras. Maccaferri La siguiente tabla muestra las ventajas que se tiene al usar los gaviones tipo caja.

VENTAJAS

APLICACIONES

No precisan cimentación

Muros de contención

Flexibles

Muros ecológicos

Adaptación al terreno

Saneamiento de vías férreas

Drenantes

Contención de desprendimientos

Fácil diseño

Estabilización de taludes

Montaje rápido

Diques de corrección

Mano de obra no especializada

Estabilización de torrentes

Durabilidad

Corrección de cauces

Trabajan por gravedad

Defensas fluviales

Económicos

Barreras acústicas

(Bianchini)

GEOCELDAS RELLENAS DE CONCRETO

Las geoceldas son geosintéticos utilizados para mejorar las condiciones del suelo, originalmente fueron desarrolladas por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos (Webster, Alford, 1977). Consisten en celdas formadas mediante tiras laminares de Polietileno de alta densidad (HDPE) o Polietileno (PE) unidas mediante soldadura ultrasónica en los anchos de las tiras (Chen, Chiu, 2007). Hay un gran número de sistemas hechos para geocedas en el mercado y la forma en que se pueden aplicar para solucionar problemas de ingeniería no comunes. La siguiente figura muestra la vista de las tiras sintéticas.

GeoWeb, sistema de confinamiento celular (Colorado State University, sf).

La parte superior de esta imagen refiere a una vista en planta y la parte inferior a una sección transversal, además, se muestran los elementos que forman parte del sistema total. En la siguiente figura se muestra un esquema general de geoceldas aplicadas a una estructura de recubrimiento de canales.

GeoWeb, componentes del sistema (Presto, 2000).

A continuación se detallan los componentes que forman una estructura de geoceldas para el revestimiento de canales (Presto, 2000). 

La celda: Consiste en la unidad de confinamiento del relleno que

utiliza el sistema. Este elemento de contención puede ser de diferentes áreas transversales, alturas y puede tener agujeros para la interconexión del relleno entre las celdas adyacentes. La altura que se escoge para las celdas determina el espesor del recubrimiento. En el talud se tiene en cuenta el ángulo de inclinación de este, así como el ángulo de reposo del material de relleno. Las siguientes figuras muestran las diferentes características que tiene la celda.

GeoWeb, sistema de confinamiento celular (Colorado State university, sf).

Dimensiones de las celdas GeoWeb (Presto, 2000).



Material de relleno: Los materiales convencionales más utilizados

para el relleno de las geoceldas son la capa vegetal (Figura 2-20), los agregados (Figura 2-21) y el concreto (Figura 2-22). Cada tipo de material aporta al sistema de recubrimiento características propias. En ese sentido, se debe tener en cuenta la resistencia a la erosión, el peso del sistema, la durabilidad, el mantenimiento requerido, la flexibilidad, las condiciones ambientales, etc. Esta tesis solo abarca el uso de geoceldas con relleno de concreto.

Figura 0-20: Geocell (Presto, 2015).

Figura 0-1: Relleno de agregados (TDM, 2015).

Figura 0-22: Relleno de concreto (TDM, 2015).



Anclajes de terreno: Son elementos que brindan estabilidad al

sistema. Se puede utilizar deferentes tipos de anclajes, desde estacas de acero corrugado hasta anclajes patentados. El uso de anclajes intermedios no solo permite una mejor distribución de los pesos, del mismo modo, son importantes para resistir las fuerzas de empuje hidrostático (ver Figura 2-24). Mientras que los anclajes de coronación soportan el peso total de las franjas transversales de geoceldas (ver Figura 2-25).

Figura 0-24: Anclaje de superficie ATRA (Presto, 2000).

Figura 0-25: Anclaje de coronación Helicoidal (Presto, 2000).



Subcapa de geotextiles: Para el diseño y selección de los

geotextiles se utilizan los procedimientos convencionales. Este elemento actúa como filtro de suelo y sistema de drenaje, se recomienda instalarlo no tejido y perforado por agujas (ver Figura 2-26).

Geoceldas sobre geotextil (TDM, 2015).

Los criterios de diseño de las geoceldas son muy diversos, no solo dependen del tipo de patente con el que se trabaja, sino, también de las condiciones de los proyectos juegan un papel sumamente importante. Es por esto, que la existencia de una guía de diseño estricta no puede ser posible en el caso de las geoceldas (Alfaro, 2015). Como resultado de esta particularidad los profesionales de ingeniería deben analizar en cada proyecto que solución es la más adecuada para este.

VARIABLES PARA LA COMPARACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS DE PROTECCIÓN



Resistencia a la erosión

Los factores físicos y las condiciones de campo que determinan el comportamiento de la erosión de la superficie de los canales son muy complejos, debido a la interacción entre la gran variabilidad del flujo y las características propias de cada tipo de recubrimiento (Suarez,

2001).

Esta

investigación

emplea

las

siguientes

definiciones. Según Prosser, Rutherfurd, Olley, Young, Wallbrink y Moran (2001) la resistencia a la erosión y la durabilidad de la

estructura de protección, tanto para una carga hidráulica de corta y larga duración pueden ser cuantificadas y comparadas mediante la velocidad máxima permisible, es así que una mayor velocidad de resistencia

indica

que

la

estructura

desarrolla

un

mejor

performance de sus funciones durante eventos extremos. Del mismo modo, el esfuerzo de corte generado por el flujo sobre la superficie del canal es un indicador directo y relevante respecto al proceso de erosión de la superficie del canal (Chen y otros, 2014). Por ende, para comparar de manera simple las características de estas estructuras de protección, se evalúa la resistencia a la erosión mediante la velocidad máxima permisible y la resistencia a los esfuerzos de arrastre.

La velocidad máxima permisible, la cual para fines de comparación se calcula como velocidad crítica, es definida como la mayor velocidad promedio que puede resistir el recubrimiento y no causar erosión en el canal, su valor es definido en base a la experiencia en proyectos, así como experimentación en condiciones de laboratorio (Chow, 1994). Por otro lado, el esfuerzo de arrastre permisible es la máxima fuerza de arrastre por unidad de área que va a resistir el revestimiento sin ser erosionado de manera importante, este esfuerzo será comparado mediante el esfuerzo de arrastre crítico que se calcula en base a experimentos de laboratorio y experiencia en proyectos anteriores. La Ecuación 2.3 muestra una expresión basada en el parámetro de Shields para el cálculo del esfuerzo de arrastre crítico en el lecho de un canal formado por material granular (Simons y otros, 1984).

La evaluación final de estas variables se realiza mediante la comparación cuantitativa de los valores propuestos de resistencia de la velocidad crítica y el esfuerzo de arrastre crítico de cada revestimiento.



Estabilidad del sistema de protección

La estabilidad del sistema va a estar sometida a diferentes fenómenos que ponen en riesgo la integridad de la estructura de revestimiento. Los elementos de recubrimiento son influidos por las fuerzas tractivas y de gravedad a lo largo del canal, dichas fuerzas junto con las características geométricas de la sección influyen en la capacidad de mantener el estado de equilibrio de la estructura, debido a que van a inducir el movimiento en los elementos estructurales (Chow, 1994). Dada la influencia de estas fuerzas, según Maccaferri (2015) y Presto (2000) los revestimientos deben analizarse para evitar que se produzcan deslizamientos tanto en la dirección del flujo, como en la dirección transversal de la sección. Según Suarez (2001), el análisis de estas direcciones de deslizamiento, también debe estar sometido a condiciones específicas de comparación. Las condiciones definidas son las siguientes: deslizamiento en la dirección del flujo para la condición sumergida del revestimiento y deslizamiento en la dirección transversal de la sección para la condición seca del revestimiento. La comparación de estas direcciones según la condición se realiza mediante el cálculo de un factor de seguridad contra el deslizamiento, el cual se define en la Ecuación 2.24 como el cociente entre los esfuerzos que resisten el deslizamiento (ERD) y los esfuerzos que inducen el deslizamiento (EID). Estos esfuerzos se definen a continuación según la dirección de análisis. Ecuación del factor de seguridad contra deslizamiento. (2.24)

En la dirección del flujo en condición de revestimiento sumergido, debe analizar el deslizamiento de los elementos que conforman la armadura superficial de protección y el deslizamiento de la armadura superficial completa. Para el caso de los elementos de la armadura, los ERD son el esfuerzo de arrastre crítico definidos según la variable de resistencia a la erosión y durabilidad (Ecuación

2.3), mientras que los EID son los esfuerzos de arrastre actuantes debido al flujo. En el caso de la armadura superficial completa, los ERD en los gaviones tipo caja se componen por el esfuerzo de arrastre crítico del relleno y la resistencia de la malla (Ecuación 2.3 más un 20% de resistencia por la malla), para el caso de las geoceldas son los esfuerzos que se producen por la fricción entre el revestimiento y la base sobre la que este se apoya (Ecuación 2.25). Por otro lado, los EID son los esfuerzos de arrastre actuantes debido al flujo y el peso actuante de la armadura (Ecuación 2.26).

Los esfuerzos de fricción entre el revestimiento y la base sobre la que este se apoya en condición sumergida se calcula mediante la siguiente ecuación (Chow, 1994). (2.25) Donde: tf: Esfuerzo de fricción entre el revestimiento y la base (kg/m 2). t: Espesor del revestimiento (m). ɣa: Peso específico de la armadura del revestimiento (kg/m 3). ɣw: Peso específico del agua (Kg/m3). ω: Ángulo de la pendiente a lo largo del canal (°). Θ: Ángulo de inclinación del talud (°). ɸ: Ángulo de fricción entre la armadura y la base (°).

Los esfuerzos de arrastre actuantes debido al flujo y al peso de la armadura se calculan mediante la siguiente ecuación: (2.26)

Donde:

tr: Esfuerzo de arrastre por peso del revestimiento en condición sumergida (kg/m2). t: Espesor del revestimiento (m). ɣa: Peso específico de la armadura del revestimiento (kg/m 3). ɣw: Peso específico del agua (Kg/m3). ω: Ángulo de la pendiente a lo largo del canal (°). Θ: Ángulo de inclinación del talud (°). tao: Esfuerzo de arrastre actuante debido al flujo (kg/m2).

En la dirección transversal de la sección en condición de revestimiento seco, debe analizarse el deslizamiento de la armadura en la dirección del talud sobre el que se apoya el revestimiento. Los ERD son los esfuerzos que se producen por la fricción entre el revestimiento y la base sobre la que este se apoya (Ecuación 2.27), mientras que los EID son los esfuerzos producto de la fuerza de gravedad (Ecuación 2.28).

Los esfuerzos que se producen por la fricción entre el revestimiento y la base sobre la que este se apoya en condición seca se calculan mediante la siguiente ecuación:

(2.27)

Donde: tf: Esfuerzo de induce el movimiento por peso del revestimiento (kg/m2). t: Espesor del revestimiento (m). ɣa: Peso específico de la armadura del revestimiento (kg/m 3). ɸ: Ángulo de fricción entre la armadura y la base (°). Θ: Ángulo de inclinación del talud (°).

Ecuación 2.28 de los esfuerzos producto de la fuerza de gravedad en condición seca.

(2.28) Donde: tr: Esfuerzo de fricción (kg/m2). t: Espesor del revestimiento (m). ɣa: Peso específico de la armadura del revestimiento (kg/m 3). Θ: Ángulo de inclinación del talud (°).

5. MARCO CONCEPTUAL

CUENCA Es un territorio vaciado por un único sistema de drenaje natural, es decir, que sus aguas drenan al mar a través de un único río, o que vierte sus aguas a un único lago endorreico, también llamada divisoria de aguas. CAUDAL DE DISEÑO

El programa River, tiene como una de sus principales funciones, llevar a cabo los cálculos hidrológicos de una rio y para ello se ejecutan varios métodos de los cuales tenemos:

Método Estadístico Método Empírico Caudal Instantáneo

DEFENSAS RIBEREÑAS

Las defensas ribereñas son estructuras construidas para proteger de las crecidas de los ríos las áreas aledañas a estos cursos de agua. La protección contra las inundaciones incluye, tanto los medios estructurales, como los no estructurales, que dan protección o reducen los riesgos de inundación. ENCAUZAMIENTO

Es abrir un cauce para que discurra por él una corriente o masa de aguas EROSIÓN FLUVIAL

“Es el desprendimiento y transporte de materiales producido por el movimiento del agua que circula por el cauce de un río. Generalmente, los procesos erosivos se generan debido a las características geotécnicas de los materiales de fondo y el talud, la geometría del cauce, pendiente y las características del flujo de agua”. (Ana. 2007 ; 48 pp ).

Tipos de fallas debido a efectos de erosión en ríos Fuente: Hagerty, 1998

“Debido a los procesos erosivos se pueden generar modificaciones en las paredes laterales de los taludes, lo cual implicaría la inestabilidad del mismo. En la mayoría de casos, los deslizamientos producidos por los efectos erosivos producen un represamiento de las aguas circundantes al cauce y por consiguiente avalanchas de tierra” (Rocha, A. 2011; 46 pp).

ESCORRENTIA

Se refiere al agua de lluvia que circula libremente sobre la superficie de un terreno

ESTUDIO TOPOGRÁFICO

Un estudio topográfico se podría definir como un conjunto de acciones realizadas sobre un terreno con herramientas adecuadas para obtener una representación gráfica o plano.

Una vez obtenido el plano, este resulta muy útil para cualquier obra que se vaya a realizar sobre el terreno. De esta forma podemos conocer la posición de los puntos de interés y su posición exacta mediante la latitud, longitud y elevación o cota. (Aj Topógrados, 2019)

ESTUDIO DE CANTERA

El estudio de canteras permite ubicar, identificar y clasificar el material de préstamo a utilizarse en la estructura de obras que lo requieran. La finalidad de definir los bancos de material de préstamo se realiza para detectar volúmenes alcanzables y explotables, que satisfagan la demanda del proyecto y que cumplan con las especificaciones técnicas requeridas, permite obtener los parámetros índice y de resistencia de material de canteras.

ESTUDIO DE MECÁNICA DE SUELOS

Un Estudio de Suelo, también conocido como Estudio Geotécnico, es un conjunto de actividades que nos permiten obtener la información de

un determinado terreno. Es una de las informaciones más importantes para la planificación, diseño y ejecución de un proyecto de construcción. (Abouthaus, 2019)

ESTUDIO DE HIDROLÓGICO

Regulan las diferentes uniones hidrográficas, en definitiva, es un documento que define cuáles son las consecuencias hidráulicas que una obra o proyecto puede llegar a afectar el estado de una cuenca hidrológica que le corresponde. (Certicalia, 2019).

GAVIONES TIPO CAJA:

Los gaviones caja son elementos en forma de prisma rectangular, ideales para la construcción de estructuras de protección, defensa y contención de márgenes. Funciona por gravedad y su comportamiento técnico-funcional es excelente al permitir la construcción de estructuras monolíticas, flexibles, permeables, resistentes y de larga vida útil.

Figura N° 08: Gaviones tipo caja

Fuente: Maccaferri. (2015).

HIDROLOGÍA

Villon. M define a la hidrología de la siguiente manera (2002). “Hidrología es la ciencia natural que estudia el agua, su ocurrencia, circulación y distribución en la superficie terrestre, sus propiedades

químicas y físicas y su relación con el medio ambiente, incluyendo a los seres vivos”. INUNDACIÓN

Una inundación es la ocupación por parte del agua de zonas que habitualmente están libres de esta, por desbordamiento de ríos, torrentes o ramblas, por lluvias torrenciales, deshielo, por subida de las mareas por encima del nivel habitual, por maremotos, huracanes, entre otros. GEOCELDAS:

Las geoceldas son estructuras tridimensionales semirrígidas en forma de panal de abeja que se rellenan con tierra vegetal, grava, arena, suelo-cemento u hormigón.

Están construidas por polietileno de alta densidad y son resistentes, flexibles, duraderas y estables frente a agentes químicos y bacterianos.

Cada celda actúa como una pequeña represa que permite el paso del agua o el viento encima de la superficie, así de ese modo se disipan las fuerzas erosivas. Las paredes de las celdas inhiben la formación de cauces previniendo el desarrollo de procesos erosivos de taludes y cimas. La geocelda está diseñada para minimizar y/o eliminar los efectos de las fuerzas erosivas del agua y del viento a los que son expuestos los suelos. Es altamente efectiva protegiendo terraplenes y taludes. El relleno de la geocelda puede realizarse también con grava o piedra. (Projar, 2019). NIVEL NAPA FREÁTICA

Las napas son capas de agua subterránea ubicadas a diferentes alturas en el perfil del subsuelo.

MITIGAR

Es reducción de la vulnerabilidad, es decir la atenuación de los daños potenciales sobre la vida y los bienes causados por un evento. PLANOS TOPOGRÁFICOS

Son una representación reducida, generalizada y matemáticamente determinada de la superficie terrestre sobre un plano, en la cual se interpreta la distribución, el estado y los vínculos de los distintos fenómenos naturales y sociales. PRECIPITACION

Se refiere a la caída de agua sólida o líquida debido a la condensación del vapor, sobre la superficie terrestre. PROGRAMA RIVER

El programa River fue elaborado por el ingeniero Emilse Benavides C. profesional especialista de la Autoridad Nacional del Agua (ANA) del Ministerio de Agricultura. Este programa está dirigido a los profesionales e instituciones que están involucrados en obras de protección de cauces o defensas ribereñas.

Pantalla de inicio del Programa River

6. HIPOTESIS

Si comparamos técnicamente el uso de gaviones tipo caja y geoceldas rellenas de concreto como estructuras de protección; entonces obtendremos el diseño adecuado de cada estructura de protección mediante las variables técnicas definidas.

7. VARIABLES. Operacionalización de variables

Variables Independientes:

Estudios técnicos en el tramo puente de fierro, río Moche: -

Estudio topográfico del tramo puente de fierro.

-

Estudio de cantera del tramo puente de fierro.

-

Estudio de mecánica de suelos del tramo puente de fierro.

-

Estudio hidrológico del tramo puente de fierro.

Variable Dependiente:

Diseño de las estructuras de protección.

CoVariables: (Variables de comparación)

Resistencia a la erosión. Estabilidad del sistema de protección.

VARIABLES INDEPENDIENTES Instrumento de Indicadores Unidad de investigación medida Nivel de napa freática m/seg Laboratorio EMS Planos topográficos

m

Estación total

Modelamiento hidráulico

m3/s

------

Velocidad y altura del flujo

m3/s

------

turbulento del tramo puente de fierro, río Moche

CO VARIABLES (VARIABLES DE COMPARACIÓN) Instrumento de Indicadores Unidad de investigación medida Velocidad crítica m/seg ------------Esfuerzo de arrastre crítico

m

--------------

Modelamiento hidráulico

m3/s

-------------

Velocidad y altura del flujo

m3/s

---------------

turbulento del tramo puente de fierro, río Moche

8. MATERIAL Y METODOS Material

8.1.1

Población Sector Quirihuac - Laredo

8.1.2

Muestra Cuenca río Moche

8.1.3

Unidad de análisis Tramo puente de fierro

8.1.4

Ubicación política La zona del proyecto se localiza en El Distrito de Laredo es uno de los once distritos que conforman la Provincia de Trujillo, perteneciente al Departamento de La Libertad, en el Perú y bajo la administración del Gobierno Regional de La Libertad, con una superficie de 335.44 km2.

8.1.5

Región

: La Libertad

Provincia

: Trujillo

Distrito

: Laredo

Rio

: Moche

Ubicación geográfica La ubicación geográfica del Rio Moche es la siguiente: Latitud Sur

: 7º46' y 8º15'

Oeste

: 78º16' y 79º08'

Longitud

: 102 km

Métodos 8.1.1 

Diseño de Contrastación. Diseño comparativo: M1

O1 Donde:



M2

O2

M3

O3

M4

O4

M1….M4: Son las muestras O1…O4: Son las observaciones

Observación: • Determinación de la topografía: Esta será con precisión realizada con equipos topográficos y con datos obtenidos en la zona de estudio. • Estudio de suelos: Estudios necesarios para el diseño de gaviones. • Estudio de canteras: Estudio necesario para determinar el tamaño de material y la existencia de canteras respectivas para la extracción.

• Determinación de caudales máximos: Se hará uso de procedimientos estadísticos obtenidas de las estaciones hidrologías, para llegar al caudal óptimo para la población durante un periodo de retorno de 10, 25, 50, 100 años, en el programa River. • Modelamiento hidráulico: Se hará uso del Software IBER 1.9 (modelo bidimensional hidrodinámico).  Al realizar estos estudios se podrá desarrollar las covariables que son la resistencia a la erosión y durabilidad del sistema de protección, luego se procederá a realizar la comparación entre estas dos estructuras de protección.

8.1.2

Técnicas e instrumentos de recolección de datos

Técnica Observación Análisis de documentos Verificación en campo Estudios técnicos necesarios

Formas de aplicación Personal y medios electrónicos Personal

Forma de obtención Observación directa y registro fotográfico Medios impresos, fotos, información de la web

Personal

Foto

Personal

Estudio topográfico, Estudio de mecánica de suelos, Estudio de cantera y Estudio hidrológico

9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. Abouthaus (2019). Estudio de mecánica de suelos. Recuperado el 27 de abril, de 2019

2. Aguilar, D. (2016). Comparación técnica entre el uso de gaviones y geoceldas como estructura de defensa ribereña-2016 (Tesis para obtener el grado de Ingeniero Civil). Pontífica Universidad Católica del Perú. LimaPerú.

3. Aj Topógrados (2019). Estudio topográfico. Recuperado el 27 de abril, de 2019 https://www.ajttopografos.com/blog/que-es-un-estudio-topografico/ 4. Alfaro, O. (2015). Entrevista personal con la ingeniera Alfaro, jefa de sector minería, hidrocarburos e hidroenergía de la empresa Andex en Perú. Llevada a cabo el 08 de may. de 2015. 5. Bianchini Ingeniero.S.A. (2019) Gaviones. Recuperado el 15 de abril, de 2019

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7. Chen, R. H., & Chiu, Y.M. (2007). Model test of geocell retaining structures. Geotextile and Geomenbranes, °26(1), pp.56-70

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13. Otiniano, J., Grimaldo, E., y Cardozo, J. (2012). GeoWeb en Defensas Ribereñas Río Zarumilla-Tumbes. Second Pan American Geosynthetic Conference & Exhibition GeoAmericas 2012.

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24. Villon, M. (2002). Hidrología (2 ed). Perú. Max soft. Editorial Villon

ACREDITACIÓN DE ASESORÍA

Lujan Silva Enrique , Ingeniero Civil de profesión, con Colegiatura N° ….., declaro que me encuentro habilitado para ejercer legalmente la profesión de Ingeniero y me comprometo a la asesoría de la Tesis Titulada : “Análisis técnico comparativo entre el uso de gaviones y geoceldas como estructuras de protección por erosión y estabilidad en el tramo puente de fierro, río Moche” que será desarrollada por Guevara Recoba Freddy Alonso hasta su culminación, sustentación y defensa.

Trujillo, …. abril del 2019.

Firmas de Asesor y tesista