CONSTRUCCIÓN DEFENSA RIBEREÑA DEL RIO VILCANOTA EN LA MARGEN IZQUIERDADEL SECTOR HATUN ISLA DE MOLLEBAMBA – URCOS - QUISPICANCHI
1.0 INGENIERÍA DEL PROYECTO
1.1 PLANTEAMIENTO HIDRÁULICO DEL PROYECTO.
1.1.1 ESTADO ACTUAL DEL CAUCE.
El río Vilcanota en el sector de Mollebamba en Urcos
es una zona de cauce estable y definido las orillas están
cubiertas con poca vegetación lo que incrementa la erosión
en las riberas del río producto de su velocidad, así mismo se
encuentran zonas donde el NAME supera las cotas de
terreno de las márgenes del río produciendo
desbordamientos lo que ocasiona inundaciones en zonas
rurales de cultivo.
1.1.2 MEDIDAS DE INGENIERÍA.
Las medidas de ingeniería aplicadas en las defensas
ribereñas son de dos tipos:
1. Revestimiento de las orillas.
2. Alejamiento del flujo de las orillas.
1. Revestimiento de las Orillas
Se tiene todas las obras longitudinales: Muros
longitudinales mediante gaviones, asi como la
construcción de espigones de gaviones, revestimiento
con enrocado, matriz de roca y alambre, estructuras de
control de flujo, etc.
2. Alejamiento del Flujo de Orillas
Se tiene todas las obras deflectoras: espigones de rocas,
gaviones, etc.
1.2 CRITERIOS DE DISEÑO.
Un encauzamiento, desde un punto de vista general, es
cualquier arreglo o intervención que toma un tramo de río con el
objeto de ponerlo en cauce, también los sistemas de
encauzamiento tienen por objeto la protección de áreas de cultivo,
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poblaciones, infraestructuras, industrias, etc. a fin de evitar el
desborde del río y la erosión.
El objetivo del presente proyecto es el de dotar de una
infraestructura para la protección de los márgenes del río y fijación
de un cauce estable para el mismo; estas obras servirán para
salvaguardar los terrenos agrícolas adyacentes a las márgenes del
rio Vilcanota a la altura del sector de Mollebamba.
Para el cálculo de las obras planteadas de acuerdo a la
alternativa de solución adoptada se tomará en cuenta las
sugerencias de la bibliografía especializada en el tema.
Durante el diseño surgen cuestiones de dimensionamiento
tales como la sección estable, tirante de diseño, dimensionamiento
del espigon, etc. cuya solución es abordada mediante la
combinación de herramientas de análisis, métodos de cálculo e
información práctica.
1.2.1 Consideraciones Básicas
La alternativa de mejoramiento seleccionada es
considerada como medida estructural dentro de las medidas
de prevención y control de erosión en las riberas de los ríos;
y dentro de las medidas estructurales es considerada como
del tipo permanente. Los espigones son obras transversales
que avanzan, desde la orilla existente hasta la nueva línea
de orilla, para reducir las anchuras excesivas del lecho,
provocando la sedimentación en la zona limitada por ellos.
La propuesta de mejoramiento del sistema de
encauzamiento existente tiene que ver con la protección de
los terrenos adyacentes ante un posible desborde producto
del estrechamiento del cauce a raíz de la sedimentación de
material sólido adyacente a los espigones, incrementándose
la probabilidad de que el tirante de diseño sea superado
durante una crecida máxima. Dicha propuesta consiste en la
construcción de un dique longitudinal con material
semicompactado.
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1.2.2 Elementos del espigón de Protección
La protección se compone de los siguientes
elementos:
1. Cuerpo del espigón: La cual esta
dimensionada, contra los esfuerzos de corte y
volteo, y contra las ondas que puedan impactar
el enrocado.
2. Anclaje: Es la longitud del espigón empotrada
en el terraplén o en el terreno natural.
3. Uña del Espigón: Esta ubicado en todo el
perímetro del espigón y tiene una longitud
superior a la profundidad de socavación.
1.2.3 Procedimiento de Diseño
1. Ubicación en Planta
El sistema de mejoramiento se construirá sobre
el terreno natural, en una longitud de 280m de
defensa ribereña, sobre el cual se plantean 16
espigones distribuidos en la margen derecha
espaciados a 18 metros.El tramo de espigones
cuentan en toda su longitud con un dique de
material de préstamo.
2. Perfil Longitudinal
El dique longitudinal para el mejoramiento del
encauzamiento existente se ceñirá al
alineamiento vertical de este y se elevará de
3.00 m por encima del nivel de terreno actual.
3. Forma de la Sección Transversal
El ancho de la corona del dique de mejoramiento
planteado será de 3.0 m, el talud de la cara
húmeda como de la cara seca será de 1:1 (V:H).
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Este dique tendrá una altura de 3.0 m. desde la
base del espigón a la corona del mismo.
Los detalles de la configuración de los niveles
del enrocado que conforman el espigon se
encuentran en los planos de detalles
constructivos.
1.3 DISEÑO HIDRÁULICO Y CÁLCULO ESTRUCTURAL.
1.3.1 EN GENERAL:
1.3.1.1 Calculo del Ancho Estable:
1. Método de BlenchAltunin:
Donde:
B: Ancho de la superficie libre del agua (m)
A: Coeficiente
Q: Caudal (m3/seg.)
S: Pendiente
n: Coeficiente de rugosidad de Manning
K: Coeficiente que depende de la resistencia de
las orillas
3 a 4 Material de cauce muy resistente
8 a 12 Material Aluvial
16 a 20 Material fácilmente erosivo
10 En los problemas de ingeniería
m: Exponente, que depende del cauce del río
0.5 Para ríos de montaña
0.7 Para cauces arenosos
A=(n∗K5/3 )3
3+5mB=A∗√QS0. 2
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1.0 Para cauces Aluviales
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2. Método de Simos Henderson:
Donde:
B: Ancho de la superficie libre del agua (m)
K1: Coeficiente que depende del material del
fondo del río
Q. caudal (m3/seg.)
3. Empleando recomendaciones dadas por
criterios prácticos:
Se determina interpolando el valor del
ancho estable del río mediante un tabla que
relaciona el caudal máximo (m3/seg.) con el
ancho estable (m).
SECCION ESTABLE ESTIMADA (m)
Qmax (m3/seg)
200 3000
190 2400
120 1500
100 1000
70 500
1.3.1.2 Dimensionamiento de la Sección Teórica
del cauce del rió.
1. Tirante de Avenidas Máximas:
Utilizando la ecuación de Manning para el caudal
de diseño, la pendiente media del tramo de río
B=K 1∗Q1/2
t=( QKs∗bo∗S1/2 )
3 /5
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considerado y el valor del ancho estable
determinado en el paso anterior se tiene que el
tirantees:
Donde:
t: Tirante del río en avenidas máximas (m)
Q: Caudal en avenidas máximas (m3/seg.)
Ks: coeficiente de rugosidad
bo: Ancho estable (m)
S: Pendiente (%).
2. Altura del Dique de Encauzamiento
La altura que tendrá el dique de encauzamiento
será igual al tirante máximo más el bordo libre.
El bordo libre permitirá controlar la variación
instantánea del caudal por disminución de la
velocidad y elevación del tirante:
H=t+BlBl=φ∗V 2
2g
Donde:
H: Altura del muro (m)
t: Tirante del río en avenidas máximas (m)
Bl: Bordo libre (m)
Ø: Coeficiente de descarga máxima
V: Velocidad del flujo (m/seg)
S. Pendiente (m/m)
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1.3.1.3 Calculo de las Características Hidráulicas
del rió.
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Periodo de Retorno de 50 añosT = 50 años
Método de Blench Altunin
Q = 592 Caudaln = 0.036 coef. ManingS = 0.0017 en el tramoK = 8m = 1.0
0.50.71.0
Entonces:A = 1.054
B = 91 m
Método de Simos Henderson
Donde:K1= 2.9 Asumido tabla N°2Q = 592 m3/s Caudal de diseño
K1Fondo y orillas de arena 5.7Fondo de arena y orilla de material cohesivo 4.2Fondo y orillas de material cohesivo 3.6Fondo y orillas de grava 2.9fondo de arena y orillas de material no cohesivo 2.8
B = 71 m
Empleando recomendaciones dadas por criterios prácticos
Qmax (m3/seg)
3000240015001000500
Elegimos 74 m
Promedio de los diferentes métodos B = 79 mASUMIMOS ANCHO ESTABLE EN CAMPO B = 70 m
Mateial Facilmente Erosionable
19012010070
VALORES DE K1CONDICIONES DE FONDO DE RIO
SECCION ESTABLE ESTIMADA (m)
200
Existen acciones antropicas sobre el cauce del rio aguas arriba del puente de Pisac que angostan el cauce hasta en 40 m.l., debido al crecimiento urbano del poblado de Pisac, lo cual genera un estrechamiento peligroso del cause que limita las acciones y alcancen del presente proyecto. En lo posible se debe generar la ampliacion del cauce en este sector y la descolmatacion periodica en un lapso no mayor de tres años del cauce del rio vilcanota en este tramo.
Calculos Sección Estable del Río o Amplitud del cauce
Para rios de montañaPara cauces arenososPara cauces aluviales
8 a 12 Material Aluvial10 En los problemas de ingenieria
VALORES DE m
VALORES DE K3 a 4 Material de Cauce muy resistente
16 a 20
2/1*1 QKB
2.0*
S
QAB
mKnA 53
33/5 )*(
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Coef de rugosidad Ks = 35Ancho estable bo = 70Pendiente S = 0.0017Caudal Q = 592
De donde : t = 2.87 m
VALORES PARA Ks
Lechos naturales de rio con fondo sólido sin irregularidades 40Lechos naturales de rio con acarreo regular 33 - 35Lechos naturales de rio con vegetación 30 - 35Lechos naturales de rio con derrubio e irregularidades 30Lechos naturales de rio con fuerte transporte de acarreo 28Torrentes con derrubios gruesos (pidra de tamaño de una cabeza)con acarreo inmovil. 25 - 28Torrentes con derrubio grueso, con acarreo móvil 19 - 22
Calculo de altura del Espigón
Bordo libre
VALORES PARA
2.001.701.401.201.10
t = 2.87 m= 1.20
Area A = 200.74 m2Perimetro P = 80.22 m
Radio Hidráulico R = 2.5023 mV = 2.69 m/seg
Entonces: Bl = 0.44 m
Recomendaciones de bordo Libre
Borde libre (m)0.600.801.00
Asumimos 0.80Promedio Bl 0.62
Entonces H = 3.49
Asumimos H = 3.80
Menos de 200200 - 500500 - 2000
Tirantecoef de max. Descarga
Velocidad media
Descarga de Diseño (m3/seg)
500 - 1000100 - 500
DESCRIPCIÓN Ks
Caudal Maximo3000 - 40002000 - 30001000 - 2000
Por condiciones de estrechamiento del cauce, y las referencias facticas del fenomeno ocurrido en enero del 2010, se asume el caudal máximo en los calculos hidrologicos con la finalidad de mitigar condiciones atipicas como probable consecuencia del calentamiento global. Cabe señalar que las condiciones climatologicas entre el 23 de enero al 26 de enero del 2010, y el caudal del vilcanota no tienen registro historico superando el periodo centenario en consecuenica considerado como ATIPICO.
Calculo del Tirante de Diseño en avenida máxima
5/3
2/1**
SbKs
Qt
o
g
VBl
2
* 2
BltH
2132
** SRkV S
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1.3.2 PARA ESTRUCTURAS:
1.3.2.1 Calculo de la profundidad de
Socavación:
Definida por la siguiente relación: para suelos no
cohesivos por:
List Van Lebediev.
ts=( at 5/3 )1/ x+1
(0. 68 Dm0 .28bo )1/ x+1
a= Q
t5/3 Bμ
Donde:
ts = Profundidad de socavación
Q = Caudal de diseño en m3/seg.
bo = Coeficiente función de la frecuencia con que se
repite la avenida o caudal del diseño
B = Sección estable determinada(m)
t = Tirante en avenidas máximas antes de la erosión
(m)
Dm = Diámetro medio partículas (mm)
x = Exponente para material no cohesivo en función
de Dm
= Coeficiente de contracción, para velocidad
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Hs = a Ho5/3 1 / (1 + x)
0.68b dm0.28
Donde: a = Qd / (Hm5/3 Be
)
Qd = caudal de diseño (m3/seg)
Be = ancho efectivo de la superficie del líquido en la sección transversal = coeficiente de contracción. Ver tabla N° 1Hm = profundidad media de la sección = Area / Be
x = exponente variable que depende del diámetro del material y se encuentra en la tabla N° 2dm = diámetro medio (mm)
TABLA N° 1COEFICIENTE DE CONTRACCION,
10 13 16 18 21 25 30 42 52 63 106 124 200
Menor de 1 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 1.00 0.96 0.97 0.98 0.99 0.99 0.99 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.50 0.94 0.96 0.97 0.97 0.97 0.98 0.99 0.99 0.99 0.99 1.00 1.00 1.00 2.00 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.97 0.98 0.98 0.99 0.99 0.99 0.99 1.00 2.50 0.90 0.93 0.94 0.95 0.96 0.96 0.97 0.98 0.98 0.99 0.99 0.99 1.00 3.00 0.89 0.91 0.93 0.94 0.95 0.96 0.96 0.97 0.98 0.98 0.99 0.99 0.99 3.50 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 o mayor 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 2.69 m/seg
TABLA N° 2VALORES DE X PARA SUELOS COHESIVOS Y NO COHESIVOS
P. ESPECIFICOgd (Tn/m3)
0.80 0.52 0.05 0.430.83 0.51 0.15 0.420.86 0.50 0.50 0.410.88 0.49 1.00 0.400.90 0.48 1.50 0.390.93 0.47 2.50 0.380.96 0.46 4.00 0.370.98 0.45 6.00 0.361.00 0.44 8.00 0.351.04 0.43 10.00 0.341.08 0.42 20.00 0.321.12 0.41 25.00 0.311.16 0.40 40.00 0.301.20 0.39 60.00 0.291.24 0.38 90.00 0.281.28 0.37 140.00 0.271.34 0.36 190.00 0.261.40 0.35 250.00 0.251.64 0.31 310.00 0.241.71 0.30 370.00 0.231.80 0.29 450.00 0.221.89 0.28 570.00 0.212.00 0.27 750.00 0.20
1000.00 0.19
Vm= Velocidad Media del rio en estudio es =
XX
CALCULO ALTURA DE SOCAVACION
SUELOS COHESIVOS SUELOS NO COHESIVOS
dm (mm)
Longitud libre entre dos estribosVelocidad media en la
sección, en m / seg
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VALORES DEL COEFICIENTE b
Coeficienteb
0.820.860.900.940.97
1.001.05
Hs = profundidad de socavación (m)Qd = caudal de diseño 592 m3/seg
Be = ancho efectivo de la superficie de agua = t 70.00 m
Ho = tirante en avenida máxima antes de la erosión 2.87 m
dm = diámetro medio 9.00 mmx = exponente variable. Ver tabla Nº 2 0.36T = periodo de retorno en años 50ß = coeficiente que depende de la frecuencia del caudal de diseño. Ver tabla Nº 3 0.97µ = coeficiente de contracción. Ver tabla N° 1 0.98
α = 1.49
Entonces:Hs = profundidad de socavación respecto al fondo del cauce 4.21 m
PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN: Ps= Hs - Ho
Ps = 1.34 m
ASUMIDO = 1.50 m
500
( años )
51020
2
50
100
Periodo de retorno
TABLA N° 3
1.3.2.2 Diseño de la Uña:
Normalmente la socavación al pie del enrocado es uno
de los principales mecanismos de falla para este tipo
de encauzamientos, por tanto se debe proteger la
base del talud mediante un enrocado denominado
“uña de estabilidad”
Profundidad de la Uña de Estabilidad: La
socavación al pie del enrocado es uno de los
principales mecanismos de falla, debiéndose tomar las
precauciones necesarias para evitar el colapso del
espigón. Para el caso de la ampliación del sistema de
encauzamiento existente se tiene que la profundidad
de la uña de estabilidad deberá llegar hasta 1.50 m
dado que la profundidad de socavación general es del
orden de 1.47 m.
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Ancho de la Uña de Estabilidad: El ancho de la una
de estabilidad deberá ser de por lo menos 1.5 veces la
profundidad de socavación general, por tanto se
asume un ancho de 2.00 m.
1.3.2.3 Diseño Del Espigón Enrocado.
1. Longitud de los Espigones
La longitud Total (LT) de un espigón, se divide en dos
partes: Longitud de empotramiento o anclaje (La) y
Longitud de Trabajo (Lt). Teniendo las siguientes
recomendaciones.
Y <Lt B/4
La = 0.1 a 0.25Lt
Para nuestro caso: B = 70 m. entonces, Y = 2.15 m.
Asumimos: Longitud de Trabajo Lt= 5.00
Longitud de Anclaje La = 1.00
Se deberá evitar el rodeo de la estructura por parte
del agua, es decir la longitud de empotramiento (La),
debe estar en terreno firme.
2. Orientación y Separación de Espigones.
Orientación: Los espigones planteados, están
orientados aguas abajo, formando un ángulo de 90º
con la orilla del río Vilcanota.
Separación: Se mide en la orilla entre los puntos de
arranque de cada uno, para nuestro caso el punto de
arranque se considera el eje del espigon.
Para el caso de 90° se recomienda
Sp = 4.5 Lt a 5.5 Lt
22.5 ≤ Sp ≥ 27.5
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Asumimos Sp = 25
Dimensionamiento del Enrocado
El objetivo del dimensionamiento es determinar un
diámetro característico de la escollera que nosea
movido o arrastrado bajo unas condiciones hidráulicas
dadas. El cálculo no puede considerarse exacto sino
estimativo.
Para lograr este objetivo, la bibliografía especializada
sugiere muchas fórmulas, basadas en
consideraciones teóricas y ensayos de laboratorio,
pero pocas basadas en observaciones de campo, por
lo que muchas veces se obtienen resultados
discrepantes.
El tamaño de la roca influye considerablemente en la
estabilidad de las estructuras. Para el cálculo del
tamaño de la roca se ha utilizado las siguientes
fórmulas:
Diámetro medio de las rocas
FORMULA DE MAYNORD
D50=C1 yF3
= 0.28*2.31*(1.14)^3 = 0.25 m
F=c2V
√gy= 1.25*2.79/(9.81*2.31)^0.5 = 0.73
Donde :
D50 : Diámetro medio de las rocas
V : 2.81 m/s
y : 2.27 m
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C1 : 0.28 : Fondo plano
C2 : 1.25 : Tramos rectos
Diámetro mínimo
Recomendaciones de la Comisión Federal de Electricidad
México
Diámetros Mínimos para un tirante igual a 1.00m
Velocidad de
la corriente
Peso especifico del material en Kg/m3
1600 1800 2000 2200 2400
1.00 8 8 7 6 6
2.00 18 16 13 13 12
3.00 38 34 31 28 26
4.00 68 60 54 50 46
>4.00 85 77 70
Siendo el tirante calculado igual a 2.31 m y diferente de
1.00m, entonces se debe ajustar la velocidad
V 1=V
ya
= 2.32
a= 12+ y
= 0.234
Entrando a la tabla, para un peso específico 1720, entonces
el diámetro mínimo es igual a 0.37m
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Espesor del Enrocado
Por las dimensiones del Espigon, mayores al diámetro de la
bolonería suelta, no se presentara inconvenientes en el
colocado del material rocoso, por lo que el espesor es
despreciable
DISTRIBUCIÓN DE LAS ROCAS
Recomendaciones de Simons y Senturk
La relación del tamaño máximo de la roca entre el
diámetro D50 debe ser aproximadamente = 2
Recomendaciones del U.S. Department of
Transportation
1.5D50 a 1.7 D50 : 1.7D50 = 0.63m
15%
1.2D50 a 1.4 D50 : 1.3D50 = 0.49m
35%
1.0D50 a 1.15D50 : 1.075D50 = 0.40 m 35%
0.4D50 a 0.6 D50 : 0.5D50 = 0.37m
15%
Por lo tanto asumimos:
El diámetro máximo = 1.20m (diámetro máximo para la
excavadora)
El diámetro medio= 0.60m
El diámetro mínimo = 0.37m