MINISTERIO DE AGRICULTURA INSTITUTO NACIONAL DE RECURSOS NATURALES

INTRODUCCION A LOS PROYECTOS DE

DEFENSAS RIBERENAS MSc. Ing. Roberto Campaña Toro

CONTENIDO

I. Relevancia de la erosión de riberas.

II. Mecanismos de la erosión de riberas

III. Medidas de Ingeniería

IV. Fundamentos de Hidráulica Fluvial aplicables

al diseño de Defensas Ribereñas.

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

• La erosión de riberas ocasiona muchas pérdidas en diferentes sectores. • Agricultura. • Infraestructura de riego • Estructuras ubicadas en márgenes

II.- MECANISMOS DE EROSION DE RIBERAS

EROSION DE RIBERAS POR FLUJOS EN CURVAS

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

• 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

Efectos erosivos sobre un puente ubicado en una curva

Modelación Matemática

EROSION DE RIBERAS POR SOCAVACION GENERAL DEL CAUCE

• 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

• 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)

EROSION POR CONSTRICCION DEL CAUCE

III.- MEDIDAS DE INGENIERIA Las medidas de ingeniería aplicadas en las defensas ribereñas son de dos tipos: – Revestimiento de Orillas – Alejamiento del Flujo de Orillas

Revestimiento de Orillas Gaviones

Revestimiento de Enrocado

Matrices de Roca y Alambre

Sacos de Arena

Matrices de Concreto Articulado

Estructuras de Control de Flujo

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. Pilotes de Madera

Trípodes de Madera

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.

Jetties • Son elementos que proporcionan rugosidad adicional 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.

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 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 - ESTUDIOS BASICOS: a. Geología y Geotecnia

- Fallas - Estratos - resistencia del suelo

- Flujos subterráneos - Estudio del material del cauce del río - Estudio de canteras, etc.

b. Topografía c. 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 EXPEDIENTE TECNICO: 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 - 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

DEFENSAS RIBEREÑAS

CARACTERISTICAS DE UN RIO

FLUJO EN UN CANAL • Permanente • Uniforme • Turbulento/Laminar • Bi-dimensional

FLUJO EN UN RIO • Impermanente • No Uniforme • Turbulento • Tri-dimensional

CALCULO DE VARIABLES HIDRAULICAS EN FLUJO UNIFORME VELOCIDAD: Velocidad Media

R: Radio Hidráulico S: Pendiente de fondo n: Coeficiente de rugosidad de Manning Coeficiente de Rugosidad Adopta valores de acuerdo a la característica del lecho Depende de:

• Tamaño de partículas de fondo • Tamaño de formas de fondo

N Superficie 0.011 Cemento Liso 0.025 Tierra Gravosa 0.040 Tierra con Pedrones

ESFUERZO CORTANTE: - Esfuerzo Cortante en el fondo(τo)

τo = γ.h.S γ : Peso Específico del Agua h: Tirante S: Pendiente de Fondo

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

EN FLUJO NO UNIFORME PERFILES DE FLUJO:

EN FLUJO EN CURVAS SOBRE-ELEVACION DEL AGUA:

EN FLUJO NO PERMANENTE ONDAS DE AVENIDA:

EN FLUJO BIDIMENSIONAL Y TRIDIMENSIONAL

FLUJO BI-DIMENSIONAL:

FLUJO TRI-DIMENSIONAL:

CALCULO DE LA SOCAVACION 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.

METODO DE LICHTVAN LEBEDIEV: DESCRIPCIÓN DE PARÁMETROS Y UNIDADES

ds = Tirante después de producirse la socavación (m) α = Coeficiente do = Tirante sin socavación (m) Dm = Diámetro medio (mm) β = Coeficiente que depende del TR (Ver cuadro) x = Exponente que depende de

Dm = Para suelos granulares, no cohesivos (Ver cuadro) Γs = Para suelos finos, cohesivos (Ver cuadro)

Qd = Caudal del río Dm = Tirante medio-A/Be Be = Ancho efectivo de la sección Sin obstáculos υ = Coeficiente de contracción (Ver cuadro)

COEFICIENTE BETA

TR Años COEFICIENTE BETA 1 .77 2 .82 5 .86

10 .90 20 .94 50 .97 100 1.00 500 1.05

1000 1.07

CALCULO DE LA SOCAVACION LOCAL EN ESPIGONES

Los métodos existentes son de naturaleza empírica.

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 teórico a través del estribo Q Gasto total del río Pk Coeficiente que depende del talud do Tirante aguas arriba del estribo, sin socavación

CALCULO DE LA SOCAVACION EN CURVAS

METODO DE ALTUNIN:

Donde: Dmax = Profundidad Máxima del Agua (m) E = Coeficiente que depende de la relación r/B (Ver Tabla) dr = Profundidad máxima en el tramo recto situado aguas arriba de la curva (m) donde:

r : radio de curvatura, B Ancho Superficial

CALCULO DEL ANCHO ESTABLE

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 EN LECHOS GRANULARES:

• El método 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 EN LECHOS ARENOSOS: METODO DE BLENCH

• El método 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. OTROS METODOS:

• M. de Maza Cruickshank: Se aplica para arenas y deberá 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.

METODOS DE DIMENSIONAMIENTO DE UNA DEFENSA RIBEREÑA

1) Seccion Estable o Amplitud de cauce

METODO DE PETITS B = 4.44 Q0.5

METODO DE SIMONS Y HENDERSON

B = K1 Q1/2 Q = (m3/s)

CONDICIONES DE FONDO DE RIO K1 Fondo y orillas de arena 5.70

Fondo arena y orillas de material cohesivo 4.20 Fondo y orillas de material cohesivo 3.60

Fondo y orillas de grava 2.90 Fondo arena y orillas material no cohesivo 2.80

METODO DE BLENCH – ALTUNIN

Fb = Fbo(1+0.12C)

Fbo = D501/3

B = 1.81(Q Fb/Fs)1/2 QM3/S = Caudal de Diseño (m3/s)

Fb = Factor de fondo de cauce del Rio (Tabla) Fs = Factor de Orilla de cauce de Rio (Tabla)

Factor de Fondo Fb Material Fino 0.80 Material Grueso 1.20

Factor de Orilla Fs Materiales sueltos (Barro y arena) 0.10 Materiales ligeramente cohesivos (barro arc. Fang.) 0.20 Materiales cohesivos 0.30

METODO DE MANNING

B = (Q1/2/S1/5) (n K 5/3

)3/(3+5m) Q = Caudal de Diseño (m3/s) S = PendienteTramo Obra n = Coeficiente de rugosidad K = Coeficiente Material del Cauce (Tabla) m = Coeficiente de Tipo de Rio (Tabla)

Valores rugosidad de Manning (n) N Cauce con fondo solido sin irregularidades 0.025 Cauces de rio con acarreo irregular 0.030 - 0.029 Cauces de Rios con Vegetación 0.033 - 0.029 Cauces naturales con derrubio e irregularidades 0.033 Cauces de Rio con fuerte transporte de acarreo 0.035 Torrentes con piedras de tamaño de una cabeza 0.040 - 0.036 Torrentes con derrubio grueso y acarreo movil 0.045 - 0.050

Descripción K Material de cauce muy resistente 3 a 4 Material facilmente erosionable 16 a 20 Material aluvial 8 a 12 Valor practico 10

Descripción M Para rios de montaña 0.5 Para cauces arenosos 0.7 Para cauces aluviales 1.0

2) Tirante Hidraulico de la Avenida de Diseño y Velocidad

METODO MANNING - STRICKLER (B > 30 M) t = (Q/(Ks B S 0.5))3/5 Q = Caudal de diseño (m3/s)

Ks = Coeficiente de Rugosidad (Tabla) B = Ancho estable (m) S = Pendiente del tramo (m/m) t = Tirante hidraulico de diseño (m)

Valores para Ks para Cauces Naturales Ks Cauce con fondo solido sin irregularidades 40 Cauces de rio con acarreo irregular 33 – 35 Cauces de Rios con Vegetacion 30 – 35 Cauces naturales con derrubio e irregularidades 30 Cauces de Rio con fuerte transporte de acarreo 28 Torrentes con piedras de tamaño de una cabeza 25 – 28 Torrentes con derrubio grueso y acarreo movil 19 – 22

Vm = Ks R2/3 S1/2 Z = Talud Excesivo

Ks = Coeficiente de rugosidad (Inversa de Manning) t = Tirante Hidraulico Maximo

b = Plantilla (m) P = Perimetro Mojado (m) A = Area (m2) R = Radio hidraulico S = Pendiente (Manning)

Vm = Velocidad ( m/s )

3) Determinación del Regimen de Flujo del Rio

Numero de Frode F = V/(g*A/T)1/2 V = Velocidad (m/s) g = Aceleracio de la gravedad A = Area hidraulica (m2) D = Ancho del Cauce (m) F = Numero de Froude

4) Calculo de la Profundidad Maxima de Socavacion en Tramo

Recto CALCULO DE LA PROFUNDIDAD DE SOCAVACION (Hs) CAL

METODO DE LL. LIST VAN LEVEDIEV

a = Q/(t5/3B µ)

ts = ((a t5/3)/(0.68 D0.28 ß))1/(x+1)

ts = ((a t5/3)/(0.60 w1.18 ß))1/(x+1) Q = Caudal (m3/s) t = Tirante hidraulico (m)

B = Ancho del Cauce (m) µ = Coeficiente Contraccion (Tabla) a = Coeficiente D = Diametro Medio de las particulas (mm) w = Peso Especifico suelo (Tn/m3) x = Valor obtenido de la Tabla

1/(x+1) = Valor obtenido de la Tabla ß = Coeficiente por Tiempo de Retorno

ts = Profundidad Maxima de Socavacion (m) CULO DE LA PROFUNDIDAD DE SOCAVACION (Hs) CALCULO DE LA PRO FUNDIDAD DE SOCAVACION (Hs)

Suelos Cohesivos Peso especifico

W (Tn/m3) X 1/(x +1)

0.80 0.52 0.66 0.83 0.51 0.66 0.86 0.50 0.67 0.88 0.49 0.67 0.90 0.48 0.68 0.93 0.47 0.68 0.96 0.46 0.68 0.98 0.45 0.69

1.00 0.44 0.69 1.04 0.43 0.70 1.08 0.42 0.70 1.12 0.41 0.71 1.16 0.40 0.71 1.20 0.39 0.72 1.24 0.38 0.72 1.28 0.37 0.73 1.34 0.36 0.74 1.40 0.35 0.74 1.46 0.34 0.75 1.52 0.33 0.75 1.58 0.32 0.76 1.64 0.31 0.76 1.71 0.30 0.77 1.80 0.29 0.78 1.89 0.28 0.78 2.00 0.27 0.79

Suelos No Cohesivos

D (mm) Diámetro Particula

x 1/(x +1)

0.05 0.43 0.70 0.15 0.42 0.70 0.50 0.41 0.71 1.00 0.40 0.71 1.50 0.39 0.72 2.50 0.38 0.72 4.00 0.37 0.73 6.00 0.36 0.74 8.00 0.35 0.74

10.00 0.34 0.75 15.00 0.33 0.75 20.00 0.32 0.76 25.00 0.31 0.76 40.00 0.30 0.77 60.00 0.29 0.78 90.00 0.28 0.78

140.00 0.27 0.79 190.00 0.26 0.79 250.00 0.25 0.80 310.00 0.24 0.81 370.00 0.23 0.81 450.00 0.22 0.82 570.00 0.21 0.83 750.00 0.20 0.83

1,000.00 0.19 0.84

Valores del Coeficiente ß Periodo de Retorno

(Años) Probabilidad de

Retorno (%) ß 0.77

2.00 50.00 0.82 5.00 20.00 0.86

10.00 10.00 0.90 20.00 5.00 0.94 50.00 2.00 0.97

100.00 1.00 1.00 300.00 0.33 1.03 500.00 0.20 1.05

1,000.00 0.10 1.07

5) Calculo de la Profundidad Maxima de Socavacion en Curvas

Metodo de Altunin tMAX = e dr

B = Ancho del cauce del Rio (m)

R = Radio de curva del Cauce del Rio (m) R/B = Valor de Ingreso a tabla

Valores Coeficiente "e" R/B E

Infinito 1.27 6.00 1.48 5.00 1.84 4.00 2.20 3.00 2.57 2.00 3.00

dr = t = Tirante de diseño

tMAX = Tirante maximo en la curva (m) ) ALTUNIN

6) Determinación de Profundidad de cimentación de la Uña

HS = ts –t HS = tMAX –t HS = Profundidad de socavacion en curva (m)

7) Calculo del Bordo Libre

He = V2/2g Vm = Velocidad del Caudal de Diseño (m/s)

g = Aceleracion de la Gravedad He = Energia Cinetica (m)

Bl = ¢ He Caudal maximo m3/s ¢

3000.00 4000.00 2 2000.00 3000.00 1.7 1000.00 2000.00 1.4 500.00 1000.00 1.2 100.00 500.00 1.1

Recomendación Practica M3/s Bl > 200 0.60

200 a 500 0.80 500 a 2000 1.00

8) Determinacion de la Altura del Dique

HD = t + Bl t = Tirante de diseño (m)

Hd = m.