Diseño de la presa de gaviones

Control de cárcavas y
represas de control
de azolve
Dr. José Luís Oropeza Mota
Control de Cárcavas y Represas de Control
Temas a considerar
1. Definición de cárcava
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
Objetivos del control
Causas de la formación de cárcavas
Daños ocasionados por cárcavas
Formas de las cárcavas
Tipos de cárcavas
Clasificación de cárcavas
Etapas de control
Tipos de control
Diseño de estructuras de control de azolve
Ejemplo de cálculo
Principales problemas de
conservación del suelo y del agua
1. Control de la erosión
2. Manejo del escurrimiento superficial
3. Uso eficiente del riego
4. Conservación de la humedad
5. Mantenimiento de la fertilidad del suelo
6. Drenaje y avenamiento de tierras bajas
7. Conservación de la infraestructura
hidroagrícola
Definición
Cárcava es una zanja ocasionada por la erosión
hídrica, sigue la máxima pendiente del terreno,
constituye un cauce natural en donde se
concentra y corre el agua proveniente de las
lluvias.
Objetivos del control de cárcavas
1. Control de los escurrimientos superficiales
2. Corrección de la pendiente de cauces
3. Disminuir la producción de sedimentos
4. Mejorar la calidad del agua de escurrimiento
5. Conservar la humedad en las laderas
6. Estabilización de taludes
7. Propiciar la vegetación natural
8. Propiciar la infiltración y recarga de acuíferos
9. Captación del agua
10. Mejorar el acondicionamiento hidráulico de los ríos
Control de cárcavas y represas de control de azolve
Consideraciones antes de aplicar medidas
correctivas en el control de cárcavas
Valor
de
la
tierra
- Rentabilidad
- Beneficio social
- Protección de:
- Obras hidráulicas
- Terrenos de riego
- Vías de comunicación
- Áreas urbanas
- Infraestructura hidroagrícola, etc.
Análisis del costo actual de la tierra y de la relación B/C
Causas de las formación de cárcavas
Cambios de uso del suelo
Uso inadecuado de laderas
Lluvias de alta intensidad
Concentración de flujos superficiales
Caminos no protegidos
Hábito subterráneo de roedores
Prácticas inadecuadas de laboreo
Pérdida de la resistencia del suelo
Ruptura de obras aguas arriba
Aprovechamientos forestales
Daños ocasionados por cárcavas
Arrastre de suelo fértil y pérdida de m.o.
Disminución de la humedad aprovechable
Azolvamiento de obras hidráulicas
Propicia el encostramiento del suelo
Reduce el área cultivable
Afecta el tránsito de maquinaría y vehículos
Aumentan los costos de operación
Pérdida de insumos agrícolas
Disminuye la productividad
Formas de las cárcavas
1. En forma de U
1.1. Suelos arcillosos
1.2. Sin piedra
2. En forma de V
2.1. Suelos arenosos
2.2. Pedregosos
Tipos de cárcavas
1. En forma de canal
2. Punta de fecha
3. Concha
4. Socavación por
desbordes
Clasificación de cárcavas
1. Por su profundidad
1.1. Cárcava pequeña:
1.2. Cárcava mediana:
1.3. Cárcavas grande:
Sí la prof. es < de 1 m
Sí la prof. es de 1 a 5 m
Sí la prof. es > de 5 m
2. Por su tamaño de cuenca
2.1. Cárcava pequeña:
1.2. Cárcava mediana:
1.3. Cárcava grande:
Sí la cuenca es < de 2 ha
Sí la cuenca es de 2 a 5 ha
Sí la cuenca es > de 5 ha
Longitud
Cabezeo
Ancho margen izquierdo
Ancho margen derecho
Profundidad
Control de cárcavas y represas de control de azolve
Prácticas a
nivel de
cárcavas
Control de cárcavas y represas de control de azolve
Tipos de Rehabilitación:
1. Rehabilitación parcial (económica-preventiva)
.-
No llega a recuperar el estado original de la cárcava
El problema de degradación persiste
Se ocasionan gastos inútiles, tiempo y esfuerzo
No controla la erosión remontante (origen de la cárcava).
2. Rehabilitación total (cara-definitiva)
-
Considera la rehabilitación del sistema hidráulico
Utiliza estructuras permanentes de control
Crea nuevas condiciones hidráulicas para el escurrimiento
Controla la erosión remontante.
Control de cárcavas y represas de control de azolve
Etapas en el control de una cárcava
1). Longitud (origen de la cárcava)
- Etapa conocida como cabeceo de la cárcava
- Controla el crecimiento longitudinal de la cárcava
- Control de la erosión remontante
2). Ancho (estabilización de taludes)
- Estabilizar taludes en ambas márgenes de la cárcava.
- Se controla y reduce el escurrimiento superficial lateral.
- Se controla el desarrollo de cárcavas ramificadas laterales.
3). Profundidad (selección del tipo de estructura)
- Evita que la cárcava profundice
- Controla el escurrimiento superficial
Control de cárcavas y represas de control de azolve
Clasificación de las obras de control
Las presas de control de azolves de acuerdo a los materiales
empleados para su construcción y la vida útil de estos se clasifican
en permanentes y temporales.
Estructuras permanentes:
- Presas de mampostería hidráulica
- Presas de mampostería seca
- Presas de gaviones
- Presas de muro vivo
Estructuras temporales:
- Presas de costales
- Presas de ramas y palos.
- Presas de muro vivo
Partes constitutivas de una cuenca hidrográfica y
origen de los sedimentos
Control de cárcavas y represas de control de azolve
Selección de los sitios de construcción
Parte más angosta de la cárcava
- Disminuir los costos de construcción.
- Lograr mayor estabilidad en las márgenes.
Seleccionar un tramo recto de aprox. 20m aguas arriba del sitio de
construcción.
El sitio deber tener taludes bien consolidados.
Las márgenes no deben ser origen de otra cárcava.
Si el sistema de drenaje se encuentra muy disectado, seleccionar
una confluencia (punto donde ocurren otras cárcavas) a fin de
controlar varias cárcavas con una sola obra.
El muro de control no deberá construirse en una bifurcación (punto
donde se originan dos cárcavas).
Control de cárcavas y represas de control de azolve
Espaciamiento entre presas
El espaciamiento más eficiente se obtiene cuando una presa se
construye en la parte donde terminan los sedimentos depositados
por la presa anterior.
El espaciamiento está en función de:
- Pendiente de la cárcava.
- Pendiente de los sedimentos
aguas arriba de la presa.
- Tratamiento que se pretenda en
el control.
Espaciamiento unitario
ESPACIAMIENTO
UNITARIO
ESPACIAMIENTO
Espaciamiento
doble DOBLE
Control de cárcavas y represas de control de azolve
Diseño de las presas
a) Determinar las secciones transversales de la cárcava. Estas deben
dibujarse a escala 1:100 preferentemente.
b) Determinar la curva de áreas y capacidades para cuantificar los
volúmenes de agua y sedimentos almacenados aguas arriba de la
presa.
c) Estimar el escurrimiento máximo que tiene lugar en la cuenca de la
cárcava (área de recepción) a fin de diseñar la capacidad máxima del
vertedor.
d) Considerar los empotramientos máximos permisibles en ambas
márgenes de la cárcava para evitar filtraciones que debiliten la
seguridad de las obras.
Control de cárcavas y represas de control de azolve
Diseño de las presas
e) Proporcionar un colchón amortiguador a fin de evitar el golpe de
la caída del agua sobre el piso aguas abajo de la obra en el
momento de verterse las aguas, evitando la socavación del lecho y
el deterioro de las paredes laterales.
f) Considerar el volumen total de excavación que la construcción
demande, así como la dureza del suelo y las condiciones físicas del
lecho de la cárcava.
Diseño de presas de ramas
Especificaciones
de diseño para
presas de
ramas
Diseño de presas de piedra acomodada
La función de las presas en el control de cárcavas es la contención
de azolves y la disminución de energía cinética del agua.
Diseño de presas filtrantes de piedra acomodada
Al igual que en las presas de
mampostería, se considera
como factor crítico para su
diseño, la resistencia al
volcamiento, debiendo por
tanto pasar la resultante de las
fuerzas que actúan en la
presa por el tercio medio de
su base.
Diseño de presas de piedra acomodada
De acuerdo al material existente en los sitios de construcción, se
consideran para el diseño de estabilidad las siguientes constantes:
Relación de vacíos = 1/3
Peso específico de la piedra = 2.4 ton/m3
Peso específico del agua con sedimentos = 1.2 ton/m3
Coeficiente de fricción: piedra sobre piedra = 0.67
piedra sobre grava = 0.5
El dimensionamiento de la base de la presa estará sujeto a la
siguiente fórmula:
B = 5 / 4c 2 + H 2 + c / 2
Donde: B es el ancho de la base (m); c es el ancho de
corona en m (valor obtenido experimentalmente); H es
la altura total de la presa (m). El bordo libre (BL) en
todos los casos será de 0.20 m y el ancho (B) del
zampeado se excederá en 0.60 m a la longitud (L) del
vertedor (0.30 m a cada lado)
Diseño de las presas de contención de azolves
Presa de mampostería
En las ecuaciones 3 y 6 las variables ya han sido definidas y para
encontrar el valor de B es necesario haber calculado antes el valor de
"e", por medio de la Ecuación 2, al obtener los valores de las variables
a, b y c, se deben sustituir en la Ecuación 3.
Para las condiciones medias de la región se utilizaron los siguientes
valores:
Pesos específico mampostería
γ = 2,400 Kg/m3
Pesos específico del agua con sedimentos ω = 1,200 Kg/m3
Bordo libre mínimo
HL = 0.20 m
Espesor mínimo corona
e mín = 0.20 m
Coeficiente de subpresión
Cs = 0, 1/2, 2/3 y 1.
Diseño de las presas de contención de azolves
En los cuadros siguientes (Cuadro 1 y 2) se presentan los valores
obtenidos para presas de hasta 6 m de altura efectiva (h) y carga
sobre el vertedor (Hd), que varían de 0.2 a 1.0 m.
Cuadro 1.- Dimensiones de base y corona, si se considera nula la subpresión C = O
Carga sobre el vertedor
Altura total vertedor
Ancho corona
Altura efectiva
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
5.00
5.50
6.00
0.20
0.40
0.30
0.30
0.50
0.30
0.40
0.60
0.30
0.50
0.70
0.30
0.60
0.80
0.40
0.70
0.90
0.50
0.80
1.00
0.50
0.90
1.10
0.60
1.00
1.20
0.70
0.40
0.70
1.10
1.50
1.80
2.20
2.50
2.90
3.30
3.60
4.00
4.10
0.45
0.80
1.15
1.60
1.90
2.30
2.60
3.00
3.40
3.70
4.10
4.40
0.50
0.90
1.25
1.60
2.00
2.40
2.70
3.10
3.50
3.80
4.20
4.50
0.60
0.95
1.35
1.70
2.10
2.50
2.90
3.20
3.50
3.90
4.30
4.60
0.65
1.00
1.35
1.80
2.20
2.50
2.90
3.20
3.60
3.90
4.30
4.70
0.70
1.00
1.40
1.80
2.20
1.50
2.90
3.30
3.60
4.00
4.40
4.80
0.75
1.10
1.45
1.90
2.20
1.60
3.00
3.30
3.70
4.00
4.40
4.80
0.80
1.15
1.50
1.90
2.30
2.70
3.00
3.40
3.70
4.10
4.50
4.80
0.90
1.20
1.55
1.90
2.30
2.70
3.00
3.40
3.80
4.10
4.50
4.90
Diseño de las presas de contención de azolves
Cuadro 2. Dimensiones de base y corona, considerando un coeficiente de subpresión
C = 1/3
Carga sobre el vertedor
Altura total vertedor
Ancho corona
Altura efectiva
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
5.00
5.50
6.00
0.20
0.40
0.30
0.30
0.50
0.30
0.40
0.60
0.30
0.50
0.70
0.30
0.60
0.80
0.40
0.70
0.90
0.50
0.80
1.00
0.50
0.90
1.10
0.60
1.00
1.20
0.70
0.45
0.80
1.15
1.55
1.95
2.35
2.75
3.15
3.55
3.95
4.30
4.70
0.50
0.85
1.25
1.65
2.05
2.45
2.85
3.25
3.65
4.05
4.45
4.80
0.55
0.95
1.35
1.80
2.20
2.60
3.00
3.35
3.75
4.15
4.55
4.95
0.60
1.00
1.45
1.85
2.25
2.65
3.05
3.45
3.85
4.25
4.65
5.00
0.70
1.10
1.50
1.90
2.30
2.70
3.10
3.50
3.90
4.30
4.70
5.10
0.75
1.10
1.50
1.95
2.35
2.75
3.15
3.55
3.95
4.35
4.75
5.15
0.80
1.20
1.60
2.00
2.40
2.80
3.20
3.60
4.00
4.40
4.80
5.20
0.90
1.25
1.60
2.00
2.45
2.85
3.25
3.65
4.05
4.45
4.85
5.25
0.95
1.30
1.70
2.10
2.50
2.90
3.30
3.70
4.15
4.65
4.90
5.35
Diseño de las presas de contención de azolves
Presa de mampostería
Diseño del colchón amortiguador
Como diseño del colchón amortiguador se entiende el encontrar su longitud y
profundidad, de tal modo que en su interior se produzca un salto hidráulico que
disipe la energía que obtiene el agua al caer desde la cresta vertedora al piso de la
cárcava. Con un colchón adecuado evitamos la socavación aguas abajo de la
estructura.
hvc
hd
dc
Sección de control
z
hv1
d2 dn = dc
p
d1
L
Diseño de las presas de contención de azolves
Para diseñar el colchón hidráulico se debe tener en cuenta la ley de
Conservación de la Energía (Bernoulli) así, de la Figura 13, se tiene:
hvc
hd
dc
Sección de control
z
hv1
d2 dn = dc
p
d1
z + dc + hvc = d1 + hv1
(1)
L
donde: z es la diferencia de nivel entre la cresta vertedor y el piso del colchón; dc
es el tirante crítico, nivel del agua sobre la cresta vertedora; hvc es la carga de
velocidad al presentarse el tirante critico; d1 es el tirante en la sección más
contraída de la vena líquida; y hv1 es la carga de velocidad en el lugar donde se
presenta d1.
Diseño de las presas de contención de azolves
Para resolver la ecuación anterior se debe encontrar el tirante d1 que la satisfaga
por medio de tanteos. Con el fin de encontrar una solución aplicable a todas
nuestras cortinas, se considero que Z = altura efectiva de la presa, i.e. z = h,
además se utilizó el concepto de gasto unitario (q) que es el gasto que pasa por
una longitud de un metro de vertedor.
Expuesto lo anterior, las variables involucradas se determinan por medio de las
siguientes fórmulas:
Q
q=
B
(2)
donde q = gasto unitario (m3/s)/m; Q es el gasto total en el vertedor (m3/s); y B es
la Longitud de la cresta vertedora (m).
Diseño de las presas de contención de azolves
q2
dc = 3
g
(3)
donde g = aceleración de la gravedad = 9.81 m/seg2
hvc = (9/dc)2/2g
d1 = Se calcula por tanteos.
V1 2
hv1 =
2g
donde
q
V1 =
d1
(4)
Habiendo calculado z, dc y hvc, se procede a dar valores a d1, se obtiene el
valor hv1 y se sustituyen valores en la ecuación 1 para ver sí esta se cumple.
Generalmente se requieren varios tanteos para que la diferencia sea mínima y se
toma como d1 el valor obtenido al final.
Diseño de las presas de contención de azolves
Una vez obtenido el tirante d1 (conjugado menor) se procede al cálculo del
conjugado mayor (d2) que es la altura de la superficie libre del agua al final del
salto hidráulico, con la ecuación 5.
2
1
2
2V1 d1
d1
d
+
d2 = − +
2
4
g
(5)
Para que el salto se presente en el interior del colchón hidráulico y no en áreas
desprotegidas donde causaría daños al cauce, se debe cumplir con lo siguiente:
Longitud del colchón L = 5 (d2 -d1 )
Profundidad del colchón p = d2 -dc
Debido al costo de una excavación para darle profundidad al colchón es preferible
interpretar a p como la altura del dentellón final.
Diseño de las presas de contención de azolves
Finalmente, para asegurar que el salto sea estable, el número de Froude (Fr)
deberá tener un valor entre 4.5 y 9, es decir: 4.5 < Fr < 9
V1
Fr =
gd1
Como se habrá notado, el cálculo de un solo colchón hidráulico es laborioso,
pudiendo ser el último de los cálculos.
Cuando el salto no es estable. Con el fin de realizar cálculos innecesarios se han
obtenido las siguientes tablas.
En las tablas cada gasto se transformó en la carga diseño del vertedor
correspondiente (Hd), y se presentan los números de Froude en cada caso para
seleccionar en dimensiones que permitan un salto estable.
Diseño de las presas de contención de azolves
Tabla de cargas
de diseño del
vertedor (Hd)
Fórmula resuelta:
Carga de diseño Gasto unitario q
Hd (m)
(m3/s)/m
0.2
0.13
0.3
0.238
0.4
0.367
0.5
0.513
0.6
0.674
0.7
0.849
0.8
1.038
0.9
1.238
1
1.45
Q = CLH
c = 1.45
3
2
Metodología de planificación, diseño y cálculo
de presas para control de azolves construidas
con gaviones rectangulares
Construcción de gaviones rectangulares
Consideraciones prioritarias:
Planificación de la cuenca hidrológica donde se pretende ubicar
las estructuras de control de azolves.
Propuesta de las diferentes opciones para adoptar el diseño más
conveniente.
Cálculo donde se indica el procedimiento analítico que guarda la
estabilidad estructural de las presas de gaviones, así como
algunas características hidráulicas de la cárcava, volúmenes de
sedimento a retener y costos.
Construcción de gaviones rectangulares
Los gaviones se definen como
prismas rectangulares formados
por malla de alambre galvanizado,
los cuales se rellenan de piedra
con el objeto de formar el cuerpo
de la obra que constituye la presa
de control. Las mallas de alambre
presentan la forma de un hexágono
entrelazado con triple torsión y de
peso por metro cúbico de gavión
constante.
7 cm
Definición
5 cm
Construcción de gaviones rectangulares
Partes de un gavión rectangular
El rectángulo I forma la tapa
del gavión y los rectángulos
II y IV las caras frontales y la
base esta formada por el
rectángulo III, las cabezas
(T) forman las caras
laterales, las cuales cierran
el prisma rectangular.
IV
T
T
II
I
Número de
malla
Cuadro 1. Tipos de malla
comerciales para construcción de
gaviones rectangulares.
III
5×7
5×8
8 × 10
9 × 12
12 × 14
Calibre del
alambre
13
14
15
16
17
Diámetro del alambre
( mm)
2.0
2.2
2.4
2.7
3.0
Construcción de gaviones rectangulares
Cuadro 2. Medidas y precios unitarios de los gaviones rectangulares más
comúnmente utilizados en la construcción de presas para control de azolves
(febrero-2002)
Dimensiones (m)
Volumen Precio Costo/m3
Cód.
3
Unitario
(m
)
($)
Largo Ancho Alto
($)
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
2.0
3.0
4.0
2.0
3.0
4.0
2.0
3.0
4.0
1.5
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
0.5
0.5
0.5
0.3
0.3
0.3
1.0
2.0
3.0
4.0
1.0
1.5
2.0
0.6
0.9
1.2
1.5
309.00
439.00
367.00
218.00
310.00
407.00
183.00
260.00
341.00
230.00
154.50
146.33
141.75
218.00
206.66
203.50
305.00
288.88
294.16
153.33
Construcción de gaviones rectangulares
Diseño de la presa de gaviones
Determinar las secciones transversales de la cárcava donde se
desea llevar a cabo la construcción. Estas deben dibujarse a
escala 1:100 preferentemente.
Determinar la curva de áreas y capacidades con el fin de
cuantificar los volúmenes de agua y sedimentos que se
almacenaran aguas arriba de la presa.
Estimar el escurrimiento máximo que tiene lugar en la cuenca de
la cárcava (área de recepción) a fin de diseñar la capacidad
máxima del vertedor.
Diseñar el vertedor para satisfacer la capacidad de descarga del
escurrimiento máximo.
Construcción de gaviones rectangulares
Diseño de la presa de gaviones
Considere empotramientos máximos permisibles en ambos
márgenes de la cárcava para evitar filtraciones que debiliten la
seguridad de las obras.
Proporcionar un colchón amortiguador a fin de evitar el golpe de
la caída del agua sobre el piso aguas abajo de la obra en el
momento de verterse, evitando la socavación del lecho y el
deterioro de las paredes laterales. Considerar el volumen total de
excavación que la construcción demande, así como la dureza del
suelo y las condiciones físicas del lecho de la cárcava.
Construcción de gaviones rectangulares
Cálculo estructural
El cálculo estructural de una presa de gaviones constituye el
análisis de cada fuerza que actúa sobre el muro y que al mismo
tiempo determina la estabilidad de la obra.
En los procedimientos de cálculo utilizados en la construcción de
este tipo de obras, se analiza directamente la resistencia del
muro de gaviones a soportar los efectos por deslizamiento y
volteamiento causados por el empuje hidrostático del agua y los
sedimentos.
Construcción de gaviones rectangulares
Abastecimiento de materiales
Los materiales que estas obras requieren son los siguientes: Piedra,
alambre, gaviones y herramientas de trabajo. Debe considerarse
asimismo la construcción de caminos de acceso y la mano de obra
que generalmente se forma por una brigada de seis personas.
Ejecución de la obra
La ejecución de la obra es la etapa final de la planeación y contempla
los siguientes conceptos a realizarse en el orden indicado:
1. Excavación
4. Llenado y atirantado
2. Armado y cosido de los gaviones 5. Tapado y cosido
3. Colocación y punteado
6. Operación de armado de
gaviones
Construcción de gaviones rectangulares
Etapas de la operación de armado de gaviones
Primera etapa. Despliegue y enderezado de los gaviones (Figura 3a).
IV
T
III
II
I
T
Construcción de gaviones rectangulares
Etapas de la operación de armado de gaviones
Segunda etapa. Armado y cosido. Esta parte implica levantar las
caras frontales II y IV y coserlas con alambre galvanizado del número
13 con las caras laterales (T) hasta formar un verdadero cubo (Figura
3b).
D
C
I
F
E
IV
A
T
B
T
II
H
III
I
G
J
Construcción de gaviones rectangulares
Etapas de la operación de armado de gaviones
Tercera etapa. Colocado y punteado. En esta etapa el gavión se
coloca en el sitio seleccionado donde se va a levantar la presa. Con
objeto de unir un gavión con otro se lleva a cabo el punteado, el cual
consiste en amarrar las superficies de contacto entre gaviones (Figura
3c).
Construcción de gaviones rectangulares
Etapas de la operación de armado de gaviones
Cuarta etapa. Llenado y atirantado. El llenado de los gaviones debe
realizarse buscando el ángulo de reposo de la piedra, de tal manera
que se logre un mejor colocamiento. Cuando el llenado alcanza cierta
altura, es conveniente atirantarlo mediante alambres horizontales.
(Figura 3d).
Construcción de gaviones rectangulares
Etapas de la operación de armado de gaviones
Quinta etapa. Tapado y cosido. Esta etapa implica cerrar el gavión
una vez que ha sido llenado convenientemente mediante el cosido
de la tapa, logrando un bloque rectangular de mampostería
gavionada (Figura 16e).
Construcción de gaviones rectangulares
Evaluación de las Obras
Permite conocer el impacto, éxito y bondad de las obras a cumplir
con el objetivo para lo cual fueron construidas, al mismo tiempo que
determinan todos los posibles fracasos en el control.
Diseño de la presa de gaviones
Considera parámetros relacionados con la topografía del suelo y
características hidrológicas de la cuenca.
La topografía del suelo influye en la planificación como sigue:
1.- Espaciamiento entre presas
2.- Pendiente de la cárcava
3.- Pendiente de compensación
4.- Altura efectiva de la presa
Construcción de gaviones rectangulares
Diseño de la presa de gaviones
Las características hidrológicas de la cuenca influye en la
planificación como sigue:
1.- Area de captación de sedimentos
2.- Caudal máximo de diseño
3.- Diseño del vertedor
4.- Diseño de la colocación de los gaviones
Construcción de gaviones rectangulares
Diseño de la presa de gaviones
Aspectos topográficos
1. Espaciamiento entre presas: El espaciamiento entre presas
se determina en función de la relación siguiente:
H
E=
×100
Pc − Ps
(1)
Donde:
E es el espaciamiento entre dos presas consecutivas (m);
H es la altura efectiva de la presa (m);
Pc es la pendiente de la cárcava (%); y
Ps es la pendiente de compensación (%)
Construcción de gaviones rectangulares
Diseño de la presa de gaviones
2. Pendiente de la cárcava. La pendiente de la cárcava (Pc) se
determina con nivel montado y/o clinómetro usando la siguiente
relación:
Dn
Pc = ×100
L
(2)
Donde:
Pc es la pendiente de la cárcava (%);
Dn es el Desnivel entre dos puntos considerados (m); y
L es la longitud horizontal entre dos puntos (m).
Construcción de gaviones rectangulares
Diseño de la presa de gaviones
3. Pendiente de compensación.
La pendiente de compensación (Ps) también se conoce como
pendiente de aterramiento, este valor es siempre menor que (Pc).
Su valor se determina en función de las leyes del transporte
máximo de sedimentos. Para fines prácticos se ha determinado
que (Ps) toma valores entre 1% < Ps < 3.0%.
De acuerdo con la Ecuación (1) se pueden adoptar los criterios
de espaciamiento unitario y doble espaciamiento.
Construcción de gaviones rectangulares
Diseño de la presa de gaviones
El espaciamiento unitario considera la construcción de la presa de
acuerdo con la ecuación (1), (Figura 4).
Figura 4. Espaciamiento
unitario considerada en
las presas de gaviones.
E
PS
PC
El doble espaciamiento considera la construcción de la presa en
función de la ecuación (1) multiplicada por dos (Figura 5).
2E
Figura 5. Doble
espaciamiento
considerado en las
presas de gaviones.
Construcción de gaviones rectangulares
Diseño de la presa de gaviones
4. Altura efectiva de la presa. La altura de las presas de gaviones
se determina en función del aterramiento determinado por la
pendiente de la cárcava, la pendiente de compensación y el
espaciamiento. Su valor se determina a partir de la ecuación (1),
despejando el valor de (H).
H = E (Pc – Ps) (3)
Donde:
E es el espaciamiento entre dos presas consecutivas (m);
H es la altura efectiva de la presa (m);
Pc es la pendiente de la cárcava (%); y
Ps es la pendiente de compensación (%)
Construcción de gaviones rectangulares
Diseño de la presa de gaviones
Aspectos hidrológicos
1. Area de captación de sedimentos. El área de captación de
sedimentos se determina por cualquier procedimiento de topografía.
Se utiliza para determinar la curva de áreas, elevaciones y
volúmenes de sedimento que serán captados por la presa.
Cuadro 3. Cuadro de
ejemplo para construir
una gráfica de áreas,
elevaciones y volúmenes
de sedimento en
cárcavas.
Elevación
(m)
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Area
(m2)
0.0
12.3
18.4
29.7
41.8
50.4
70.6
Area
acumulada
(m2)
0.0
12.3
30.7
60.4
102.2
152.6
223.2
Equidistancia
(m)
0.0
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
Volumen
Parcial
(m3)
Volumen
total (m3)
0.00
6.15
15.35
30.20
51.10
76.30
111.60
0.00
6.15
21.50
51.70
102.80
179.10
290.70
Construcción de gaviones rectangulares
Diseño de la presa de gaviones
2. Caudal máximo de diseño. Un
procedimiento rápido y sencillo
para determinar el caudal máximo
para el diseño del vertedor de las
presas de gaviones es el método
de sección y pendiente.
A6
A5
A4
A3
A2
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
Figura 6. Área de captación de
sedimentos en una cárcava
mostrando sus áreas parciales
y su elevación.
A1
Construcción de gaviones rectangulares
Diseño de la presa de gaviones
El área hidráulica se determina en función de la sección transversal
del sitio donde se pretende ubicar la obra. La sección transversal se
obtiene por cualquier procedimiento topográfico y se representa en
papel milimétrico escala 1:100. De esta manera se obtiene el área
hidráulica determinada por figuras geométricas conocidas (Figura 8).
MD
MI
B
A
Figura 8. Sección
transversal de una
cárcava.
A1
A2
A3
A4
A5
Construcción de gaviones rectangulares
Diseño de la presa de gaviones
La velocidad del escurrimiento se estima en función de la
ecuación de Manning, como sigue:
1 1/2 2/3
V= S R
η
Donde:
V es la velocidad (m s-1);
S=Pc es la pendiente de la cárcava (m m-1);
R es el radio hidráulico equivalente a A/Pm (m);
η es el coeficiente de rugosidad de Manning;
A es el área hidráulica (m 2); y
Pm es el perímetro de mojado (m)
(5)
Construcción de gaviones rectangulares
Diseño de la presa de gaviones
3. Diseño del vertedor. En función del gasto máximo (ecuación 6)
se diseña el vertedor. En estructuras de gaviones se utilizan
vertedores rectangulares de cresta gruesa (Figura 9).
Figura 9. Dimensionado de un vertedor rectangular de cresta gruesa
utilizado en el diseño de una presa de gaviones.
Y
A
Q max
L
H
Construcción de gaviones rectangulares
Diseño de la presa de gaviones
Cálculo del gasto máximo (ecuación 6):
Qmáx= C LH3/2…................................................. (6)
Donde:
Qmáx es el escurrimiento máximo (m3 s-1);
C es el coeficiente de rugosidad, (adimensional = 1.45);
L es la longitud del vertedor (m); y
H es la carga sobre el vertedor (m)
Como el valor de (Qmáx) es conocido, dado que se determinó por el
método de sección y pendiente, se pueden proponer valores de L y H
para obtener las dimensiones del vertedor.
Construcción de gaviones rectangulares
Diseño de la presa de gaviones
La ecuación (7) muestra el cálculo de H proponiendo un valor de L.:
⎡ Qmax ⎤
H=⎢
⎣ CL ⎥⎦
2/3
(7)
4. Diseño de la colocación de los gaviones. Finalmente, se
determina la colocación de los gaviones en función de la sección
transversal de la cárcava, así como el número y el tamaño de los
gaviones. La colocación, tamaño, número y volumen de gaviones se
presenta en las Figuras 10 y 11 y Cuadro 4.
Construcción de gaviones rectangulares
Diseño de
la presa de
gaviones
VISTA DE FRENTE
MD
MI
LVI
LVD
AZ
Z3
L3
Z2
L2
Z1
Z0
L1
L0
VISTA DE PERFIL
P0
Figura 10. Vista de frente,
perfil y en planta de la
disposición de los
gaviones en una sección
transversal.
P1
P2
P3
PVD
PVD
VISTA EN PLANTA
Construcción de gaviones rectangulares
Diseño de la presa de gaviones
Cuadro 4. Número, tamaño, volumen y costos de gaviones de
acuerdo con el arreglo en la sección transversal de la Figura 11.
Número
de
gaviones
4
13
6
3
26
Tamaño del gavión
(largo, ancho y
espesor)
(m)
3.0 x 1.0 x 0.5
1.5 x 1.0 x 1.0
3.0 x 1.0 x 1.0
2.0 x 1.0 x 1.0
volumen
(m3)
6.0
19.5
18.0
6.0
49.5
Costo
unitario
($)
310.0
230.0
439.0
309.0
Costo
total
($)
1,240.0
2,990.0
2,634.0
927.0
7,791.0
Volumen proyectado = 49.50 m3
Volumen aparente
= 49.50 x 0.33 = 16.50 m3
Volumen real
= 49.50 + 16.50 = 66.00 m3
Coeficiente de abundamiento = 0.33
Construcción de gaviones rectangulares
Diseño de la presa de gaviones
2x1x1
2x1x1
1.5x1x1
1.5x1x1
3x1x1
1.5x1x1
3x1x1
1.5x1x1
3x1x1
1.5x1x1
1.5x1x1
1.5x1x1
1.5x1x1
2x1x1
3x1x1
1.5x1x1
1.5x1x1
1.5x1x1
Figura 11. Vista en
planta del arreglo de
los gaviones en una
sección transversal.
1.5x1x1
3x1x1
3 x 1 x 0.5
3 x 1 x 0.5
3 x 1 x 0.5
3 x 1 x 0.5
3x1x1
Ruptura de terrazas y canales
Arrastre de suelo fértil
Reduce el área de cultivo
Afectan el tránsito del escurrimiento
Azolvamiento de obras hidráulicas
Deslizamientos en masa
Canal
Punta de flecha
Concha
Socavación por desbordes
Correción 1: antes
Correción 1: Despues
Correción 2: Antes
Correción 2: Despues
Correción 3: Antes
Correción 3: Despues
Correción a: Antes
Correción 4: Despues
Cuenca del Río Chiquito, Nogales, Ver.
Afluente del Coatzacoalcos
Cuenca del Río Chiquito, Nogales, Ver.
Nogales, Veracruz: inundación junio de 2003
Pastización de taludes
PRESAS DE CONTROL DE AZOLVES
DE PALOS Y RAMAS
PRESAS DE CONTROL DE AZOLVES
BOLSAS DE ARENA
Control de cárcavas
PRESAS DE CONTROL DE AZOLVES
DE PIEDRA ACOMODADA
(CNA-DTT-Altos de Chiapas)
PRESAS DE CONTROL DE AZOLVES
DE MAMPOSTERIA HIDRAULICA
PRESAS DE CONTROL DE AZOLVES
CONSTRUIDAS CON GAVIONES
(CNA-DTT-Altos de Chiapas)
Presas de mampostería hidráulica
PRESAS DE CONTROL DE AZOLVES
DE MAMPOSTERIA HIDRAULICA
PLANIFICACIÓN DE
AGRICULTURA EN LADERAS