Diseño de Enrocado

5/24/2018 Dise o de Enrocado

1/17

3.0 CRITERIOS Y METODOS DE DISEO DEL DIQUE DE ENROCADOS

3.1 Consideraciones para la seleccin del dique de enrocado

En las obras de defensa riberea del ro Ilabaya-Locumba, entre los sectores deChejaya y Oconchay, se evaluaron las siguientes alternativas de proteccinlongitudinales de las mrgenes del ro: diques de enrocados y los gaviones.Considerando las caractersticas morfolgicas, mecnica de transportes desedimentos e hidrulicas predominantes en los tramos evaluados del ro Ilabaya-Locumba, que son tpicas de los ros de montaa, se adopt la proteccin con diquesde enrocado por presentar condiciones de estabilidad contra la erosin y socavacinpor flujos hiperconcentrados. Esta alternativa adoptada ha sido la recomendada en elestudio de hidrulica fluvial y transporte de sedimentos.

Las consideraciones especficas para adoptar la alternativa de dique de enrocadofueron las siguientes:

Son las protecciones que han funcionado en ros del pas con alta pendiente eintenso transporte de slidos (ros de montaa), como es el caso del tramoevaluado del ro Ilabaya.

Son estructuras que fijan la margen en forma definitiva, de acuerdo a una vida tildeterminada, sin permitir ningn desplazamiento posterior.

Son protecciones de tipo flexible que se ajustan a cualquier movimiento del taludresultante de asentamientos y/o deslizamiento pequeo.

Su construccin no disminuye el rea hidrulica del cauce del ro.

Disponibilidad de canteras de roca dentro de la zona del proyecto para el enrocadoy de material del lecho para la conformacin del dique del enrocado.

Si bien el costo del dique de enrocado es mayor que la alternativa de gaviones, losgaviones no aseguran un funcionamiento estable sin peligro de colapso. De hecho, elintenso transporte de slidos producira la rotura de las mallas de alambre por la altafrecuencia de impacto de las piedras y sedimentos gruesos sobre los gaviones. Dehecho, la experiencia en el ao 2000 del colapso de los gaviones a la primera avenidaen los ros Siguas y Majes (en tramos con pendiente baja) demostr la ineficacia delos gaviones frente a las avenidas con alta carga de sedimentos. Esto evidencia que laaplicacin de los gaviones en el ro Ilabaya-Locumba sera totalmente ineficaz, dadas

las condiciones morfolgicas complejas del ro, presencia de flujos hiperconcentrados,mecanismo complejo de transporte de slidos, y las condiciones de hidrulica demontaa.

Por otro lado, las condiciones particulares de los tramos del ro comprendidos entre lossectores de Chejaya y Oconchay, requieren del mantenimiento anual permanente delos diques de enrocado. Las actividades de mantenimiento estarn constituidas por lalimpieza del cauce para la recuperacin de su rea hidrulica til, y el mantenimientodel dique de enrocado.

3.2 Criterios de diseo

Los criterios de diseo adoptados corresponden a las normas, reglamentos yrecomendaciones tcnicas internacionalmente aceptadas para el diseo de obras de


2/17

enrocado de proteccin en ros de lecho granular. Los criterios de diseo del dique deenrocado aplicados fueron:

Variables y parmetros de flujo y de transporte de sedimentos correspondientes alas avenidas de diseo para periodo de retorno de 100 aos de 54.8 m3/s (Tramo1); avenidas para periodos de retorno de 50 aos de 50.6 m3/s (Tramo 2), de 63.2m3/s (Tramo 3), de 71.5 m3/s (Tramo 4) y 81.0 m3/s (Tramo 5).

Estabilidad del dique de enrocado basados en la determinacin analtica de losesfuerzos cortantes y la resistencia del enrocado a las fuerzas erosivas.

Resistencia del enrocado en relacin a las velocidades mximas del flujo en lasinmediaciones del enrocado.

Considerar en la resistencia del enrocado la interrelacin de los siguientesfactores: tamao, peso, gradacin y forma de la roca; talud del enrocado;rugosidad, forma, alineamiento y pendiente longitudinal del cauce; espesor de la

capa del talud del enrocado, profundidad y ancho de la ua del enrocado;procedimiento de colocacin del enrocado.

3.3 Mtodo del Estado de California

De acuerdo al Bank and shore protection in California highway practice de la Divisinde Puentes del Estado de California (1960), el tamao mnimo de la roca de unaproteccin de enrocado puede determinarse mediante la siguiente ecuacin:

3

2

1cos00002.0

G

zecGVW

(3.1)Donde:

V Velocidad del flujo, adyacente a la margen del enrocado (m/s)W Peso mnimo de la roca (kg).

z Pendiente del talud del enrocado. Angulo de reposo de la colocacin de la roca (aproximadamente 70)G Gravedad especfica de la roca.

El dimetro de la roca en funcin del peso de la misma, se obtiene por la siguienteexpresin:

3/16

s

WD

(3.2)Siendo:

D Dimetro de la roca (m)W Peso mnimo de la roca (kg)s Peso especfico de la roca (kg/m3)

En base a estas relaciones, se pueden determinar los distintos tamaos de roca

necesarios para la conformacin del enrocado, previa estimacin de la fuerza cortanteoriginadas por las velocidades que ocurren en la zona adyacente al talud y ua delenrocado.


3/17

3.4 Mtodo del Cuerpo de Ingenieros del Ejrcito de EEUU

Segn el presente mtodo, el buen funcionamiento de un dique de enrocado estrelacionado con las fuerzas hidrodinmicas de arrastre y ascensional, que sonproducidas por las velocidades del flujo y son proporcionales al esfuerzo cortante local.

Esfuerzo cortante promedio

El esfuerzo cortante promedio, que acta sobre el permetro mojado de una seccindel cauce donde el flujo es uniforme y el alineamiento del ro es recto, est dado por:

SR

0

(3.3)Donde:

0 Esfuerzo cortante promedio (kg/m2)

Peso especfico del agua; (kg/m3)

R Radio hidrulico (m)S Pendiente de la lnea de energa (m/m)

La ecuacin de Chezy puede expresarse de la manera siguiente:

21

RSCV (3.4)

Siendo:

V Velocidad media del agua (m/seg)C Coeficiente de Chezy

22 /CVSR

(3.5)

Sustituyendo se tiene:

22

0 /CV

(3.6)

Para canales rugosos, Ven Te Chow presenta la siguiente ecuacin para calcular elvalor Cde Chezy para canales rugosos:

K

RC

2,12log18 10

(3.7)

Sustituyendo la Ec. (3.7) en la Ec. (3.6) se tiene


4/17

2

10

2

0

2,12log18

K

R

V

(3.8)

Donde:

K Rugosidad equivalente de la superficie del canal en metros

Esfuerzo cortante local

En un cauce muy ancho, el radio hidrulico se aproxima al tirante, de manera que R =y. Si se sustituye la velocidad V, por Vypromedio de velocidad en la vertical, el valor Kpor el dimetro de la roca D50, en metros. La Ec. (3.8) se convierte en:

2

50

2

0

2,12log18

D

y

Vy

(3.9)

Esta ecuacin representa el esfuerzo cortante en cualquier punto sobre el permetromojado. Esta ecuacin se encuentra representado por la Figura 3.1.


5/17

Figura 3.1 Grfica de la Ec. (3.1)

Esfuerzo Cortante en curva

Los valores de los esfuerzos cortante locales obtenidos por la Ec. (3.9) debern ser

multiplicados por la relacin ba , obtenido de la Figura 3.2, para obtener el valor del

esfuerzo cortante local en la curva b .

a Esfuerzo cortante promedio en el cauce aguas arriba

b Esfuerzo cortante local afectado por la curva

Figura 3.2 Esfuerzo de corte en curvaturas

Esfuerzo cortante para diseo de enrocado

Se refiere al valor del esfuerzo cortante local que en una roca de determinado tamaoresiste con condiciones de seguridad. El esfuerzo cortante local permisible sobre elfondo de un cauce plano se expresa como:

50Da s (3.10)

Siendo:


6/17

s Peso especfico de la roca

Peso especfico del agua

a Coeficiente igual a 0.04

50D Dimetro promedio de la roca

Esfuerzo cortante local en el fondo del canal

21

2

2

1

sen

sen

(3.11)Donde

Esfuerzo cortante de diseo en los taludes

Angulo del talud con la horizontal

Angulo de reposo del enrocado, generalmente 40

La Ec. (3.11) est representada en la Figura 3.3. El esfuerzo cortante local encualquier punto de la seccin del cauce protegido con roca no deber exceder el valorde diseo permisible, obtenidos por las Ecs. (3.10) y (3.11).

0

El valor mnimo para cotg debe ser z, es decir m = 2.

Figura 3.3 Relacin de esfuerzos cortantes


7/17

21

2

2

1 1

sen

senK

(3.12)

Esfuerzo cortante de diseo en fondo del canal

Relacin entre esfuerzos cortantes de diseo de fondo y talud para canales o caucestrapezoides.

3.5 Mtodo de Simons y Senturk

El mtodo argumenta que la estabilidad de una sola partcula o piedra es funcin delas caractersticas geomtricas y sedimentolgicas de la partcula en consideracin.En la siguiente Figura 3.4, se presenta el esquema de definicin de los clculos delmtodo.

El factor de seguridad (FS) tiene la siguiente expresin:

costan'

tancos sen

FS

(3.13)


8/17

Figura 3.4 Esquema de definicin del mtodo de Simons y Senturk

El nmero de estabilidad para las partculas localizadas en el talud ():

2

1'

sen

(3.14)

Angulo entre el vector velocidad y la horizontal, ambos medidos en el plano deltalud.

Angulo de la direccin del movimiento o desplazamiento de la partcula.

El nmero de estabilidad es ():

DSss

1

21

(3.15)


9/17

s Esfuerzo de corte o fuerza tractiva que produce en el talud que tiene ngulo de

inclinacin

D Dimetro de la partcula, para efectos de clculo se toma como el 50D

sS Gravedad especfica de los slidos

Peso especfico o peso unitario del agua

Direccin de desplazamiento nde la partcula ():

sensen

tan

2

costan 1

(3.16)

La solucin de las Ecs. (3.13), (3.14), (3.15) y (3.16), permite conocer el factor deseguridad para una partcula con un dimetro D, peso sumergido, ngulo de reposo ,con talud de ngulo de inclinacin , sometido a una velocidad V, la cual hace unngulo con la horizontal, y produce un esfuerzo de corte sen el talud.

Si FS es mayor que la unidad, el enrocado no falla; pero si es igual o menor que launidad, el enrocado se encuentra en condicin lmite de movimiento incipiente ofallara.

3.6 Mtodo de Neill

Este mtodo se basa en la recopilacin y sistematizacin de varias curvas utilizadaspor diversas oficinas pblicas de los EEUU. Para fines de diseo propone una curvade diseo, cuya aplicacin requiere conocer la velocidad que acta sobre los taludes.Cuando no se dispone de esta informacin, Neill propone los siguientes criterios parala velocidad de diseo:

a) En canales rectos se debe adoptar 2/3 de la velocidad media de la seccin.b) En curvas pronunciadas se de adoptar 4/3 de la velocidad media de la seccin.

3.7 Correccin por curvaturas

La parte cncava de los enrocamientos localizados en curvas muy pronunciadas del

ro, presentan velocidades superiores a la velocidad media de la seccin. El Bureau ofReclamation de EEUU recomienda la aplicacin de la frmula propuesta por Grashov,que establece que el esfuerzo cortante promedio en las curvas es superior al esfuerzocortante promedio en la seccin aguas arriba de la curva. La frmula se expresa como:

5.0

65.2

w

r

a

b

(3.17)

b Esfuerzo cortante promedio en la curva

a Esfuerzo cortante promedio en el cauce aguas arribar Radio curvatura del eje central de la curva


10/17

w Ancho de la superficie del agua

Para un ro de gran anchura (R = y), se obtiene los siguiente factores de correccin dela Ec. (3.15) para el lecho y talud del enrocado:

Sy

w

rb

5.0

65.2

(3.18)

Syw

rb

5.0

98.1

(3.19)

En valor s de la Ec. (3.15) debe hacerse igual a b de las Ecs. (3.18) y (3.19) para

considerar la correccin por curvatura. En general, el valor de D50 obtenido por

cualquier mtodo para el alineamiento recto, debe ser corregido por el siguiente factorpara considerar el efecto de la curvatura:

50

5.0

50 65.2)( Dw

rcorregidoD

(3.20)

3.8 Filtros

Debajo de la proteccin de enrocado se colocar una capa de filtro de 0.30 m deespesor, con la finalidad de evitar el lavado de los materiales finos a travs delmaterial utilizado como proteccin. No se recomienda colocar geotextiles.

Si se cumple la siguiente relacin, no se requiere filtro.

5)(

)(

85

15 taluddematerialD

enrocadoD

(3.21)

De lo contrario, se deber colocar el filtro. Segn el criterio de Mitchell, el filtro sedisea con las siguientes relaciones:

5)(

)(

85

15

taludD

filtroD

(3.22)

10)(

)(

85

15 filtroD

enrocadoD

(3.23)

Segn el criterio de Simons y Senturk:

40

)(

)(

50

50 taludD

filtroD

(3.24)


11/17

40)(

)(5

15

15 taludD

filtroD

(3.25)

5)()(

85

15 taludDfiltroD

(3.26)

3.9 Profundidad de ua de enrocado

La profundidad de enrocamiento o la profundidad de la ua del enrocado deproteccin, se determina por la profundidad de socavacin general del lecho del ro.En el diseo del enrocado se utilizan el mtodo de LichtvanLebediev y el mtodo de

Electricidad de Francia.

Mtodo de LichtvanLebediev

Para el caso de cauce definido y suelo no cohesivo, la profundidad del agua despusde haberse producido la socavacin general en el cauce es:

x1

1

0.2850

5/3n

S)(d0.68

)(YH

(3.27)

Para el periodo de retorno de 100 aos, la probabilidad de ocurrencia es del 1%, y porlo tanto =1. Para el periodo de retorno de 50 aos, la probabilidad de ocurrencia es2% y =0.97. Por tablas se estima x y 1/(1+x). Entonces:

5/3

me

d

HB

Q

(3.28)

donde, Be es el ancho efectivo del ro, d50 es el dimetro de la partcula, e Ynes eltirante del flujo.

Mtodo de Electricidad de Francia

La profundidad de la socavacin general a partir del lecho es:

n1/650

2/3

2/3

S YdB

QH

(3.29)

siendo, Qel caudal de diseo, Bes el ancho del ro, d50es el dimetro de la partcula,e Ynes el tirante del flujo.


12/17

3.10 Gradacin del enrocado

Simons (1977), sugiere que la distribucin de tamaos del enrocado debe seguir unacurva suave, tal que la relacin entre el tamao mximo y el tamao medio seaalrededor de 2.0, y la relacin entre D50y D20debe ser tambin aproximadamente 2.0.Entonces, la gradacin del enrocado deber cumplir con la siguiente relacin:

100% 2 D5050% D5020% 0.5 D501% 0.1 D50

Los enrocados compuestos de rocas de forma angular se comportan mejor que losformados por rocas redondeadas.


13/17

4.0 REDISEO DEL DIQUE DE ENROCADOS

4.1 Sistematizacin del proceso de diseo de dique de enrocados

El diseo de los diques de enrocado en los distintos sectores del tramo Chejaya-Oconchay donde se requieran, demanda su sistematizacin en funcin del caudal dediseo, la variabilidad de la pendiente longitudinal del cauce, ancho del cauce,curvatura, material del lecho y mrgenes, caractersticas del transporte de slidos, lamargen o mrgenes a proteger, y las condiciones particulares del relieve y morfologadel cauce.

Teniendo como insumo los datos de las variables y parmetros del flujo de lasavenidas de diseo, as como de los parmetros morfolgicos del cauce actual, seprocedi a realizar el diseo sistematizado de los diseos de los enrocados deproteccin, aplicando los mtodos del Estado de California, Cuerpo de Ingenieros delEjrcito de EEUU, Simons y Senturk, y Neill. Los resultados de los diseos delenrocado fueron sistematizados para estandarizar el dimensionamiento del dique de

enrocados en cuatro tipos bsicos.

4.2 Diseo del dique de enrocado por distintos mtodos

Teniendo en consideracin los resultados del estudio de hidrulica fluvial y transportede sedimentos, as como los resultados de las variables y parmetros de flujo del roIlabaya, se determinaron los dimetros medios de la roca del talud del enrocado porlos cuatro mtodos indicados, segn el esquema de diseo del dique de enrocado(Figura 5).

Los dimetros de la roca del talud obtenidos por los distintos mtodos difieren entreellos. Los dimetros resultantes con los mtodos del Estado de California y el Cuerpo

de Ingenieros del Ejrcito de EEUU, son subestimados por la aplicacin del criterio deShields para estimar el esfuerzo cortante en el talud y el lecho del cauce. Es conocidoque la validez del criterio de Shields ha sido verificada en ros de baja pendiente, perono es aplicable a los ro de alta pendiente como es nuestro caso. Sin embargo, elestado actual del conocimiento en la hidrulica de los ros de montaa no reporta unamtodo ad hoc para disear diques de enrocado en ros de montaa. Por lo tanto, losresultados con el mtodo de Simons y Senturk son crebles desde el punto de vistaingenieril, dado que el sustento del mtodo recoge los recientes avances en laingeniera hidrulica. El mtodo de Neill produce resultados mayores a los de Simonsy Senturk.


14/17

Figura 4.1 Esquema de diseo del dique de enrocado

En el Anexo II, se presentan los resultados detallados en hoja de clculo Excel, quesustentan los dimetros D50de la roca del talud de enrocado por los cuatro mtodosindicados. Para fines de diseo se adoptan los dimetros estimados con el mtodo deSimons y Senturk.

La profundidad de enrocamiento, tambin denominado profundidad de la ua deenrocado Hs, fue estimada por los mtodos de LichtvanLebediev y de la Electricidadde Francia, que son mtodos para calcular la socavacin general en el lecho de roscon materiales granulares. Los resultados obtenidos por el segundo mtodo son enpromedio el 60% de los valores obtenidos con el mtodo de LichtvanLebediev. Parafines de diseo del enrocado, se adoptaron los resultados obtenidos con el mtodo deLichtvan Lebediev, cuyos valores de las profundidades mximas promedios de

socavacin en el lecho del cauce, son del rango de 1.50 m a 2.00 m para las avenidamximas correspondiente a perodos de retorno de 100 aos y 50 aos.

En el Anexo II, tambin se consignan los resultados con el mtodo de Simons ySenturk de los parmetros y variables de flujo, que sirven de insumo para el diseo delenrocado en los cinco tramos del ro Ilabaya-Locumba. En los cuadros de resultados,tambin se indican las profundidades de enrocamiento. En el Plano D-02 del Anexo dePlanos, se presentan los diseos y especificaciones tcnicas de los cuatro tipo deenrocados.

4.3 Estandarizacin del diseo del dique enrocados

Los resultados de los diseos de los enrocados para las distintas secciones de loscinco tramos del ro Ilabaya-Locumba, fueron analizados y en sus rangos devariabilidad para la estandarizacin del dimensionamiento y seleccin de loselementos estructurales de los diques de enrocado. La estandarizacin result encuatro tipos bsicos de diseo de enrocados, las cuales se muestran en el siguientecuadro:

Cuadro 4.2 Estandarizacin del diseo de los diques de enrocado para el TramoChejaya Oconchay del ro Ilabaya

TIPO H (m) HS C D50(Talud) D (Ua) Rango STIPO IV 1.80 2.00 2.50 1.00 1.50 S > 4.0%

TIPO III 1.80 1.50 2.50 0.80 1.20 4.0% > S > 3.0%

TIPO II 1.60 1.50 2.50 0.60 1.20 3.0% > S > 2.0%

TIPO I 1.60 1.00 2.50 0.60 1.00 S < 2.0%

Dado que el transporte de sedimentos es uno de las principales causas que propician

los desbordes e inundaciones en el ro Ilabaya-Locumba, la altura del dique deenrocado debe considerar adems del tirante del flujo y el borde libre, una alturadestinada al espesor de material de arrastre de fondo y el material colmatado, as


15/17

como una altura adicional por turbulencias. En las curvaturas, se consider una alturade sobre-elevacin de la superficie libre de agua. Para estimar conservadoramente laaltura del dique de enrocado, se consider el tirante del flujo calculados con el criteriode Jarrett, a fin de absorber en parte los tirantes adicionales a la capa de materialesslidos y la altura de turbulencias. La altura del borde libre tambin se tomconservadoramente para absorber las incertidumbres, y el valor fue mayor que el 30%del tirante del flujo calculado.

Para estimar del dimetro se la roca en el talud del enrocado, se utiliz el tirante delflujo resultante con el mtodo de la hidrulica convencional (aplicacin de la rugosidadde Manning). Este mtodo produce valores de tirante menores y velocidades mayores,que resultan en esfuerzos de cortes mayores, es decir, mayores dimetros de roca.Sin embargo, la seleccin del tipo de enrocado para los distintos tramos de ro,depende de la pendiente longitudinal del cauce, particularidades de la morfologa,antecedentes de desbordes, y otras consideraciones fsicas del sitio del ro donde seemplazar o se proteger con una obra de defensa riberea.

Se adoptaron los valores del dimetro de la roca en la ua de D (ua)

1.5 D50 , elancho de la base de la ua C > 1.5 D50, y pendiente del talud de enrocado 2H:1V.

El diseo de los filtros se realiz aplicando las relaciones establecidas en el tem 3.8.Conforme se estableci en el tem 3.10, la granulometra del enrocado ser lasiguiente:

100% 2 D5050% D5020% 0.5 D501% 0.1 D50

Espesor de la capa de enrocado

El espesor del enrocado para una colocacin prctica, no deber ser menor de 30 cm,y deber aumentarse en un 50% cuando el enrocado es colocado bajo agua, comoprevisin por la incertidumbre asociada a este tipo de colocacin.

Colocacin del enrocado

La colocacin del enrocado se har volcando el material sobre el talud preparado ysobre el filtro, de manera tal que no se produzca segregacin. El enrocado deber serde roca bien gradada y los intersticios deben ser rellenados con las rocas de menortamao, para que se produzca el menor porcentaje de vacos. El colocado delenrocado deber ser en su espesor total y en una sola operacin, de manera de evitarel desplazamiento del material que se encuentra debajo; por consiguiente, no debercolocarse el enrocado por capas.


16/17


17/17

Diseño de Enrocado

Documents

Transcript of Diseño de Enrocado