Sesión 14 - HICAT - Estructuras de protección.pdf

UPN, PASIÓN POR
TRANSFORMAR VIDAS
Eduar.rodriguez@UPN. PE

HIDRÁULICA DE CANALES Y TUBERÍAS
SEM14: ESTRUCTURAS DE PROTECCIÓN
Docente: Eduar Rodríguez B
eduar.rodriguez@upn.pe

Al finalizar la unidad, el estudiante realiza
un informe descriptivo, aplicando los
conocimientos adquiridos en clase, con
claridad y criterio.
Logro de la unidad.

Al finalizar la sesión, el estudiante
elabora una infografía sobre las
estructuras de protección, empleando
los principios básicos canales, con
claridad y criterio.
• Estructuras de protección
Logro de la sesión.
TEMAS

Ing Eduar Rodríguez Beltrán
ESTRUCTURAS DE PROTECCIÓN
Las estructuras de protección tienen por finalidad servir de contención de un
terreno natural o artificial dada su capacidad para resistir esfuerzos de
cualquier tipo.
Estas estructuras pueden ser:
1. Diques
2. Enrocados
3. Gaviones
4. Espigones
5. Encauzamiento

Muro grueso construido para contener la fuerza del agua, embalsarla o
reconducirla.
Obstáculo que actúa como contención de algo, generalmente perjudicial.
1. Diques

2. Enrocados
Recubriendo las márgenes, en la franja donde oscila el agua de un enrocado, (rocas sueltas
acomodadas en forma más o menos irregular en el talud a ser protegido, sistema denominado
generalmente como enrocado.

3. Gaviones
Consisten en una caja o cesta de forma prismática rectangular, rellena de piedra o tierra, de
enrejado metálico de mimbre o alambre. Se colocan a pie de obra desarmados y, una vez en
su sitio, se rellena con los materiales del lugar.

4. Espigones
Son elementos de protección de los márgenes con la característica principal que son
transversales a la corriente. Se implantan en la orilla y suelen tener una ligera pendiente desde
la coronación en dirección al eje del cauce.

5. Encauzamiento
Abrir un cauce para que discurra por él una corriente o masa de agua, o conducir una
corriente por un cauce.

HIDRÁULICA DE LOS CAUCES NATURALES

DESCRIPCIÓN DE LA EROSIÓN:
Es el proceso destructivo de los materiales de la
corteza terrestre por acción de los procesos
geológicos que implica fracturamiento,
fisuramiento, alteración física y/o química hasta el
momento de arranque de los materiales sin
considerar el transporte. Es una fase del proceso de
degradación, el cual tiene 3 fases:
• Erosión
• Transporte
• Sedimentación.

DESCRIPCIÓN DE LA EROSIÓN:
Mecanismos de la erosión por el agua: los pasos
principales de la erosión son: la acción del agua en el
suelo, el desprendimiento de las partículas y su
transporte.
•El desprendimiento se produce por el impacto de las
gotas de lluvia
•El transporte es el movimiento o traslado del suelo por
el agua de escorrentía, llevándolo de un lugar a otro.

TIPOS DE EROSIÓN:

MEDIDAS DE PREVENCIÓN Y CONTROL DE EROSIÓN :
Es el conjunto de medidas para solucionar problemas generados por la energía erosiva del agua.
1. Medidas agronómicas.
a. Defensas vivas-naturales
b. Defensas vivas forestadas
2. Medidas estructurales
a. Permanentes: Diques enrocados, enrocados con roca al volteo, enrocado con roca colocada,
estructura de concreto, muros de concreto ciclópeo, muros de concreto armado, presas de
regulación.
b. Temporales: Espigones, rayados o terraplenes, limpieza del cauce, caballos-abarcados,
cestones.

ASPECTOS DE DISEÑO :
1. Evaluaciones de áreas susceptibles a erosión:
• Aspecto agrícola
• Urbano
• Infraestructura
• Industrial
2. Geomorfología
• Curso de agua
• Tipo de flujo: flujo central y flujo lateral
• Tipo de lecho
• Potencia de flujo
• Sedimentación

3. Hidrología
• Características generales del río.
• Descargas máximas
• Métodos de determinación de máximas avenidas
- Métodos empíricos
- Métodos históricos
- Métodos de correlación hidrológica
- Métodos directos o hidráulicos
- Métodos estadísticos probabilísticos
- Métodos hidrológicos
• Método de distribución de valores extremos-Método de Gumbel: Vida útil del
proyecto.
• Avenida del proyecto
• Áreas inundables

4. Hidráulica
•Formas de encauzamiento.
• Longitud y ubicación del encauzamiento.
• Sección estable de rio o amplitud de cauce.
• Sección estable de Rio o amplitud de cauce.
= 1.81(
∗
) ⁄ H= 1.02(
∗
) ⁄
K=
. ∗
⁄
S=
( . ∗ !
⁄
∗ ⁄
)
(( "
#
$$
∗%&'
!
⁄
)
De donde:
Dm= Diámetro mediano.
B= Ancho medio de la sección
Fb= Material grueso: 1, 2
Fb= Dm1/3 Para gravas.
Fs= Factor de orilla
Fs= 0.2 , para material ligeramente
cohesivo.
S= Pendiente hidráulica( %).
Q= Caudal de diseño ( m3/s).
g= Gravedad
K= Factor secundario.
H= profundidad media (m).
C= Concentración de material de fondo
en 10-5

Valores aproximados de Fs: ( Factor de orilla)
Tipo De orilla Valores de Fs
Orilla de barro y arena 0.1
Orilla de barro - arcilla - fangosa 0.2
Orilla de material muy cohesivo 0.3
También se puede emplear la formula de Simons y Henderson.
Rangos en que se trabajan:
S= 0.06 – 10 %
Dm= 0.03 – 80 mm
Q= 0.15 – 250 m3/s
( = ) ∗ ⁄
4. Hidráulica

4. Hidráulica
Tabla de valores de K1, para trabajar con la formula de Simons y
Henderson.
Condiciones de fondo del rio K1
Fondo y orillas de arena 5.7
Fondo de arena y orillas de material cohesivo 4.2
Fondo y orillas de material cohesivo 3.6
Fondo y orillas de grava 2.9
Fondo de arena y orillas de material no cohesivo 2.8

4. Hidráulica
Hidráulica:
• Tirante de máxima avenida y altura de encauzamiento.
De donde:
Q= Caudal de avenida del proyecto (m3/s).
A= Área de la sección (m2).
R= Radio hidráulico(m)
S= Pendiente del Rio ( %).
n= Coeficiente de rugosidad.
Q = (
+∗, $
⁄ ∗- ⁄
.
)

4. Hidráulica
La altura que tendrá el dique de encauzamiento será igual al tirante máximo, mas el
borde libre, que se aproxima a la altura de la inercia, o energía de velocidad o carga
de la misma, multiplicado por un coeficiente que esta en función de la máxima
descarga y pendiente del rio.
De donde:
H=Altura del dique (m)
h=Tirante de la máxima avenida (m).
Bl = Borde libre (m)
/ = ∅ ∗ 1 / = ℎ ∗ /
1 =
3
24
= (
24 ∗ 5
)

4. Hidráulica
De donde:
V=Velocidad media del agua(m/s).
g = Gravedad (m/s2).
Ф= Coeficiente en función de la máxima descarga y pendiente ( practico).
e= Energía de la velocidad.

4. Hidráulica
También se puede calcular, teniendo en consideración el perfil normal, el mismo que
permita el escurrimiento de las aguas, y el transporte de acarreos. Deberá tomarse en
consideración los tramos donde el rio haya alcanzado su equilibrio.
Formula de Manning Strickler:
De donde:
Ks= Coeficiente de rugosidad que depende del lecho natural del rio.
3
6 = ) ∗ 7 ⁄
∗ 8 ⁄

4. Hidráulica
VALORES DE Ks
DESCRIPCION Ks
Lechos naturales del rio con fondo solido sin irregulares 40
Lechos naturales del rio con acarreo regular 33-35
Lechos naturales del rio con vegetación 30-35
Lechos naturales del rio con derrubio e irregularidades 30
Lechos naturales del rio con fuerte transporte de acarreo 28
Torrentes con derrubios gruesos ( piedra de tamaño de una cabeza) con acarreo
inmovil 25-28
Torrentes con derrubios gruesos, con acarreo móvil. 19-22
= ( ∗ 9 ∗ () ∗ ( ∗ 8 ⁄
)
9 = /() ∗ ( ∗ 8 ⁄
)
⁄

PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN :
Es necesario evaluar la erosión máxima esperada, en
una sección calculada para un caudal de diseño o
máxima descarga.
Este método considera la velocidad erosiva, que es la
velocidad calculada capaz de degradar el fondo del rio
y se expresa como:
Se da cuando se efectué contracciones en el cauce del
rio, para fines determinados como construcción de
puentes, defensas ribereñas etc.
3
; = 0.6 ∗ => . ? ∗ ∗ 9 @

Considerando la sección estable y el tirante calculado, tenemos:
Haciendo: a=Ks*S1/2
Para suelos cohesivos:
Para suelos no cohesivos:
= )A ∗ (B ∗ 9 ⁄
∗ 8 ⁄
= C( ∗ 9 ⁄
9 = (C ∗ (B ∗ 9 )/(0.6 ∗ = . ?> ∗ )
( "@)
⁄
9 = (C ∗ (B ∗ 9 )/(0.68 ∗ D . ?
E ∗ )
( "@)
⁄

Luego la profundidad de socavación será:
Hs=ts-t
De donde:
Ve = Velocidad erosiva ( m/s).
Vr= Velocidad Real ( m/s).
γs= peso especifico del suelo seco que se encuentra a la profundidad Hs, en Ton/m3.
B= Coeficiente que depende de la frecuencia con que se repite la avenida que se estudia
según el efecto de erosión.
Q= Descarga de diseño (m3/s).
bo = Sección estable determinada (m).
ts= Tirante que corresponde a la profundidad a la que desea evaluar la velocidad erosiva(m)
t=Tirante normal (m).
Hs= Profundidad de socavación.
X= Exponente para material no cohesivo en función del diámetro característico.
Dm= Diámetro medio (m).

Coeficiente B para socavación
Probabilidad anual de que
se presente el caudal de
diseño( %)
Coeficiente B
0 0.77
50 0.82
20 0.86
5 0.94
2 0.97
1 1
0.3 1.03
0.2 1.05
0.1 1.07

P
R
O
F
U
N
D
I
D
A
D
D
E
S
O
C
A
V
A
C
I
Ó
N
SUELOS COHESIVOS SUELOS NO COHESIVOS
PESO ESPECIFICO(T/M3) X 1/(1+X) D(mm) X 1/(1+X)
0.8 0.52 0.66 0.05 0.43 0.7
0.83 0.51 0.66 0.15 0.42 0.7
0.86 0.5 0.67 0.5 0.41 0.71
0.88 0.49 0.67 1 0.4 0.71
0.9 0.48 0.67 1.5 0.39 0.72
0.93 0.47 0.68 2.5 0.38 0.72
0.96 0.46 0.68 4 0.37 0.73
0.98 0.45 0.69 6 0.36 0.74
1 0.44 0.69 8 0.35 0.74
1.04 0.43 0.7 10 0.34 0.75
1.08 0.42 0.7 15 0.33 0.75
1.12 0.41 0.71 20 0.32 0.76
1.16 0.4 0.71 25 0.31 0.76
1.2 0.39 0.72 40 0.3 0.77
1.24 0.38 0.72 60 0.29 0.78
1.28 0.37 0.73 90 0.28 0.78
1.34 0.36 0.74 140 0.27 0.79
1.4 0.35 0.74 190 0.26 0.79
1.46 0.34 0.75 250 0.25 0.8
1.52 0.33 0.75 310 0.24 0.81
1.58 0.32 0.76 370 0.23 0.81
1.64 0.31 0.76 450 0.22 0.83
1.71 0.3 0.77 570 0.21 0.83
1.8 0.29 0.78 750 0.2 0.83
1.89 0.28 0.78 1000 0.19 0.84
2 0.27 0.79 0.7

PESOS ESPECIFICOS Y ANGULOS DE FRICCIÓN DE SUELOS
CLASE DE TERRENO γs(Ton/m3) α( °)
Tierra de terraplén seca 1.4 37
Tierra de terraplén húmeda 1.6 45
Tierra de terraplén empapada 1.8 30
Área seca 1.6 33
Área Húmeda 1.8 40
Área empapada 2 25
Legamo diluvial seco 1.5 43
Legamo diluvial humedo 1.9 20
Arcilla seca 1.6 45
Arcilla Humeda 2 22
Gravilla seca 1.83 37
Gravilla humeda 1.86 25
Grava de cantos vivos 1.8 45
Grava de cantos rodados 1.8 30

5. Topografía:
• Levantamiento topográfico con
coordenadas.
• Secciones transversales.
• Perfil longitudinal.
• Red de bases marcadas( BM).
• Planilla de movimiento de
tierras.

6. Aspecto económico:
Daños probables por inundaciones y necesidad de obras de defensa: Son en base a los
efectos que ocasionaría una avenida superior a la del promedio de las avenidas anuales
registradas.
Beneficio con las obras de encauzamiento: Implica beneficios bien definidos como son:
Protección de las áreas de cultivo, Recuperación de áreas perdidas por el efecto de la
erosión, Incorporación de nuevas áreas de cultivo que constituye la caja del rio, Protección
de viviendas y centros poblados y protección de obras de infraestructura de servicios.

El mantenimiento del cauce significa pues que anualmente es necesario efectuar un
plan de limpieza o mantenimiento. El siguiente procedimiento para una adecuada
limpieza del cauce:
 Debe efectuarse el levantamiento topográfico del cauce del rio en ambos
márgenes, con los detalles necesarios sobre todo como discurre, las profundidades
del lecho principal, y sus ramales, esto en toda la longitud critica del valle.
 La determinación del eje central o de encausamiento debe ser en base a
criterios estrictamente técnicos, enmarcados dentro de los conceptos de la
hidrología e hidráulica que fijan la sección estable o amplitud del cauce.
LIMPIEZA O MANTENIMIENTO DE CAUCES :

LIMPIEZA O MANTENIMIENTO DE CAUCES :
 Esta labor topográfica en gabinete va a
permitir : ubicar el sistema de defensas
permanentes y temporales, en ambos
márgenes, fijar los sectores críticos(*) a
defender y la limpieza de cauce según el
comportamiento del rio.
 En el terreno se procede a efectuar el
replanteo de lo diseñado en gabinete para
el caso de los sectores de limpieza de
cauce, amplitud y profundidad a excavar con
maquinaria pesada.
Debemos considerar: Equipo, operación y
alternativas.

ESTRUCTURAS DE PROTECCIÓN. Definición,
elementos o partes, tipos y Criterios de diseño.
TRABAJO GRUPAL: ELABORAR UNA
INFOGRAFÍA SOBRE
TRABAJO GRUPAL
ENTREGA: 6:30 PM – 16/11

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