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MINISTERIO DE AGRICULTURAINSTITUTO NACIONAL DE RECURSOS NATURALES

INTRODUCCION A LOS PROYECTOS DE

DEFENSAS RIBERENAS

MSc. Ing. Roberto Campaña Tororcampana@uni.edu.pe

SETIEMBRE 2002

CONTENIDO

I. – Relevancia de la erosión de riberas.II.- Mecanismos de la erosión de riberas.\III.-Medidas de IngenieríaIV.- Fundamentos de Hidráulica Fluvial aplicables al diseño de Defensas Ribereñas.

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I.- RELEVANCIA DE LA EROSION DE RIBERAS EN EL PERU

La erosión de riberas ocasiona muchas pérdidas en diferentes sectores.

Agricultura.Infraestructura de riegoEstructuras ubicadas en márgenes

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II.- MECANISMOS DE EROSION DE RIBERAS

EROSION DE RIBERAS POR FLUJOS EN CURVAS

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La migración de meandros se produce por el continuo proceso de erosión de curvas.

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Se debe al flujo helicoidal que produce altas velocidades en las curvas exteriores y bajas velocidades en las curvas interiores.

Mientras que en la curva exterior se espera erosión (zona "pool"), en la curva interior se espera sedimentación (zona "point bar)

Como consecuencia de este proceso la sección de curva de un río presenta una pendiente transversal típica

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Efectos erosivos sobre un puente ubicado en una curva

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Modelación Matemática

EROSION DE RIBERAS POR SOCAVACION GENERAL DEL CAUCE

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Es el descenso temporal del fondo de un río producido por una creciente o avenida.

Se debe al aumento de la capacidad de arrastre del material sólido de la corriente originado por su mayor velocidad.

EROSION DE RIBERAS POR PERTURBACIONES LOCALES

DEL FLUJO

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Los procesos de erosión local, se originan en movimientos vorticosos que ocurren al pie de obstáculos puntuales al flujo en un curso fluvial.

Se circunscribe a un lugar determinado, y a veces también está limitada a una cierta duración. Rocha (1999)

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EROSION POR CONSTRICCION DEL CAUCE

III.- MEDIDAS DE INGENIERIA

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Las medidas de ingenieria aplicadas en las defensas ribereñas son de dos tipos:

– Revestimiento de Orillas– Alejamiento del Flujo de Orillas

Revestimiento de Orillas

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Gabiones

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Revestimiento de Enrocado

Matrices de Roca y Alambre

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Sacos de Arena

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Matrices de Concreto Articulado

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Estructuras de Control de Flujo

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Espigones

Espigones Permeables

Permiten el flujo a través de ellos, pero a velocidades reducidas, previniendo así mayores erosiones de riberas y causando deposición del sedimento suspendido en el flujo.

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Pilotes de Madera

Tripodes de Madera

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Espigones de Cables de Acero

Espigones Impermeables

La función de los espigones impermeables es desviar el flujo fuera de las orillas,a fin de protegerlas de sus efectos erosivos.

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Jetties

Son elementos que proporcionan rugosidadadicional al canal o planicies inundables para mantener la corriente principal a lo largo de un camino pre-establecido.

La rugosidad adicionada a lo largo de las orillas reduce la velocidad y protege las orillas de erosión.

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ESTRUCTURA DEL PROYECTO

El desarrollo de un proyecto tiene las siguientes fases: – Reconocimiento de Campo.– Estudios Básicos– Diseño de la solución– Preparación de Expediente Técnico

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RECONOCIMIENTO DE CAMPO:

- El objetivo del reconocimiento de campo es tener una apreciación general del comportamiento del río

- Antes de iniciar el reconocimiento de campo se debe examinar la información disponible.

Se debe obtener la siguiente información:

- Estudiar la características de las zonas inundables, y de los meandros

- Determinar si el río es estáticamente estable, dinámicamente estable, o inestable

- Rango de variaciones de los máximos niveles de agua- Magnitud de los caudales de avenida- Ancho del cauce principal, y de las llanuras

de inundación- Granulometría del material del cauce- Características de los terrenos que conforman las

riberas

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ESTUDIOS BASICOS:a. Geología y Geotecnia

- Fallas - Estratos - resistencia del suelo- Flujos subterráneos - Estudio del material del- Estudio de canteras cauce del río, etc

b. Topografíac. Hidrología

- Descarga dominante - Avenida de Diseño

c. Hidráulica Fluvial- Velocidades y direcciones del flujo- Máximos niveles de agua- Fenómenos de socavación, etc.

d. Estudios de Impacto Ambiental

El Expediente Técnico debe contener como mínimo lo siguiente:

- Memoria Descriptiva de Obra - Estudios de Geología y de Geotecnia- Estudios de Hidrología e Hidráulica- Memoria de Cálculos- Especificaciones Técnicas- Análisis de Costos Unitarios y su descripción

técnica

EXPEDIENTE TECNICO:

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- Planilla de Metrados- Presupuesto o Valor Referencial de Obra- Fórmula Polinómica de Reajuste de Precios- Relación de Equipo Mínimo- Cronograma de Ejecución de Obra- Cronograma de Desembolsos- Programación de Obra- Calendario Valorizado de Avance- Planos- Desagregado de Gastos Generales

IV.- CALCULOS BASICOS EN HIDRAULICA FLUVIAL APLICADA A

DEFENSAS RIBEREÑAS

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CARACTERISTICAS DE UN RIO

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FLUJO EN UN CANAL

PermanenteUniformeTurbulento/LaminarBi-dimensional

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FLUJO EN UN RIO

ImpermanenteNo UniformeTurbulentoTri-dimensional

CALCULO DE VARIABLES HIDRAULICAS

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EN FLUJO UNIFORME

VELOCIDAD:

Velocidad Media

V = R2/3.S1/2/n (Fórmula de Manning)

R: Radio HidráulicoS: Pendiente de fondon: Coeficiente de rugosidad deManning

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Coeficiente de Rugosidad

Adopta valores de acuerdo a la característica del lecho

Depende de:Tamaño de partículas de fondoTamaño de formas de fondo

0.011

0.025

0.040

Cemento Liso

Tierra Gravosa

Tierra con Pedrones

nSupeficie

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ESFUERZO CORTANTE:

- Esfuerzo Cortante en el fondo(τo)τo=γ.h.Sγ : Peso Específico del Aguah: TiranteS: Pendiente de Fondo

- Perfíl de Esfuerzos Cortantes(τy)τy=γ.(h- y).S

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EN FLUJO NO UNIFORME

PERFILES DE FLUJO:

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EN FLUJO EN CURVAS

SOBRE-ELEVACION DEL AGUA:

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EN FLUJO NO PERMANENTE

ONDAS DE AVENIDA:

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EN FLUJO BIDIMENSIONAL Y TRIDIMENSIONAL

FLUJO BI-DIMENSIONAL:

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FLUJO TRI-DIMENSIONAL:

CALCULO DE LA SOCAVACION

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CALCULO DE LA SOCAVACION GENERAL

El cálculo de la socavación general es aun un tema no completamente resuelto.

La erosión general se estima mediante fórmulas empíricas, sustentadas con coeficientes obtenidos en laboratorio.

Un método válido para estimar la erosión general en suelo granular y en suelo no cohesivo es el método de Lichtvan –Lebediev.

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METODO DE LICHTVAN LEBEDIEV:

ds Tirante despues de producirse la socavación (m) Qd Caudal del ríoα Coeficiente dm Tirante medio-A/Bedo Tirante sin socavación (m) Be Ancho efectivo de la secciónDm Diánmetro medio (mm) Sin obstáculosβ Coeficiente que depende del TR (Ver cuadro) υ Coeficiente de contracción (Ver cuadro)x Exponente que depende de:

Dm Para suelos granulares, no cochesivos (Ver cuadro)γs Para suelos finos, cochesivos (Ver cuadro)

DESCRIPCIÓN DE PARÁMETROS Y UNIDADES

( ) ( )x

.m

o

*D*.d*ds

+

=

11

280

35

680 βα

( )µα*B*d

Q

em

d35=

TR COEFICIENTE BETAAños

1 0,772 0,825 0,86

10 0,9020 0,9450 0,97

100 1,00500 1,05

1000 1,07

COEFICIENTE BETA

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γs X γs X Dm X Dm Xkgf/m3 kgf/m3 mm. mm.

0,80 0,52 1,20 0,39 0,05 0,43 40,00 0,300,83 0,51 1,24 0,38 0,15 0,42 60,00 0,290,86 0,50 1,28 0,37 0,50 0,41 90,00 0,280,88 0,49 1,34 0,36 1,00 0,40 140,00 0,270,90 0,48 1,40 0,35 1,50 0,39 190,00 0,260,93 0,47 1,46 0,34 2,50 0,38 250,00 0,250,96 0,46 1,52 0,33 4,00 0,37 310,00 0,240,98 0,45 1,58 0,32 6,00 0,36 370,00 0,231,00 0,44 1,64 0,31 8,00 0,35 450,00 0,221,04 0,43 1,71 0,30 10,00 0,34 570,00 0,211,08 0,42 1,80 0,29 15,00 0,33 750,00 0,201,12 0,41 1,89 0,28 20,00 0,32 1000,00 0,191,16 0,40 2,00 0,27 25,00 0,31

VALORES DE X PARA SUELOS CHOSIVOS (γs) Y N0 COHESIVOS (Dm)

Vel Mediam/s 10 m. 13 m. 16 m. 18 m. 21 m. 25 m. 30 m. 42 m. 52 m. 63 m. 106 m. 124 m. 200 m.

<1.00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,001,00 0,96 0,97 0,98 0,98 0,99 0,99 0,99 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,001,50 0,94 0,96 0,97 0,97 0,97 0,98 0,99 0,99 0,99 0,99 1,00 1,00 1,002,00 0,93 0,94 0,95 0,96 0,97 0,97 0,98 0,98 0,99 0,99 0,99 0,99 1,002,50 0,90 0,93 0,94 0,95 0,96 0,96 0,97 0,98 0,98 0,99 0,99 0,99 1,003,00 0,89 0,91 0,93 0,94 0,95 0,96 0,96 0,97 0,98 0,98 0,99 0,99 0,993,50 0,87 0,90 0,92 0,93 0,94 0,95 0,96 0,97 0,98 0,98 0,99 0,99 0,99

>4.00 0,85 0,89 0,91 0,92 0,93 0,94 0,95 0,96 0,97 0,98 0,99 0,99 0,99

LONGITUD LIBRE ENTRE DOS PILAS (CLARO)

COEFICIENTE DE CONTRACCIÓN - u

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CALCULO DE LA SOCAVACION LOCAL EN ESPIGONES

Los metodos existentes son de naturaleza empirica.

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0d*P*P*PS kqT α=

Método de Artomonov:

St Profundidad máxima de socavación

Pα Coeficiente que depende del ángulo del espigón

Pq Coeficiente que depende de los gastos

Q1 Gasto téorico a traves del estribo

Q Gasto total del río

Pk Coficiente que depende del talud

do Tirante aguas arriba del estribo, sin socavación

α 30° 60° 90° 120° 150°Pα 0,84 0,94 1 1,07 1,19

Q1/Q 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7Pq 2 2,65 3,22 3,45 3,67 3,87 4,06

Talud k 0 0,5 1 1,5 2 3Pk 1 0,91 0,85 0,83 0,61 0,5

Valores del coeficiente Pa e funcion de a

Valores del coefiente Pq en funcion de Q1/Q

Valores del coeficiente Pk en funcion de k

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CALCULO DE LA SOCAVACION EN CURVAS

METODO DE ALTUNIN:

r/B infinito 6 5 4 3 2ε 1.27 1.48 1.84 2.2 2.57 3

Valores del coeficiente ε , en función de r/B

Dmax=ε*drDonde:

Dmax: Profundidad Maxima del Agua (m)e: Coeficiente que depende de la relacion r/B (Ver Tabla)dr: Profundidad maxima en el tramo recto situado aguas arriba de

la curva (m)

donde:r : radio de curvatura, B Ancho Superficial

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CALCULO DEL ANCHOESTABLE

El cauce estable es aquel cauce que se encuentra en equilibrio dinámico, no presentando tendencias a la erosión ni a sedimentación en el mediano y largo plazo

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EN LECHOS GRANULARES:

METODO DE ALTUNIN

B Ancho de la superficie libre de agua (m)A CoeficienteQ Caudal (m3/s)S Pendienten Coeficiente de rugosidad de ManningK Coeficiente que depende de la resistencia de las orillas

3 a 4 Material de cauce muy resistente16 a 20 Material facilmente erosionable8 a 12 Material aluvial

10 En los problemas de ingenieríam Exponente

0.5 Para ríos de montaña0.7 Para cauces arenosos1.0 Para cauces aluviales

20 . SQ

*AB =( )m*

K*nA533

35 +

=

El metodo de Altunin se recomienda para material granular. No es apto para cauces con material cohesivo, se obtienen valores congruentes para ríos con arena.

Está basado en datos y observaciones en la Unión Soviética, aplicable a ríos de gravas y material aún más grueso

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EN LECHOS ARENOSOS:

METODO DE BLENCH

Q Caudal (m3/s)Fb Factor de fondo

0,8 Para material fino1,2 Para material grueso

Fs Factor de orillas 0,1 Para materiales sueltos

0,2 Para materiales ligeramente cohesivos0,3 Para materiales cohesivos

s

b

FF*Q*.B 811=

El metodo de Blench se recomienda para cauces con material cohesivo o formados en arena fina. (D50 < 1mm).

Para D50 > 1mm, se empiezan a obtener resultados absurdos.

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OTROS METODOS:

M. de Maza Cruickshank: Se aplica para arenas y debera manejarse con cuidado en cauces con grava, no se puede utilizar en cauces con materiales cohesivos.

M. de Lacey. Se ajustó con canales en fondo de arena hasta 0.4 mm tan solo.