UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
Diseño de bordos de protecciónDiseño de bordos de protección
Gabriel Auvinet & Norma P. López-Acosta
Tuxtla Gutiérrez, Chiapas, 26 de agosto de 2011
Tercer Seminario de Potamología “José Antonio Maza Álvarez”
ContenidoContenidoG E O T E C N I A
1. Aspectos generales
2. Materiales constitutivos y dimensiones típicas
3. Mecanismos de falla
4. Consideraciones importantes sobre erosión y tubificación
5.
7.
8. Recomendaciones generales para el diseño de bordos
6.
Flujo transitorio en bordos
Métodos para incrementar la seguridad de los bordos
Análisis de estabilidad de taludes considerando vaciado rápido
G E O T E C N I A
Aspectos generalesAspectos generales1)1) Aspectos generalesAspectos generales1)1)
TerminologíaTerminologíaG E O T E C N I A
CoronaCorona
Talud interiorTalud interior
Talud exteriorTalud exterior
Laguna, río, Laguna, río, mar, canalmar, canal
Pie del taludPie del talud
Talud exteriorTalud exterior
AlbarradónAlbarradón de Netzahualcóyotlde NetzahualcóyotlG E O T E C N I A
Albarradón
AlbarradónAlbarradón de San Lázarode San LázaroG E O T E C N I A
(1628)
Construcción de bordo (Siglo XIX)Construcción de bordo (Siglo XIX)G E O T E C N I A
Tipos de bordosTipos de bordosG E O T E C N I A
(a) Bordos en márgenes de ríos
Río
Protección marginal
Agua permanente
(b) Bordos de protección
Lado del terreno
Lado del agua CoronaAgua solo en época de lluvias
Clasificación de bordosClasificación de bordosG E O T E C N I A
(a) Bordos en canales (b) Bordos en márgenes de ríos
Fuente: Roscoe Kathryn (2011). Deltares. International Course: “Understanding Dike Safety”. May 24-26th 2011, Delft, The Netherlands.
Fuente: Pohl Martin (2011). Federal Waterways Engineering and Research Institute. Deltares. International Course: “Understanding Dike Safety”. May 24-26th 2011, Delft, The Netherlands.
(c) Bordos en lagunas (d) Bordos de protección contra el mar
Fuente: Vrijling Han (2011). Delft University of Technology (TU Delft). International Course: “Understanding Dike Safety”. May 24-26th 2011, Delft, The Netherlands.
G E O T E C N I A
Materiales constitutivos
y dimensiones típicas
Materiales constitutivos
y dimensiones típicas2)2) y dimensiones típicasy dimensiones típicas2)2)
(a)
Nomenclatura:
1 Filtros (arena bien graduada p.ej.)
Suelo impermeable (arena arcillosa p.e.)
Suelo de permeabilidad intermedia (arena
2
3
Secciones transversalesSecciones transversalestípicas de bordostípicas de bordos G E O T E C N I A
(b)
(c)
intermedia (arena limosa p.ej.)
Filtro de grava o rezaga
Chapa de enrocamiento
Chapa de enrocamiento, césped o losas suelo-cemento
3
4
5
6
Fuente: Geotecnia, Cap. 23 Manual de Ingeniería de Ríos, Mendoza, Febrero 1998, Series I. de I. UNAM
(a) Con corazón impermeable
(b) Con material homogéneo
Secciones transversales típicasSecciones transversales típicasde presas de tierrade presas de tierra
G E O T E C N I A
impermeable(b) Con material homogéneo
(c) Con zona impermeable aguas arriba(d) Con delantal y corazón impermeable
aguas arriba
Dimensiones típicas de bordosDimensiones típicas de bordosG E O T E C N I A
(a) Bordo con altura mayor a 3.0m (Linsley & Franzini, 1979)
Fuente: Obras de protección para el control de inundaciones, Maza & Franco, 1997, Series I. de I. UNAM
(b) Bordo con altura menor a 3.0m (Linsley & Franzini, 1979)
Bordo con dentellón y filtroBordo con dentellón y filtro(Río Escondido, (Río Escondido, CoahCoah.).)
G E O T E C N I A
Bordo con dentellón y filtroBordo con dentellón y filtro(Lago Nabor Carrillo)(Lago Nabor Carrillo)
G E O T E C N I A
Sección transversal típicaSección transversal típicade un bordo en el Mar del Nortede un bordo en el Mar del Norte
G E O T E C N I A
Fuente: Pohl Martin (2011). Federal Waterways Engineering and Research Institute. Deltares. International Course: “Understanding Dike Safety”. May 24-26th 2011, Delft, The Netherlands.
Estimación preliminar de taludes Estimación preliminar de taludes estables para bordosestables para bordos
G E O T E C N I A
G E O T E C N I AVOLUMENVOLUMEN
400
500
600
700
800123456
400
500
600
700
8001
23
45
67
Fuente: Zwanenburg Cor (2011). Deltares. International Course: “Understanding Dike Safety”. May 24-26th 2011, Delft, The Netherlands.
0
100
200
300
1 2 3 4 5 6 7
0
100
200
300
0 2 4 6 8 10 12
Volumen vs cotg (alfa) Volumen vs altura
Volumen de bordo con corona de 4m
G E O T E C N I A
Mecanismos de fallaMecanismos de falla3)3) Mecanismos de fallaMecanismos de falla3)3)
1. Erosión de taludes
2. Pérdida de bordo libre con flujo de agua
Mecanismos de falla en bordosMecanismos de falla en bordosG E O T E C N I A
3. Inestabilidad de taludes
(a) Durante la construcción
(b) Durante la operación (condición de flujo establecido)
(c) Inestabilidad por vaciado rápido
6.Asentamientos
4. Sobrecarga
Mecanismos de falla en bordosMecanismos de falla en bordosG E O T E C N I A
7. Inestabilidad volumétrica
8. Agrietamiento transversal y/o longitudinal
5. Deslizamiento
(a) Asentamiento excesivo por presencia de suelos blandos
(b) Asentamiento y agrietamiento por saturación
(a) A través de la cortina (b) A través de la cimentación
11. Licuación9. Tubificación 10. Subpresión
longitudinal
Erosión en bordosErosión en bordosG E O T E C N I A
Inicio de la erosiónInicio de la erosión
Desprendimiento Desprendimiento de materialde material
a) Bordos enlas márgenes
ErosiónErosiónRevestimientoRevestimiento
TubificaciónTubificación
b) Bordos de protección
Fallas por cortante en bordosFallas por cortante en bordosG E O T E C N I A
– Falla por cortante inducida por llenado y vaciado rápido
– Falla por cortante con asentamiento y deslizamientoinducida por llenado y vaciado rápido
Laguna
Hundimientos en bordosHundimientos en bordosG E O T E C N I A
BermaHundimiento
Hundimiento
Hundimiento
Hundimientos en bordos (Compañía)Hundimientos en bordos (Compañía)G E O T E C N I A
Canal Río La CompañíaCad. 3+800 a 10+200. Zona B
Asentamientos en el Bordo Izquierdo
-100
-95
-90
-85
-80
-75
-70
-65
-60
-55
-50
-45
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
3700 3950 4200 4450 4700 4950 5200 5450 5700 5950 6200 6450 6700 6950 7200 7450 7700 7950 8200 8450 8700 8950 9200 9450 9700 9950 10200
Cadenamiento
Asen
tam
ien
to (
cm
)
19-Oct-01 20-Jun-02 08-Jul-02 29-Jul-02 12-Ago-02 09-Sep-02 14-Oct-02
10-Feb-03 10-Mar-03 11-Abr-03 29-May-03 04-Jun-03 30-Jul-03
Base 19-Sep-01
Inicio de
Tablaestaca
Término de
Tablaestaca
Puente
El M olino
Cárcamo
Avándaro
Pte. Blanco
Pte. Rojo
Cárcamo
Darío Mtez.
Pte.
Tlalpizahuac
Grietas en la corona de bordosGrietas en la corona de bordosG E O T E C N I A
Fuente: Zwanenburg Cor (2011). Deltares. International Course: “Understanding Dike Safety”. May 24-26th 2011, Delft, The Netherlands.
Grietas en taludes de bordosGrietas en taludes de bordosG E O T E C N I A
Laguna Casa Colorada, Texcoco
Grietas Grietas en en bordosbordosG E O T E C N I A
(a)(a)
(a)(a)
(b)(b)
(b)(b)
Fuente: Zwanenburg Cor (2011). Deltares. International Course: “Understanding Dike Safety”. May 24-26th 2011, Delft, The Netherlands.
Fallas por pérdida de bordo libreFallas por pérdida de bordo libreG E O T E C N I A
“Over topping”
“Breaching”
“Over flowing”
Fuente: Zwanenburg Cor (2011). Deltares. International Course: “Understanding Dike Safety”. May 24-26th 2011, Delft, The Netherlands.
(a)(a)
(b)(b)
Fuente: Roscoe Kathryn (2011). Deltares. International Course: “Understanding Dike Safety”. May 24-26th 2011, Delft, The Netherlands.
(a)(a)
Fuente: (a, b, c,) Arjen Kort (2011). Norwegian Geotechnical Institute. First Meeting ISSMGE TC-201, May 23th 2011, Delft, The Netherlands.
(c)(c)
Fuente: McGahey Caroline (2011). HR Wallingford. International Course: “Understanding Dike Safety”. May 24-26th 2011, Delft, The Netherlands.
(e)(e)
(d)(d)
Fuente: Oumeraci H. & Kortenhaus A. (2011). LWI. International Course: “Understanding Dike Safety”. May 24-26th 2011, Delft, The Netherlands.
Falla por flujo a través del bordoFalla por flujo a través del bordoG E O T E C N I A
“Tubificación”
Fuente: Arjen Kort (2011). Norwegian Geotechnical Institute. First Meeting ISSMGE TC-201, May 23th 2011, Delft, The Netherlands.
G E O T E C N I AFalla por flujo a través de la cimentaciónFalla por flujo a través de la cimentación
“Sand boil”
Fuente: Zwanenburg Cor (2011). Deltares. International Course: “Understanding Dike Safety”. May 24-26th 2011, Delft, The Netherlands.
“Tubificación”
G E O T E C N I A
4)4) Consideraciones importantes
sobre erosión y tubificación
Consideraciones importantes
sobre erosión y tubificación4)4) sobre erosión y tubificaciónsobre erosión y tubificación
Principales factores que influyen Principales factores que influyen en la erosión de bordosen la erosión de bordos
G E O T E C N I A
• Erosionabilidad del material constitutivo
• Velocidad del agua dentro de la masa de suelo• Velocidad del agua dentro de la masa de sueloo la velocidad del agua en un río
• Geometría del bordo (tamaño y forma)
Alta
Relación empírica entre la resistencia a la tubificación ydiversos tipos de suelos (Sherard et al., 1967)
Resistencia a la tubificación de Resistencia a la tubificación de diversos suelos diversos suelos ((SherardSherard et al., 1967)et al., 1967)
G E O T E C N I A
Media
Baja
Fuente: Sherard, J. L.; Woodward, R. J.; Gizienski, S.F. & Clevenger, W.A. (1967). Earth and earth-rock dams, Cap.2, John Wiley and Sons, New York.
Pruebas para medir la Pruebas para medir la erosionabilidaderosionabilidad de un suelode un suelo
G E O T E C N I A
• Rotating cylinder
• Hole erosion test
• Jet test
• Erosion function apparatus (EFA)
Erosión en suelos duros
Erosión en suelos superficiales
Erosión en diversos tipos de suelos
La prueba consiste en
erosionar una muestra de
suelo empujándola fuera
de un tubo de acero de
pared delgada y
registrando la tasa de
erosión para una velocidad
dada del agua fluyendo
sobre la muestra. La
función de erosión se
define para distintas
velocidades empleadas
durante la prueba.
Fuente: — Briaud, J. L. (2008). Case histories in soil and rock erosion: Woodrow Wilson bridge, Brazos river meander, Normandy cliffs and New Orleans levees. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol.
134, No. 10, (October 1, 2008), ASCE, pp. 1424-1447.— Briaud, J.-L.; Ting, F.; Chen, H. C.; Cao, Y.; Han, S.-W. & Kwak, K. (2001). Erosion function apparatus for scour rate predictions. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 127, No. 2, pp. 105-113
Tasa deerosión
Esfuerzo cortante
Categorías de erosiónCategorías de erosión((BriaudBriaud, 2008), 2008)
G E O T E C N I A
( ).Z f τ=
Tasa deerosión
( ).Z f τ=
Esfuerzo cortante(en la interfaz suelo-agua)
Fuente: — Briaud, J. L. (2008). Case histories in soil and rock erosion: Woodrow Wilson bridge, Brazos river meander, Normandy cliffs and New Orleans levees. Journal of
Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 134, No. 10, (October 1, 2008), ASCE, pp. 1424-1447.
• Tamaño del grano Controla la erosión en suelos de grano grueso
• PlasticidadInfluye significativamente en la erosión de suelos de grano fino.
Métodos de diseño contra tubificaciónMétodos de diseño contra tubificación G E O T E C N I A
MaterialCriterio de Bligh
CB**Criterio de Lane
CL**Arena fina y limo 18 8.5Arena gruesa 12 6.0Grava y arena 9 3.0Boleos, grava y arena 4 2.5
∗∗∑ + ∑= ≥
13
L L
t bC C
h
∗∗∑ + ∑= ≥B B
b tC C
h
• Bligh:(1912)
• Lane:(1935)
Valores mínimos recomendados para evitar la erosión del suelo
Boleos, grava y arena 4 2.5
Tablestaca
Presa
h
b1
b2t1 t2
t3
t4
Fuente: Casagrande, A. (1968). Notes of engineering 262 Course, Vol. 1, Harvard University, Cambridge, Massachusetts.
G E O T E C N I AMétodos de diseño contra tubificaciónMétodos de diseño contra tubificación
MaterialIc,crit para casos con una sola tablestaca
Ic,crit para otros casos
Arena fina 0.15 a 0.20 0.12 a 0.16Arena media 0.20 a 0.26 0.15 a 0.20Arena gruesa 0.30 a 0.39 0.25 a 0.33
= ≤∑
,c c criti
hI I
T ζ• Tschugajew:
(1965)
Gradientes de control críticos de acuerdo con Tschugajew (1965)
Estrato impermeable
h
s1T
s0s2
s3
Nivel aguas arriba
Nivel aguas abajo
Fuente: Achmus, M. (2011). Investigations regarding erosion and suffusion at IGtH, Institute for Geotechnical Engineering (IGtH), Leibniz University Hannover, Germany.TC 201 Meeting Delft, May 2011.
G E O T E C N I A
Material is,adm
• Novak et al.(1992)
Gradientes de salida admisibles (Novak et al., 1992)
Métodos de diseño contra tubificaciónMétodos de diseño contra tubificación
Arena fina 0.14 a 0.17Arena gruesa 0.17 a 0.20Grava 0.20 a 0.25
Fuente: Achmus, M. (2011). Investigations regarding erosion and suffusion at IGtH, Institute for Geotechnical Engineering (IGtH), Leibniz University Hannover, Germany.TC 201 Meeting Delft, May 2011.
G E O T E C N I A
Gradientes hidráulicos críticosGradientes hidráulicos críticospara la ocurrencia de tubificaciónpara la ocurrencia de tubificación
Tipo de suelo Grava Arena
gruesa
Arena
media
Arena
fina
ic Chugaev 0.25 0.25 0.11 0.10
ic Bligh 0.11 0.083 ---- 0.067
i Lane 0.095 0.067 0.056 0.048
Comparación de valores obtenidos por varios autoresen función del tipo de suelo (Perzlmaier et al., 2007)
Fuente: Jantzer, I. & Knutsson, S. (2010). “Critical gradients for tailings dam design”, Lulea University of Technology, Sweden, Proceedings Mine Waste 2010 (Editors: Andy Fourie& Richard Jewell), pp. 23-32, ISBN 978-0-9806154-2-5, Australia.
ic Lane 0.095 0.067 0.056 0.048
ic Mueller-Kirchenbauer,
límite inferior
---- 0.12 0.08 0.06
ic Mueller-Kirchenbauer,
límite superior
---- 0.17 0.10 0.08
ic Weijers and Sellmeijer, Cu = 1.5 0.28 0.18 0.16 0.09
ic Weijers and Sellmeijer, Cu = 3 0.34 0.28 0.24 0.14
G E O T E C N I A
Flujo transitorio en
bordos
Flujo transitorio en
bordos5)5) bordosbordos5)5)
55.1 .1 Estudio considerando vaciado rápidoEstudio considerando vaciado rápidoG E O T E C N I A
30 m
Homogeneous and isotropic soil
Final level0.0 m
6 m
Initial level5.5 m
12 m
α=26.57°
Impervious boundary
Geometría simplificada y condiciones de frontera
30 m
Desaturación
(%)
Grado de saturación para t = 4 d (345200 s)
Vectores de velocidad (magnitud) para dos Vectores de velocidad (magnitud) para dos tiempos distintos durante el vaciado rápidotiempos distintos durante el vaciado rápido
G E O T E C N I A
(a) t = 1 d (86000 s)
VVmáxmáx=2.46=2.46××1010--66 m/sm/s
(b) t = 4 d (345200 s)
VVmáxmáx=4.66=4.66××1010--66 m/sm/s
Erosión local
Erosión en bordosErosión en bordosG E O T E C N I A
Inicio de la erosiónInicio de la erosión
Márgenes
TubificaciónTubificación
Resultados al final del vaciado rápido (Resultados al final del vaciado rápido (tt=5 d)=5 d)G E O T E C N I A
Gradientes hidráulicos (magnitud) al final del vaciado rápido (t=5 d)
imax = 0.499
Vectores de velocidad y reducción del gradiente hidráulico (magnitud) al final del vaciado rápido (t=5 d) debido a la construcción de un dren horizontal en el bordo
imax = 0.25 Dren Dren horizontalorizontal
G E O T E C N I A
EstratigrafíaPropiedades de los materiales
4.0m
100.0m
10.4m
6.7m7
45
6
1 2 3
Geometría simplificada
55.2 .2 Estudio considerando Estudio considerando llenadollenadoy y vaciado vaciado rápidorápido
EstratigrafíaN Material
Conductividad hidráulica “k”
Relación de vacíos “e”
1 SC0.0864 m/d
(1 10-6 m/s)0.43
2 CL0.0864 m/d(1 10-6 m/s)
0.50
3 OH0.00864 m/d(1 10-7 m/s)
0.90
4 SC0.0864 m/d
(1 10-6 m/s)0.43
5 SM0.0864 m/d
(1 10-6 m/s)0.43
6 OH0.00864 m/d(1 10-7 m/s)
0.90
7Terraplén de arcilla
0.00864 m/d(1 10-7 m/s)
0.70
Propiedades de los materiales
Arena arcillosa (SC) Arcilla arenosa de baja plasticidad(CL)Limo arcillo-arenoso orgánico de alta plasticidad (OH)Arena arcillosa (SC)
Arena limosa (SM)
Arcilla orgánica de alta plasticidad (OH)
Terraplén de arcilla
12
345
7
6
Estación pluviométric
a
Estación pluviométric
a Gaviotas
Gaviotas
G E
O T
E C
N I A
Ubicación(C
ON
AG
UA
, 20
09
)
Villaherm
osaV
illahermosa
Gaviotas
Gaviotas
Porvenir
Muelle
Pueblo
González
0.0
20
.0
40
.0
60
.0
80
.0
10
0.0
12
0.0
14
0.0
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
15-oct-07
16-oct-07
17-oct-07
18-oct-07
19-oct-07
20-oct-07
21-oct-07
22-oct-07
23-oct-07
24-oct-07
25-oct-07
26-oct-07
27-oct-07
28-oct-07
29-oct-07
30-oct-07
31-oct-07
01-nov-07
02-nov-07
03-nov-07
04-nov-07
05-nov-07
06-nov-07
07-nov-07
08-nov-07
09-nov-07
10-nov-07
11-nov-07
12-nov-07
13-nov-07
14-nov-07
15-nov-07
16-nov-07
17-nov-07
18-nov-07
19-nov-07
20-nov-07
21-nov-07
22-nov-07
23-nov-07
24-nov-07
25-nov-07
26-nov-07
27-nov-07
28-nov-07
29-nov-07
30-nov-07
Elevación (msnm)
Elev
ación
NA
MO
Precip
itación
(mm
)
5.4
2 m
snm
Pueblo
nuevoD
atos(C
ON
AG
UA
, 20
09
)
Condiciones de fronteraCondiciones de fronteraconsideradas en los análisisconsideradas en los análisis G E O T E C N I A
(a) Llenado
13.7 m9.6 m
Nivel máximo 16.4 mNivel inicial
10
11
12
13
14
15
16
17
18
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44
Niv
el d
e ag
ua
(m)
Tiempo (días)
Nivel inicial
Nivel máximoLlenado
Tiempo (días)
Niv
el d
e ag
ua (
m)
(b) Vaciado
Frontera impermeable
11.3 m 9.6 m
Nivel final
Frontera impermeable
Nivel máximo 16.4 m 10
11
12
13
14
15
16
17
18
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44
Niv
el d
e ag
ua
(m)
Tiempo (días)
Vaciado
Nivel final
Nivel máximo
Tiempo (días)
Niv
el d
e ag
ua (
m)
Resultados para la condiciónResultados para la condiciónde flujo establecido inicialde flujo establecido inicial
G E O T E C N I A
Líneas equipotenciales (m)kN/m2Campo de presión poro
Línea superior de flujo
10.4
10.8
11.2
11.6
12.0
12.4
Línea superior de flujo
Línea superior de flujo
Vmax = 1.2×10-2
V =0.8×10-2
V =0.6×10-2
imax =0.975i =0.476
Campo de gradiente hidráulico (adimensional)
Campo de velocidadde flujo (m/d)
Grado de saturaciónGrado de saturaciónpara diferentes tiempospara diferentes tiempos G E O T E C N I A
Tiempo transcurrido = 1 día
Tiempo transcurrido = 9 días
Tiempo transcurrido = 30 días
(%)
Tiempo transcurrido = 38 días
(a) Llenado:(a) Llenado: (b) Vaciado:(b) Vaciado:
Tiempo transcurrido = 44 díasLínea dedesaturación
Tiempo transcurrido = 17 díasLínea desaturación
G E O T E C N I ALíneas de saturación
Líneas de desaturación
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70
Alt
ura
(m
)
Ancho del terraplén (m)
t = 1 d
t = 9 d
t = 14 d
t = 17 d
Ancho del bordo (m)
Alt
ura
(m)
Llenado:
Vaciado: Líneas de desaturación
● Están a la presión atmosférica. ● No son líneas de flujo ni equipotenciales.● En los puntos donde son intersecadas por líneas equipotenciales, satisfacen la propiedad: h = z
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70
Alt
ura
(m
)
Ancho del terraplén (m)
t = 20 d
t = 26 d
t = 34 d
t = 44 d
Ancho del bordo (m)
Alt
ura
(m)
G E O T E C N I A
Gradiente hidráulico (magnitud) Gradiente hidráulico (magnitud) en diferentes tiemposen diferentes tiempos
Tiempo transcurrido = 9 días
imax =1.242i=1.1 0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
(adim
ensi
onal
)
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
Gra
die
nte
, i
(adim
ensi
onal
)
i=0.756imax =1.042
Tiempo transcurrido = 1 día
imax =1.242i=1.1
Tiempo transcurrido = 17 días
imax=1.549i=1.377
i=1.378
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Gra
die
nte
, i
(adim
ensi
onal
)
0.0
0.10.20.30.40.50.60.7
0.80.91.01.11.21.31.4
1.5
Gra
die
nte
, i
(adim
ensi
onal
)
G E O T E C N I A
Vectores de velocidad (magnitud) Vectores de velocidad (magnitud) en diferentes tiempos (m/d)en diferentes tiempos (m/d)
Día 17 del llenado
V=1.23×10-2
V=1.19×10-2Vmax=1.38×10-2
Día 44 del vaciado
V=3.54×10-3 Vmax=7.55×10-3
G E O T E C N I AConclusiones del análisis anteriorConclusiones del análisis anterior
1) En las condiciones de llenado y vaciado rápido, los valores más altos develocidades de flujo y gradientes hidráulicos ocurren en el pie del talud de aguasabajo del bordo. Los valores del gradiente hidráulico en esa zona mayores que eldenominado gradiente crítico pueden facilitar la tubificación global a través delcuerpo del bordo o a través del suelo de cimentación.
2) Durante el vaciado las velocidades de flujo y los gradientes hidráulicosgenerados cerca del talud de aguas arriba del bordo cuando el nivel del aguadesciende no son despreciables; en condiciones extremas (p.ej. lluvia intensadurante cierto tiempo) pueden facilitar la erosión local del material de esas áreasy poner en peligro la estabilidad del talud.
G E O T E C N I A
Análisis de estabilidad de taludes
considerando vaciado rápido
Análisis de estabilidad de taludes
considerando vaciado rápido6)6) considerando vaciado rápidoconsiderando vaciado rápido6)6)
G E O T E C N I AModelado numéricoModelado numérico
Vaciado rápido Malla deformada
Análisis acoplado flujo-deformación
Frontera impermeable
Arena arcillosa (SC)Arcilla arenosa (CL)
Limo arcillo-arenoso orgánico de alta plasticidad (OH)
Arena arcillosa (SC)
Arena limosa (SM)
Arcilla orgánica de alta plasticidad (OH)
Análisis de estabilidad de talud
– Plaxflow– Plaxis
Método de reducción de los parámetros de resistencia(phi-c reduction method)
G E O T E C N I A
7)7) Métodos para incrementar
la seguridad de bordos
Métodos para incrementar
la seguridad de bordos7)7) la seguridad de bordosla seguridad de bordos
Fuerzas actuantes en la estabilidad Fuerzas actuantes en la estabilidad de un taludde un talud (modificado de González, 2004)
G E O T E C N I A
Lluvia
Sobrecarga
Variación de niveles
Fuente: González, L., 2004, Ingeniería Geológica, Prentice Hall.
de niveles de agua
(Llenado/Vaciado)
a) Disminución delángulo del talud
b) Eliminación de peso en la corona e
c) Refuerzo y pesoen el pie del talud
Métodos para incrementar la Métodos para incrementar la seguridad de taludes en suelosseguridad de taludes en suelos G E O T E C N I A
ángulo del talud peso en la corona e incremento en el pie
e) Refuerzo con anclaje y muro
Fuente: González, L., 2004, Ingeniería Geológica, Prentice Hall.
en el pie del talud
d) Drenaje (disminución del nivel freático)
a) Muro de pie, relleno y drenes californianos
Modificación de la geometríaModificación de la geometría G E O T E C N I A
Fuente: González, L., 2004, Ingeniería Geológica, Prentice Hall.
b) Escolleras
G E O T E C N I AModificación de la geometríaModificación de la geometría
Esquema de un talud estabilizado con escolleras
Talud estabilizado con escolleras
Fuente: González, L., 2004, Ingeniería Geológica, Prentice Hall.
a) Esquema de un talud con drenaje
G E O T E C N I AMedidas de drenajeMedidas de drenaje
b) Drenes transversales al
talud
Fuente: González, L., 2004, Ingeniería Geológica, Prentice Hall.
a) Galería de drenaje. Inadecuado
b) Drenes horizontales. Inadecuado
c) Pozos de bombeo y drenes horizontales. Adecuado
Disposición y eficacia de los Disposición y eficacia de los sistemas de drenaje en un taludsistemas de drenaje en un talud G E O T E C N I A
d) Galería de drenaje.Inadecuado
e) Galería con drenaje vertical. Adecuado
f) Drenes horizontales. Inadecuado
g) Drenes horizontales. Adecuado
Características de los materiales:
1 Material poco permeable (10-7cm/s)2 Material permeable (10-3cm/s)3 Material de permeabilidad media (10-5cm/s)
Fuente: González, L., 2004, Ingeniería Geológica, Prentice Hall.
Geotextiles, Geotextiles, geomembranasgeomembranasy y geomallasgeomallas G E O T E C N I A
a) Geotextil para separar suelos diferentes y conducir flujo b) Dren para una cimentación
o un pavimento
Fuente: Geotecnia, Cap. 23 Manual de Ingeniería de Ríos, Mendoza, Febrero 1998, Series I. de I. UNAM
c) Geotextiles para drenar el agua del suelo tras un muro de retención
d) Geomateriales para reducir el flujo a través o bajo un bordo
e) Geotextil para reforzar la base de un camino, y separar de la sub-base
a) Pantalla múltiple de micropilotes
G E O T E C N I AElementos estructuralesElementos estructurales
Fuente: González, L., 2004, Ingeniería Geológica, Prentice Hall.
b) Anclas
G E O T E C N I AElementos estructuralesElementos estructurales
Esquema de un anclaTalud estabilizado con anclas y
concreto
Fuente: González, L., 2004, Ingeniería Geológica, Prentice Hall.
c) Muros y pantallas de pilotes anclados
G E O T E C N I AElementos estructuralesElementos estructurales
Esquema de un talud estabilizado con anclas y pilotes anclados
Fuente: González, L., 2004, Ingeniería Geológica, Prentice Hall.
G E O T E C N I AMuros de tierra armadaMuros de tierra armada
Fuente: González, L., 2004, Ingeniería Geológica, Prentice Hall.
Muretes de piedra o de sacos de arenaMuretes de piedra o de sacos de arenaG E O T E C N I A
Fuente: Geotecnia, Cap. 23 Manual de Ingeniería de Ríos, Mendoza, Febrero 1998, Series I. de I. UNAM
b) Uso de gaviones para formar estructuras de retención
a) Protección de un relleno arenoso mediante gaviones y geotextiles
GavionesGavionesG E O T E C N I A
Fuente: Geotecnia, Cap. 23 Manual de Ingeniería de Ríos, Mendoza, Febrero 1998, Series I. de I. UNAM
c) Muros de retención mediante gaviones
Secciones tipo según
Muros de encauzamientoMuros de encauzamientoG E O T E C N I A
a) Cantiliver o voladizo simple y tablestaca
b) Gravedad c) Celular
tipo según Linsley &
Franzini (1979)
Fuente: Obras de protección para el control de inundaciones, Maza & Franco, 1997, Series I. de I. UNAM
d) Losas y machones e) Machones f) Cantiliver en T
Muro de encauzamiento
Muros de encauzamientoMuros de encauzamientoG E O T E C N I A
a) Sin espacio disponible para el bordo
encauzamiento según Petersen
(1986)
Fuente: Obras de protección para el control de inundaciones, Maza & Franco, 1997, Series I. de I. UNAM
b) El espacio no es suficiente para dar toda la altura al bordo
a) Protección con muros de encauzamiento según Walesh (1989)
Muros de encauzamientoMuros de encauzamientoG E O T E C N I A
b) Sección transversal de un muro de encauzamiento según
Fuente: Obras de protección para el control de inundaciones, Maza & Franco, 1997, Series I. de I. UNAM
b) Sección transversal de un muro de encauzamiento según Walesh (1989)
a) Espigón empotrado
EspigonesEspigonesG E O T E C N I A
c) Forma en planta de los espigones
Fuente: Estabilización y rectificación de ríos, Cap. 14 Manual de Ingeniería de Ríos, Maza & García, 1996, Series I. de I. UNAM
b) Espigón apoyado en la margen y en un río sin escurrimiento en estiaje
G E O T E C N I A
Formas de Formas de
proteger un proteger un
recubrimiento recubrimiento
marginal marginal
a) Recubrimiento desplantado a una elevacióninferior que la de la posible erosión
Fuente: Estabilización y rectificación de ríos, Cap. 14 Manual de Ingeniería de Ríos, Maza & García, 1996, Series I. de I. UNAM
marginal marginal
contra contra
erosiónerosiónb) Trinchera rellena de enrocamiento
c) Delantal de protección
Dique marginal empleado para Dique marginal empleado para formar una nueva margenformar una nueva margen G E O T E C N I A
Fuente: Estabilización y rectificación de ríos, Cap. 14 Manual de Ingeniería de Ríos, Maza & García, 1996, Series I. de I. UNAM
G E O T E C N I A
8)8) Recomendaciones generales
para el diseño de bordos
Recomendaciones generales
para el diseño de bordos
8.1 A nivel de diseño de bordos nuevos
8.2 Solución inmediata a problemas locales
8.3 Verificación y monitoreo de bordos existentes
Evitar filtraciones al nivel de desplante:
Ser generoso con el despalme
Construir un dentellón de ser necesario
Evitar erosión interna de los materiales del bordo
No usar materiales limosos en el cuerpo del bordo ni arcillas
dispersivas
Incorporar filtro en la sección (horizontal/chimenea) de ser necesario
Evitar asentamientos excesivos que conduzcan a pérdida de bordo libre:
No desplantar sobre suelos muy compresibles
Aspectos importantes en el Aspectos importantes en el diseño de bordos de proteccióndiseño de bordos de protección
G E O T E C N I A
No desplantar sobre suelos muy compresibles
No desplantar sobre suelos colapsables
Evitar agrietamiento:No usar materiales arcillosos plásticos en el cuerpo del terraplén
No desplantar el bordo sobre materiales de compresibilidades diferentes
Evitar falla por cortante de taludesTaludes > 2:1
No construir con materiales finos saturados
Evitar falla por cortante de la cimentaciónTaludes con menor pendiente sobre suelos blandos (hasta 5:1 en arcillas
muy blandas, turbas, etc.)
Evitar erosión al pie del talud:
Protección con enrocamiento
Protección con bloques, bolsacreto, etc.
Tablestacado
Evitar falla por cortante de taludesDar poca pendiente a los taludes
No construir con materiales finos saturados
Aspectos importantes en la Aspectos importantes en la estabilidad de márgenes de ríoestabilidad de márgenes de río
G E O T E C N I A
No construir con materiales finos saturados
Incorporar drenaje en la sección transversal para evitar los efectos del
vaciado rápido (camas de arena limpia con tubos drenantes perforados
de PVC o albañal envueltos en geotextil)
No sobrecargar los taludes con bordos de protección pesados
(tierra armada?)
Evitar drenaje domiciliario a través del talud
Evitar agrietamiento:
No usar materiales arcillosos plásticos en el cuerpo del talud
a) Exploración geotécnica detallada
• Bordos en las
márgenes
• Bordos de protección
Sondeos mixtos a cada 50m de separación y 30m de profundidad (o hasta encontrar estrato resistente)
Sondeos mixtos a cada 250m de separación y 30m de profundidad (o hasta encontrar estrato resistente)
b) Mejoramiento del suelo
• Bordos en las
márgenes
• Bordos de protección
Ver detalles en dibujo
–Precarga
–Inclusiones
–Inclusiones
Ver detalles en dibujo
88.1 .1 A nivel de diseño de bordos nuevosA nivel de diseño de bordos nuevosG E O T E C N I A
c) Diseño “robusto” –Despalme generoso
–Dentellón–Filtros–Taludes > 2:1, etc.
Ver detalles en dibujo
• Bordos en las
márgenes
• Bordos de protección
–Protección marginal–Filtros–Taludes > 2:1, etc.
Ver detalles en dibujo
d) Controlde calidad
• Bordos en las
márgenes
• Bordos de protección
–Calas volumétricas
–Espesor de capas, etc.
― Bordosen las márgenes
RECUBRIMIENTO
0.15 m
22.00 m
MEJORAMIENTO DE MATERIAL
2 %2 %
-24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12
DE APOYO
EJE POLIGONAL
EJE PROYECTO
INCLUSIONES DE
MEJORAMIENTO
RECUBRIMIENTO MARGINAL
SOBREELEVACIÓN DE BORDO
• Inclusiones
‒‒‒‒Elementos de concreto prefabricado o tubos de acero‒‒‒‒Columnas balastadas‒‒‒‒Columnas de cal-cemento mezcladas in situ‒‒‒‒Micropilotes‒‒‒‒Inclusiones de mortero envueltas en geotextil‒‒‒‒Jet grouting
Mejoramiento del sueloMejoramiento del sueloG E O T E C N I A
― Bordos de protección
• Precarga
• Inclusiones
‒‒‒‒Elementos de concreto prefabricado o tubos de acero‒‒‒‒Columnas balastadas‒‒‒‒Columnas de cal-cemento mezcladas in situ‒‒‒‒Micropilotes‒‒‒‒Inclusiones de mortero envueltas en geotextil‒‒‒‒Jet grouting
‒‒‒‒Simple
‒‒‒‒Con sistema de drenaje
Suelo resistente
Bordo
Arcilla
Inclusiones
― Bordos en las márgenes
Material arcilloso
impermeable bien
compactado (sin
estratificaciones)
•Limoso
•PlásticoMejoramiento del suelo
(ej. con inclusiones)
Río
Evitar sobrecargaexcesiva
Taludes > 2 : 1(hasta 5 : 1 en arcillas muy blandas y turbas)
Recubrimiento
marginal
―Enrocamiento―Protección con
bloques, bolsacreto, tapete flexible, etc.
―Espigones―Tablestacado
Filtro
Geotextil tejido de alta resistencia (en suelos muy blandos)
Diseño “Diseño “robustorobusto” de bordos” de bordosG E O T E C N I A
― Bordos de protección
•Plástico
•Arcilla expansiva(ej. con inclusiones)
Material arcillosoimpermeable, bien
compactado(sin estratificaciones)
Filtro para control de erosión interna
LimosoPlásticoArcilla expansiva
DentellónFiltro para control de vaciado rápido
NAF (original)
Nivel de agua máximo
Taludes > 2 : 1(hasta 5 : 1 en arcillas muy blandas y turbas)
Mejoramiento del suelo
(ej. con inclusiones)
Geotextil tejido de alta resistencia (en suelos muy blandos)
InclusionesInclusiones
ETAPA 2
Perforación hasta la
profundidad de
proyecto
ETAPA 1
Colocación y nivelación
de maquinaria
ETAPA 3
Colado del elemento
con concreto
ETAPAS 4 y 5
Limpieza del barreno.
Colocación del material
de relleno de la punta
superior
―En bordos de
― Bordos en las márgenes
‒‒‒‒Reconstrucción total (diseño robusto; en caso necesario, reforzamiento del suelo)
Reparación de tramo dañado:
• Sustitución del material que ya ha fallado.
• Reforzamiento del suelo, en caso necesario.
• Reconstrucción del bordo con características señaladas antes
(taludes >2:1; filtros; material bien compactado; etc.)
• Colocación de protección marginal.
88.2 .2 Solución inmediata a problemas localesSolución inmediata a problemas localesG E O T E C N I A
―En bordos de protección que ya han fallado
‒‒‒‒
caso necesario, reforzamiento del suelo)
‒‒‒‒Restitución de la continuidad (con trinchera impermeable)
Trinchera de material impermeable para dar continuidad
Dentellón
a) Calidad de la compactaciónde bordos
Penetrómetro Dinámico Ultraligero (Pénétromètre Autonome Numérique Dynamique Assisté –PANDA–)
88..3 3 Verificación y monitoreo de Verificación y monitoreo de bordos existentesbordos existentes
G E O T E C N I A
b) Permeabilidadde bordos
Prueba USBR E-19
• Medir asentamientos ‒‒‒‒ Nivelacionestopográficas
• Medir deformaciones y desplazamientos horizontales
‒‒‒‒ Nivelaciones topográficas
‒‒‒‒ Inclinómetros‒‒‒‒ Deformímetros
G E O T E C N I A
88.3 .3 Verificación y monitoreo de Verificación y monitoreo de bordos existentesbordos existentes
c) Instrumentación
• Medir esfuerzos verticales (ejercidos por el bordo sobre el suelo natural y su distribución con la profundidad)
• Medir presiones de poro bajo el bordo (conocer evolución
de la consolidación del terreno natural, así como el factor de seguridad)
‒‒‒‒Piezómetros
‒‒‒‒Celdas de presión
Instrumentación de un taludInstrumentación de un taludG E O T E C N I A
Control de asentamientos
Movimientos
Superficie del talud deslizado
Control de aperturade fisuras
Fuente: González, L., 2004, Ingeniería Geológica, Prentice Hall.
Movimientos horizontales
Inclinómetros
Zona de rotura
Micrómetro deslizante
Control de levantamientos
Gracias Gracias Gracias Gracias Gracias Gracias Gracias Gracias
por su por su por su por su por su por su por su por su
atenciónatenciónatenciónatenciónatenciónatenciónatenciónatención
Gracias Gracias Gracias Gracias Gracias Gracias Gracias Gracias
por su por su por su por su por su por su por su por su
atenciónatenciónatenciónatenciónatenciónatenciónatenciónatención
UNAMUNAM