BADENESI. INTRODUCCION

Las estructuras tipo badén son soluciones efectivas cuando el nivel de la rasante de la carretera coincide con el nivel de fondo del cauce del curso natural que intercepta su alineamiento, porque permite dejar pasar flujo de sólidos esporádicamente que se presentan con mayor intensidad durante períodos lluviosos y donde no ha sido posible la proyección de una alcantarilla o puente. Los materiales comúnmente usados en la construcción de badenes son la piedra y el concreto, pueden construirse badenes de piedra acomodada y de concreto que forman parte de la superficie de rodadura de la carretera y también con paños de losas de concreto armado. Los badenes con superficie de rodadura de paños de concreto se recomiendan en carreteras de primer orden, sin embargo, queda a criterio del especialista el tipo de material a usar para cada caso en particular, lo cual está directamente relacionado con el tipo de material que transporta el curso natural. Se recomienda evitar la colocación de badenes sobre depósitos de suelos finos susceptibles de ser afectados por procesos de socavación y asentamientos. El diseño de badenes debe contemplar necesariamente la construcción de obras de protección contra la socavación y uñas de cimentación en la entrada y salida, así como también losas de aproximación en la entrada y salida del badén. Dependiendo del tipo de material de arrastre que transporte el curso natural donde se ubicará el badén, se pueden adoptar diseños mixtos, es decir badén – alcantarilla, que permitan evacuar flujos menores en épocas de estiaje y a su vez flujos de materiales sólidos en períodos extraordinarios, sin embargo, estos diseños deben ser estudiados minuciosamente para poder ser empleados, mediante un estudio integral de la cuenca que drenará el badén, ya que el material transportado puede originar represamientos, poniendo en riesgo su estabilidad y permanencia.La ventaja de las estructuras tipo badén es que los trabajos de mantenimiento y limpieza se realizan con mayor eficacia, siendo el riesgo de obstrucción muy bajo.

II. OBJETIVOS Dar a conocer la información necesaria de los diferentes tipos de badenes. Hacer un estudio hidrológico, hidráulico y estructural para badenes. Diseñar un badén tipo, considerando los diferentes criterios de diseño y

estudios necesarios.

III. GLOSARIO DE TERMINOS

Agua Abajo: Es la dirección el curso del río o flujo de las aguas que quedan después de la línea central del camino ya sea a mano izquierda o derecha.

Agua Arriba: Es la dirección el curso del río o flujo de las aguas que quedan antes de la línea central del camino ya sea a mano izquierda o derecha.

Aluvión. Un término general para todos los detritos de material depositado o en tránsito por una corriente incluyendo grava, arena, sílice, arcilla, y variaciones y mezclas de estas. A menos que como se ha anotado el aluvión no esté consolidado.

Área de Drenaje. El área drenada dentro de una corriente en un punto dado. Puede ser de diferentes tamaños por escorrentía superficial, flujo sub superficial y flujo base, pero generalmente el área de escorrentía de superficie es considerada como el área de drenaje.

Aguas de escorrentía. Parte de la lluvia que discurre sobre la superficie del terreno y eventualmente forma las quebradas y los ríos.

Badén: Estructura construida con piedra y/o concreto para permitir el paso vehicular sobre quebradas de flujo estacional o de flujo de aguas menores. A su vez permite el paso de agua, materiales y de otros elementos sobre la superficie de rodadura.

Bordo libre: Distancia vertical entre el nivel máximo del agua, generado por una creciente de diseño y el borde de un canal o la cresta de la cortina de la presa o de otra estructura hidráulica.

Capacidad de infiltración: Velocidad máxima a la cual el agua puede ser absorbida por un suelo por unidad de superficie y en ciertas condiciones.

Concreto: Es un material de muy amplio uso en la construcción y resulta de mezclar una pasta de cemento y agua con diversos agregados, tales como arenas y gravas, que al fraguar o endurecerse adquiere una resistencia determinada. Para confeccionar un concreto se debe tener presente el tipo de uso que se le va a dar, de ahí se deriva su dosificación o cantidades de elementos agregados que se van a utilizar.

Corriente Perenne. Una corriente que mantiene agua en su canal a través del año. Curso de Agua. Cualquier río, corriente, crique, arroyo, ramal, natural o desagüe artificial en o dentro de escorrentía de lluvia que fluye continuamente o intermitente.

Flujo Laminar. Flujo en baja velocidad en el cual las partículas de flujo se deslizan suavemente a lo largo de líneas rectas paralelas en cualquier lugar al eje de un canal o tubo.

Flujo Uniforme. Un estado de flujo uniforme cuando la velocidad media y el área de la sección transversal permanece constante en todas las secciones de un tramo. Drenaje Transversal: Es el que se refiere a las estructuras, (exceptuando puentes) el cual anda en el 2% dependiente hacia la salida del agua.

Drenaje Longitudinal: Es el que se refiere a las cunetas laterales al camino, dicha pendiente depende del control de la velocidad recomendada para evitar las erosiones.

Gaviones: Son recipientes en forma de malla de forma variada (cuadrada, rectangular cilíndrica) los cuales se rellenan con piedra balón.

Gradiente de energía: línea imaginaria que muestra la disminución o pérdida de carga total a lo largo de una conducción o de un canal. Mampostería: Es la mezcla de piedra bolón, arena, cemento y agua; que se utiliza para construir estructuras simples (sin refuerzo).

Mampostería: Es la mezcla de piedra bolón, arena, cemento y agua; que se utiliza para construir estructuras Simples (sin refuerzo).

Percolación: El movimiento de agua a través del suelo, bajo acción de la gravedad.

Piedra bolón: Son rocas superiores a los 6 centímetros de diámetro y son muy utilizadas en la construcción para diversos fines. Su mayor utilidad se transfiere a cimientos, muros y como elemento de la mampostería.

Suelo cemento: Es mejoramiento del suelo natural con cemento en proporciones de una parte de cemento, por cinco, seis u ocho partes (según sea el caso) del suelo existente.

Socavación. El claro y acción de cavar del flujo del agua, especialmente erosión hacia abajo erosión causada por la corriente de agua en filtración aparte del lodo y limo del lecho de corriente y ribera exterior de un canal curvado.

Tubificación. La formación de "tubos" por erosión subterránea. El agua en el suelo acarrea las partículas de suelo fino lejos, y el desarrollo de una serie de tubos enrodados o túneles. Estas aberturas se harán progresivamente grandes y pueden causar fallas en una presa.

Vado: Es una obra de drenaje transversal menor de bajo costo, cuya función es drenar aguas superficiales por encima del camino, sin provocar daños a la superficie de rodamiento.

Vertedero Principal. Un vertedero de una presa generalmente construido de materiales permanentes y diseñados para regular el nivel de agua de flujos normales.

IV. BASE TEORICA

4.1. GENERALIDADES

Son obras de Arte de drenaje superficial. Tienen por finalidad permitir que el agua pueda pasar de un lado a otro por encima de la carreta al nivel de la rasante, a la que se le hace una curvatura cóncava longitudinal. Se les usa para cruzar quebradas de curso eventual o permanente por las que no pasan grandes volúmenes de agua en crecientes y en las cuales el cauce es muy amplio o no están bien definidos; para pasarlos los vehículos tienen que bajar la velocidad ya que tienen que pasar sobre el agua. Si las quebradas crecen mucho llegan a interrumpir el tránsito.

Los badenes se forman mediante una mampostería o una losa de concreto a lo largo del eje del camino y de todo el largo de la desembocadura de la quebrada. Tienen en corte longitudinal forma de curva cóncava para que encauce el agua. Si se construye de concreto debe hacer dos dinteles profundos en sus extremos que le sirven como cortinas.

Si la quebrada tuviera fuerte pendiente transversal se debe proteger la salida del badén haciéndole una rampa o si no graderías, de esta manera protegemos de una socavación que ocasionaría graves problemas a la estructura.

4.2. DEFINICIÓN:

Los Badenes son obras destinadas a dejar pasar el agua sobre la carretera y al mismo nivel de la rasante, a la que se hace una pequeña inflexión: su empleo se determina al ubicar la rasante en el perfil longitudinal.

Un badén bien hecho, debe cumplir las siguientes condiciones:

La superficie de rodamiento no debe erosionarse al pasar el agua.

Debe evitarse la erosión y socavación aguas arriba y aguas abajo.

Debe facilitar el escurrimiento para evitar regímenes turbulentos.

Debe tener señales visibles que indiquen cuando no debe pasarse porque el tirante de agua es demasiado alto y peligroso.

4.3. ELEMENTOS QUE CONFORMAN UN BADEN

El badén es una obra de drenaje que se adecua a las características geométricas del cauce y tiene por objetivo facilitar el tránsito estable de los vehículos y consta de los siguientes elementos:

Plataforma o Capa de Rodadura

Muro de Pies el segmento de una circunferencia

Muros de Cabezal

Muro de Confinamiento

Plataforma o Capa de Rodadura: Es la parte fundamental del badén. En sentido longitudinal, la losa y en sentido transversal es inclinada con una pendiente del orden del 2 a 3% hacia aguas abajo.

Muro de Pie: Muro localizado en la parte de aguas abajo de la plataforma, constituye la fundación del badén y se construye a todo lo largo de este.

Muros de Cabezal: Son una prolongación del Muro de Pie en ambos extremos de este, formando un vertedero con el objetivo de ampliar la capacidad de descarga sobre el badén, y además; proteger las laderas contra la socavación.

Muro de Confinamiento: Se denomina así al muro localizado en el borde de la plataforma en el sector de aguas arriba, elemento que tiene por objetivo la protección del badén.

4.4. TIPOS DE BADENES

Los badenes se clasifican de la siguiente manera:

4.4.1. SEGÚN SU COMPOSICION:

4.4.1.1. BADÉN SIMPLE: Es el tipo de badén que consta de todos los elementos.

4.4.1.2. BADÉN MIXTO: Al badén simple que, además incluye alcantarilla para el paso del agua.

4.4.1.3. BADÉN MACIZO: La singularidad de este tipo de badén, es que su plataforma es de gran espesor. Estos badenes se diseñan para cursos de ríos o quebradas con caudales de magnitud y con arrastre de material grueso.

4.4.1.4. BADÉN COMBINADO: Son aquellos badenes que se construyen junto a otra estructura, por ejemplo un canal de riego paralelo a la plataforma como parte constitutiva de la estructura.

4.4.2. SEGÚN SU SECCIÓN

4.4.2.1. BADÉN ESTÁNDAR.

Estas estructuras están destinadas a proteger de la erosión a la carretera de pequeños cursos de agua que la atraviesan, su uso debe estar limitado a sitios con pequeñas descargas y en zonas planas.

El prototipo de la estructura presentada en el “Manual de Estructuras (Ref: C5.1.1.8)” se muestra en la figura1, puede ser construido de concreto o mampostería.

A. Criterios de diseño.

El caudal de diseño se debe calcular para un período de retorno de 50 años, usando el Método Racional.

La altura máxima alcanzada por el nivel del agua para el caudal de diseño es 30 cms.

B. Dimensionamiento del badén estándar.

El badén se comporta como una canal de superficie libre y para determinar su capacidad se propone le fórmula de Manning la que se expresa:

Siendo:

o Q, caudal en m3/s.

o n, coeficiente de rugosidad de Manning que depende de la superficie del fondo del canal. Los valores se muestran en la tabla de coeficientes de rugosidad que está en anexos.

o A, área de la sección transversal en m2

o P, perímetro mojado de la sección transversal en m2 o Rh, radio de la tubería dado por A/P (mts)

o S, pendiente longitudinal del fondo en metro por metro.

En el Cuadro siguiente se muestra el proceso de cálculo para determinar la

capacidad máxima.

Proceso de cálculo de un badén estándar

1. Determinación del caudal de diseño (Qd) por medio del método racional para un

periodo de retorno de 50 años.

2. Calculo del caudal máximo que puede transportar el badén el cual se calcula mediante

la ecuación de maning como un canal abierto triangular. Los parámetros para badén

del “manual de estructuras” son los siguientes.

o Profundidad máxima y=30cms o

Pendiente de los lados S=0.08

o Pendiente del fondo del canal S0=0.02

o Pendiente de los lados de la estructura(Z=1/0.08)=12.5 o

n=0.013 para concreto y 0.023 para mampostería

Cálculos

o Área (A)=Z*Y2, siendo “Z” la pendiente de los lados y “Y” la profundidad

=12.5*0.32=1.125m2;

o Perímetro mojado P=2*Y*(1+Z2)1/2=2*0.3*(1+12.52)1/2=7.52mts. o Radio hidráulico Rh=A/P=1.125/7.52=0.15.

o Rh2/3=0.28

o Sustituyendo en la ecuación de maning, Q=(1.125*0.28*0.021/2)/0.013=3.43m3/s

(para concreto)

o Sustituyendo en la ecuación de maning, Q=(1.125*0.28*0.021/2)/0.023=1.78m3/s (para concreto)Resultados

o El caudal para un badén de concreto =3.43m3/s

o El caudal para un badén de mampostería=1.78m3/s

3. Comparación de resultados

Si el caudal de diseño es menor que el caudal máximo, se acepta el badén estándar, caso contrario será necesario un badén trapezoidal.

4.4.2.2. BADÉN TRAPEZOIDAL.

Su función es igual que el badén estándar y se usa cuando éste no es suficiente para transportar el caudal de diseño de la cuenca.

C. Criterios de diseño.

El prototipo de la estructura presentada en el “Manual de Estructuras (Ref: C5.1.2)” se muestra en la figura, puede ser construido de concreto o mampostería:

IMAGEN 3: BADEN TRAPEZOIDAL

Al igual que el triangular el badén trapezoidal se analiza como un canal abierto, el cálculo del caudal máximo se hace por medio de la ecuación de Manning y los parámetros para un trapecio se calculan:

Área (A) = (b+z*y)*y

Perímetro mojado (P)=b+2y*(1+z2)1/2 Radio hidráulico = A/P

Donde b= ancho del fondo, y= profundidad del agua,

z =pendiente de los lados de la estructura.