Enrocado

DISEÑO DE REVESTIMIENTOS

CON ENROCADO

Ing. Edgar Rodríguez Zubiate

edgar_rz@yahoo.com

MAYO 2003

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

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

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

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

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 Kg

_masa

/m

3 2 a 3 3000 a 4000 Basalto 1.5 a 2.1 2500 a 3100 Granito 1.3 a 1.4 2300 a 2400 Concreto asfáltico 1.4 2400 Concreto armado 1.2 2200 Concreto 1.65 2650 Arena, grava (r_s – r)/r r_s Material

Masa de La piedra Kg_masa

Diámetro medio mm

D=(r_roca – r_agua) / r_agua

Relación entre el diámetro medio y masa

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

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

- Valores de C₁: - Fondo plano C₁ = 0.28 - Talud 1V:3H C₁ = 0.28 - Talud 1V:2H C₁ = 0.32 - Valores de C₂ - Tramos en curva C₂ = 1.5

- Tramos rectos C₂ = 1.25 - En el extremo de C₂ = 2.0 -espigones 3 1 50

_C

_F

y

d

?

F

?

C

₂

V

_gy

3.2.1 CAPA DE PROTECCION DE ENROCADO (continuación)

b.

Tamaño de las rocas (continuación)

•

Fórmula de Isbash

Donde: d = diámetro de las rocas

r

_r

= densidad de las rocas

r = densidad del agua

•

Fórmula de Goncharov

gd

V

?

1

.

7

?

? ? ? ? ? ? r d y Log gd V 8.8 75 . 0 ? ?

VELOCIDAD CRITICA PARA PIEDRAS

h = tirante de flujo

3.2.1 CAPA DE PROTECCION DE ENROCADO (continuación

)

b.

Tamaño de las rocas (continuación) b1 Fórmula de Levi

b2 Recomendación del U.S.Department of Transportation

Sistema inglés

El tamaño recomendado de la roca es:

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 2 . 0

)

(

4

.

1

d

y

gd

V

?

?

)

/(

001

.

0

3 0.5 ₁1.5 50

V

y

K

d

I

?

5 . 0 2 2 1

?

(

1

?

(

sen

?

/

sen

?

))

K

I o

d

C

d

₅₀

?

₅₀

C

_o

?

C

_sg

C

_sf 1.5 ) 1 /( 12 . 2 ? ? DR C_sg 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

1.6 – 2.0 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

1.3 – 1.6 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

1.0 – 1.2 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

FS Condición

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 (*)

>4.5 4.0 3.0 2.0 1.0

Peso específico del material, en Kg/m3

1600 1800 2000 2200 2400 Velocidad de la corriente V₁,en m/s 6 12 26 46 70 6 13 28 50 77 7 13 31 54 85 8 16 34 60 8 18 38 68

3.2.1 CAPA DE PROTECCION DE ENROCADO (continuación)

(*) En el cuadro anterior, si el tirante y es diferente de 1 m: , donde

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

Se tiene una ola , de altura H, longitud L, que impacta sobre un

enrocado, avanzando hacia arriba, luego el agua regresa a lo largo del

talud.

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:

a

y

V

V

?

₁

y

a

?

?

2

1

L

H

y

a

3.2.1 CAPA DE PROTECCION DE ENROCADO (continuación)

b4. Resistencia contra la acción de las olas (continuación)

- Fórmula de Iribarren

- Fórmula de Hudson

Donde:

r_r = densidad de la roca en K_masa/m3

r = densidad del agua en K_masa/m3

M = masa de la roca en Kg_masa

3 3 3 ) (cos? ? ? sen fH M r ? ? ? 0.039 0.029 0.028 0.25 0.3 0.4 1V:3H 0.028 0.019 0.018 0.25 0.3 0.4 1V:2.5H 0.021 0.015 0.014 0.25 0.3 0.4 1V:2H f y/L Talud 3 3 2 . 3 tan ? ? H ? r ? M

?

?

?

?

?

?

r

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

d

50 debe ser

aproximadamente 2

- La relación entre

d

50 y

d

20 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) 15 0.1 W50 a 0.2 W50 0.4 D50 a 0.6 D50 50 1.0 W50 a 1.5 W50 1.0 D50 a 1.15 D50 85 2.0 W50 a 2.75 W50 1.2 D50 a 1.4 D50 100 3.0 W50 a 5.0 W50 1.5 D50 a 1.7 D50 Porcentaje de graduación Menor que Rango de peso de la roca (libras) Rango del tamaño de

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

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:

d

50(del filtro) /

d

50(del terreno < 40

drenado )

5 <

d

15(del filtro)

/

d

15(del terreno < 40

drenado )

d

15(del filtro)

/

d

85(del terreno < 5

drenado )

Se sugiere que el espesor mínimo del filtro de grava sea la mitad del espesor del enrocado

3.2.2 FILTROS (continuación)

a.

Filtros de material Granular (continuación)

- Terzaghi recomienda que la granulometría de los filtros debe

cumplir con las siguientes ecuaciones:

5 <

d

15

(del filtro) /

d

15

(del terreno

drenado )

d

15

(del filtro) /

d

85

(del terreno < 4

drenado )

3.2.2 FILTROS (continuación)

b. Filtros de Geotextil

b1 Ventajas y desventajas

Los filtros sinteticos son otra alternativa con respecto a los filtros granulares. Ventajas:

- La instalación es generalmente rápida y eficiente

- Son consistentes y tienen una calidad de material más confiable

- Son capaces de deformarse con el enrocado y permanecen continuos Desventajas:

- Puede haber dificultad para colocarlos debajo el agua

- El desarrollo de bacterias dentro del suelo, o sobre el filtro puede alterar el comportamiento hidráulico definido en las especificaciones de fábrica

3.2.2 FILTROS (continuación)

b.

Filtros de Geotextil (continuación) b1 Características del geotextil

Los geotextiles que se colocan debajo de los enrocados de protección se recomiendan que cumplan con las siguientes especificaciones mínimas :

• Geotextil no tejido, de fibras continuas termoligado, de polipropileno estabilizado (para garantizar su resistencia al reventamiento durante el colocado de las piedras), del tipo Typar o similar, imputrescible

Valor Norma Unidades Ensayo 200 (min) D-3776 Gg/m2 - Peso 2.0 (min) D-1777 mm - Espesor 330 (min) D-4533 N - Resistencia desgarre longitudinal

330 (min) D-4533

N - Resistencia desgarre transversal

50 (max) D-4731 Malla - A.O.S 1 (max) D-4751 mm - Luz 400 min) D-3787 N - Resistencia a la perforación

3.2.2 FILTROS (continuación)

b. Filtros de Geotextil (continuación)

b2 Colocación

•

Un buen contacto entre el geotextil y el suelo es esencial. Por esta

razón la superficie de la ribera o del dique debe ser una superficie

lisa, libre de protuberancias, depresiones y lentes de material suelto

•

Debe ser colocado suavemente, sin pliegues, de arriba hacia abajo

•

Se debe tener mucho cuidado al colocar el enrocado, pues puede

romper el geotextil

•

Si las rocas tienen aristas filudas se debe colocar una subcapa

granular entre el enrocado y el geotextil

•

Despues de colocar el enrocado, el geotextil debe ser aseguardo al

pie de este, tal como se indica en la figura, y anclado en la parte

alta de la ribera o dique

Colocación del geotextil

Introducir el geotextil dentro

de la base del enrocado

Geotextil

1

3.2.3 PROTECCION 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

1.5 dg

Filtro

3.2.3 PROTECCION DEL PIE DEL TALUD (continuación)

•

Tal como se observa en la figura siguiente el enrocado al

pie del talud es colocado en una zanja a lo largo de todo el

tramo protegido, cuyo tamaño esta relacionado con la

profundidad de socavación general d

_g

.

•

Se debe tener mucho cuidado, durante la colocación de las

piedras que no se formen montículos, generando un dique

bajo. Estos montículos a lo largo de la base del talud

podría resultar en una concentración de flujo a lo largo del

tramo enrocado, produciendo su falla.

Enrocados existentes en ríos europeos

• Los extremos del tramo protegido deben tener un tratamiento adecuado, de tal manera que no haya peligro de que los flujos de avenida tiendan tambien a discurrir por debajo de los enrocados, haciendoles fallar.

• En cada extremo debe haber un anclaje hacia el interior de la ribera. En la siguiente figura se muestra una instalación típica de enrocado en los extremos del tramo protegido.

A A B B

dirección del flujo 3T (min) T 1.5 2T (min) Relleno 1.5 m (min) compactado 3T T Sección AA Sección BB

PUENTE BOLOGNESI EN PIURA EN 1998, DURANTE

PUENTE BOLOGNESI EN PIURA EN 1998, DURANTE

LA OCURRENCIA DEL FENOMENO

PUENTE BOLOGNESI, EN PIURA, TRAMO INTERMEDIO CAÍDO A

RAÍZ DEL FENÓMENO “ EL NIÑO” 1998

COLAPSO DE ESTRUCTURAS DEBIDO A INUNDACIONES

COLAPSO DE ESTRUCTURAS DEBIDO A INUNDACIONES

Un puente puede colapsar por:

-No haber definido adecuadamente la luz y la

altura del puente.

-Fenómenos de socavación general , socavación

por contracción , socavación local en pilares y

estribos.

a. EFECTOS DE UN PUENTE SOBRE EL

COMPORTAMIENTO DEL RIO

-

La construcción de pilares y estribos de

un puente, y de las estructuras de

protección de las riberas, influyen en el

tránsito de avenidas

-

Esto hace que existan cambios

morfológicos en el río, en la geometría

del cauce, en la relación entre los niveles

de agua y descarga

b. ESTUDIOS DE HIDRÁULICA PARA EL

DISEÑO DE PUENTES

?

Cálculo de perfiles de flujo.

?

Problemas de socavación.

?

Fuerzas sobre pilares de puentes.

?

Control de erosión en puentes y en las

DEFINICIÓN TÍPICA DE LA CONTRACCIÓN DEL FLUJO EN UN

PUENTE SOBRE UN RIO CON LLANURAS DE INUNDACION

Tipos de socavación

• Variaciones del nivel del cauce a lo largo

de río

• Socavación por contracción

• Socavación local

– En pilares

– En estribos

– En diques

DIVERSAS CLASES DE EROSIÓN QUE AFECTAN A LOS PUENTES

ESQUEMA

GENERAL DEL

FLUJO

ALREDEDOR

DE UN PILAR

CON FRENTE

REDONDEADO

MECANISMO DE EROSIÓN LOCAL

EN PILARES

DE PUENTES

MECANISMO DE EROSIÓN LOCAL

EN PILARES

DE PUENTES

Vórtice de Herradura Vórtice de Herradura Vórtice de Estela Vórtice de Estela

Típico problema de escombros atrapados

en pilar circular.

VISTA DE SOCAVACIÓN LOCAL EN PILAR FUNDADO SOBRE

PILOTES Y ESCOMBROS ATRAPADOS POR ÉSTE.

Erosión Local Nivel

del lecho

natural _{Nivel luego de la} erosión general Flujo Enrocado de protección PILAR _a 2.5 a 3.0 a a PILAR

ENROCADO DE

PROTECCION

ALREDEDOR DE

UN PILAR,

RECOMENDADO

POR GALES

OBRAS DE CAPTACION :

OBRAS DE CAPTACION

Las grandes avenidas pueden originar el colapso de las

estructuras de captación, debido por ejemplo:

DISIPADORES DE ENERGIA RECOMENDADOS POR EL U.S. BUREAU OF RECLAMATION (Presas, bocatomas, rápidas, etc)

Control de Filtración d₁ d₂ S S = camino de percolación *

3

/

1

L

L

C

H

S

?

?

_H

?

?

_V

?

_L C_L = coeficiente de Lane 1.6 a 3 Arcilla 3.0 Bolonería, gravas y arena 4.0 Arena gruesa, gravas

7.0 Arena fina

8.5 Arena fina y limo

C

_L

Erosión aguas abajo del tanque de amortiguación

d₁

H_*

d_L

La extensión y profundidad de la socavación local depende de los parámetros hidráulicos, de la geología y de la geometría del tanque. Novak da la siguiente fórmula:

)

)

/

(

6

(

55

.

0

H

_*0.25

q

0.5

y

₀

d

₉₀ 1/3

y

₀

d

_L

?

?

Donde: H_* = es la diferencia entre los niveles de aguas arriba y aguas abajo (m) y₀ = es el tirante en el cauce de aguas abajo (m)

q = es el caudal por unidad de ancho (m2_/s)

d₉₀ = es el tamaño del 90% del grano de sedimento que conforma el lecho del río (mm)

d₁ d₂

L_{1 L}

2

Filtro

L₂ L₃

Delantal flexible (rocas)

Delantal de piedra en bloque

Delantal flexible de piedras colocadas

Protección con enrocado

L₁ = 2 d₁ L₂ = 1.5 d_{2 L} 3=2.5d2 Según Bligh: L2 = 0.6 C_B H_*1/2_{(1.12(q H} 1/H*1/2 – 1) H_* H₁ 18 9 4 - 6 Arena fina y limo

Arena gruesa

Bolonería, gravas y arena

C_B Lecho del cauce