ingenieria

1. 10 aquaforum
Introducción
Durante los eventos de lluvia importantes una
gran cantidad de agua fluye hacia los embalses,
generando que la fuerza tractiva de la corriente sobre
el lecho del cauce produzca el desprendimiento
de partículas de suelo de pequeño y gran tamaño.
En consecuencia de las grandes velocidades y los
objetos transportados por el fenómeno provocan
socavación del cauce y grandes destrozos a su
paso dañando infraestructura subterránea (ductos);
ocasionando pérdidas económicas para el país, así
como inseguridad a la población.
La regulación de estos eventos a través de la
construcción de obras hidráulicas no sólo permite
un mejor control de los torrentes de agua, también el
manejo integral de este recurso, canalizándolo a su
vez, hacia actividades de irrigación y otros objetivos
planteados. En la práctica se diseñan presas de
distintos tipos de material, concreto, mampostería y
enrrocamiento, el cual se define por las condiciones
particulares de cada sitio, constructivas, accesos,
geología, etc.
Sin embargo e independientemente del tipo de
materiales con el que ha de ser proyectada la obra,
dicha estructura debe ser diseñada de tal forma que
resista los esfuerzos que la corriente produce en el
momento de un evento extraordinario.
Es importante destacar que el presente trabajo se
enfoca al diseño de una presa de gavión como una
Presas de retención de sólidos y control de flujos
a base de gavión, una alternativa más
central
Tema
María del Rocío García González
Ingeniera HidráulicA pasante de la Mestría en Ciencias del Agua de la Facultad de Ingeniería en Geomática e Hidráulica
de la Universidad de Guanajuato. Entre sus proyectos destaca el realizado para la implementación del software para el
pronóstico de riego en tiempo real en módulos del Distrito de Riego 011 Alto Río Lerma. Salamanca, Gto., 2001, Desarrollo
de un Modelo de Flujo de Agua Subterránea para el municipio de Allende, Gto. Universidad de Guanajuato, 2006 a la
fecha, Desarrollo de un modelo conceptual de flujo superficial y subsuperficial de agua y nitrógeno en un entorno agrícola:
aplicación al distrito de riego 085 “La Begoña”. Universidad de Guanajuato. 2005, entre otros. Actualmente es jefe de
proyectos del Departamento Técnico de Maccaferri de México. rocio.garcia@maccaferri.com.mx
Lizeth Vergara Farias
Es Ingeniera Civil egresada de la Universidad Don Vasco incorporada a la Universidad de Uruapan Michoacán. Cuenta con un
Diplomado en Administración de Proyectos y Optimización de Recursos y de Habilidades Gerenciales por el ITESM Campus
Querétaro. Trabajó en el Departamento de Hidráulica de la Gerencia de Estudios de Ingeniería Civil GEIC, de la Comisión
Federal de Electricidad CFE, Querétaro, Qro., y en el Proyecto Integral Contra Inundaciones PICI del estado de Tabasco,
como Ingeniero Proyectista y Jefe de Proyecto. Actualmente es Gerente Técnico Maccaferri de México S.A. de C.V.
lizhet.vergara@maccaferri.com.mx
Por: María del Rocío García González y Lizeth Vergara Farias

2. 11
aquaforum
año 11 No. 46 2007
alternativa en el control de avenidas y retención
de sólidos sobre el cauce del río Chiquito, en el
municipio de Nogales, Ver., dados los desbordamiento
que se presentaron y por ende las inundaciones a
comunidades cercanas a la riviera, daños ocasionados
a la infraestructura terrestre y de Petróleos Mexicanos
(PEMEX).
El objetivo de este trabajo es mostrar los análisis
hidráulicos y estructural de la presa de gaviones
propuesta, mismo que permitan su empleo como una
solución práctica y cada vez más usual en función de
las ventajas técnicas y constructivas que el sistema
de gaviones representa en obras de este tipo, lo que
hace que el diseño de estructuras hidráulicas a base
de gavión se considere como una alternativa factible
en el control de avenidas.
Cabe mencionar que el diseño de la presa de
retención de sólidos y control de flujos, forma parte
del “Proyecto para el Control Integral de Torrentes
en la Cuenca del Río Blanco, Veracruz, México”
ejecutado por la Gerencia de Estudios de Ingeniería
Civil (GEIC) de la Comisión Federal de Electricidad
(CFE) y de Petróleos Mexicanos (PEMEX).
Aspectos teóricos
La construcción de presas de gaviones, implica la
necesidad de un estudio minucioso que determinen
el diseño adecuado de la obra y que a su vez cumpla
con los objetivos que las normas de construcción
demanden y de la utilidad que se les pretenda dar.
El diseño de las presas de gaviones tiene por objeto
conocer el dimensionamiento más adecuado de
los tendidos que forman el cuerpo de la obra y la
estabilidad de los mismos.
Para el diseño de la presa básicamente se consideran
los siguientes puntos:
1. Determinar las secciones transversales del cauce
donde se desea llevar a cabo la construcción.
2. Determinar la curva de áreas y capacidades
con el fin de cuantificar los volúmenes de agua y
sedimentos que serán almacenados aguas arriba de
la presa.
3. Estimar el escurrimiento máximo que tiene lugar
en la cuenca del río (área de recepción) a fin de
diseñar la capacidad máxima del vertedor.
4. Diseñar el vertedor a fin de satisfacer la capacidad
de descarga del escurrimiento máximo.
5.Considerar los empotramientos máximos
permisibles en ambas márgenes del cauce.
6. 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.
Estructura vertedora
La longitud de la cubeta está condicionada por el
ancho del cauce aguas abajo. Para determinar la
altura de la cubeta se considera como un vertedor
de pared gruesa, por lo que se utilizó la siguiente
expresión:

3. 12 aquaforum
Utilizando todo en función de R y A y que el canal
tiene una forma trapezoidal:
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 esta parte se presenta
un método original que señala los procedimientos
de cálculo utilizados en la construcción de éste
tipo de obras. En términos generales, se analiza
directamente la resistencia del muro de gaviones a
soportar los efectos por deslizamiento y volcamiento
causados por el empuje hidrostático del agua, en la
figura 3 se ejemplifican las fuerzas que actúan sobre
la estructura.
Tanque amortiguador
Para disipar la energía de caída del agua y mitigar
los efectos de la socavación al pie de la estructura en
múltiples casos se diseña un tanque amortiguador.
Para obtener los parámetros de cálculo necesarios
para conocer el comportamiento hidráulico de la
estructura en conjunto, se plantea la Figura 11
, en
donde se muestran los parámetros necesarios a
calcular para el diseño.
Figura 1. Estructura con vertedor de caída libre y contrapresa.
Z3
: tirante normal aguas abajo del contradique; se
obtiene de la ecuación de Manning:
En donde:
A: área de la sección transversal, B: perímetro
mojado, R: radio hidráulico, n: coeficiente de
Manning, i: pendiente del cauce, f3: Elevación del
fondo qr
: talud por margen derecha, qi
: talud por
margen izquierda, b: ancho del río.
z0: tirante máximo aguas arriba de la estructura.
Se calcula utilizando la ecuación para vertederos de
cresta ancha.
fg: elevación de la cresta de vertedor del dique,
Lg: longitud de la cresta de vertedor del dique.
zg: tirante máximo en la cresta del vertedor. Para
vertederos rectangulares el tirante crítico en la
cresta, se considera como 2/3 de z0.
fb: es la profundidad de socavación y se calcula
mediante la fórmula de Schoklitsh2
.
Finalmente se calcula Lbas que es la longitud mínima
requerida por el tanque disipador.
Lbas
= 2.5( zg
-fb
)
1
Maccaferri de México, S.A. de C.V. Parque Industrial Querétaro, Qro.
Software MACRA2 2006: “Gabion Weirs” (vertederos de gaviones).
2
A. Schoklitsch “Kolkbindung unter Ueberfallstrahlen” Die Wasserwirtschaft,
No. 24.
Análisisdelfuncionamientohidráulicodelaestructura
al considerar la protección del fondo del tanque con
los gaviones y con el contradique (ver Figura 2).
Figura 2. Estructura con vertedor de caída libre, tanque protegido
y contrapresa de gaviones.

4. 13
aquaforum
año 11 No. 46 2007
Longitud mínima requerida del tanque, Lbas. 30.21 m
Para una mejor referencia de cada variable ver Figura 1.
Con este análisis se determinó que para evitar la
socavación al pie de la caída del agua, se requiere
proteger el fondo del cauce con una platea de gavión
de 50cm. de espesor colocando además, un geotextil
que disminuye el arrastre de material fino debido a
la velocidad de interfase entre el gavión y el suelo,
evitando con ello la socavación a pie de la estructura
y por ende una inminente falla de la misma.
Para una mejor referencia de cada variable ver Figura 2.
Análisis estructural
Cortina
El análisis de la cortina se debe de realizar en las
diferentes condiciones que se presentarán en la vida
útil de la estructura, para una presa de retención
de sólidos tenemos que se presentan 3 en especial,
estos casos son:
Análisis al descargar por el vertedor el gasto máximo de
diseño
Las fuerzas actuantes en esta presa son:
Fuerzas que actúan
1. Empuje activo del terraplén aguas arriba.
2. Empuje hidrostático aguas arriba debido al tirante
máximo (NAME).
3. Efectos sísmicos.
4. Empujes dinámicos debidos a una barrancada
5. Subpresión
Caso de estudio presa de retención de sólidos “La
Barranca”; Nogales, Ver.
Es importante destacar que para el desarrollo del
presente trabajo la Gerencia de Estudios de Ingeniería
Civil(GEIC)delaComisiónFederaldeElectricidad(CFE)
y de Petróleos Mexicanos (PEMEX) proporcionaron la
información requerida para el cálculo de las variables
hidráulicas que intervienen en el diseño de la obra,
tales como: hidrología, topografía, geología, etc., y
que forman parte del proyecto ejecutivo de la presa
de retención de sólidos “la Barranca”.
El cálculo de las variables hidráulicas presentes
en la estructura se estimaron a través del software
MACRA21.
Estimaciones de las variables hidráulicas del
Tanque Amortiguador
Análisis de la estructura con vertedor de caída libre
y contradique.
Datos para el diseño de la Estructura Vertedora
Gasto de diseño : 407.0 m³/s
Longitud del vertedor : 55 M
Coeficiente de vertido : 1.705
Se propone un vertedor de 3 metros de altura.
Datos:
Gasto de diseño, Q 407 M³/s
Elevación del vertedor del contradique, fc 1 M
Elevación del vertedor del dique, fg 10.3 M
Longitud del vertedor del dique, Lg 55 M
Longitud del vertedor del contradique, Lc 55 M
Aceleración de la gravedad, g 9.81 m/s²
Granulometría en el tanque, d90 321 mm
Resultados hidráulicos:
NAME, z0 12.97 m
Elevación del agua en la cresta del dique, zg 12.08 m
Gasto unitario, q 7.4 m³/s/m
Tirante de agua posterior a z1, z2 3.66 m
Profundidad de socavación, fb 0.00 m
Número de caída, D 0.0051
Tirante de agua arriba de la caída, zv 3.22 m
Tirante de agua al pie de la caída, z1 0.59 m
Datos:
Gasto de diseño, Q 407 m³/s
Elevación del vertedor del contradique, fc 1.3 m
Elevación del vertedor del dique, fg 10.3 m
Elevación del fondo del tanque, fb 0 m
Longitud del vertedor del dique, Lg 55 m
Longitud del vertedor del contradique, Lc 55 m
Ancho del tanque amortiguador, Lb 55 m
Aceleración de la gravedad, g 9.81 m/s²
Resultados hidráulicos:
NAME, z0 12.97 m
Elevación del agua en la cresta del dique, zg 12.08 m
Gasto unitario, q 7.4 m³/s/m
Número de caída, D 0.0051
Tirante de agua arriba de la caída, zv 3.23 m
Tirante de agua al pie de la caída, z1 0.59 m
Tirante de agua posterior a z1, z2 3.66 m
Distancia desde el paramento de aguas abajo
al punto de impacto de la caída, Lg1 10.65 m
Longitud del salto hidráulico, L12 21.18 m
Longitud mínima requerida del tanque, Lbas. 31.83 m

5. 14 aquaforum
Análisis contra volteo
Resistentes W1 222.8 ton 5.5 m 1225.2 ton-m
W2 163.0 ton 11.83 m 1928.5 ton-m
W3 43.2 ton 8.0 m 345.6 ton-m
EA2 18.0 ton 2.0 m 36.0 ton-m
E3 8.6 ton 1.0 m 8.6 ton-m
Volteo EA1 122.6 ton 5.2 m 640.1 ton-m
E2 153.4 ton 4 m 664.9 ton-m
Sp 37.6 ton 10.7 m 400.9 ton-m
MR = 3543.90 ton-m
MV = 1705.84 ton-m
Factor de
volteo = 2.08
Brazo con
respecto a A
Fuerzas Momento
El factor contra volteo es mayor a 1.5.
Análisis por deslizamiento
W1 223 ton
W2 163 ton
W3 43.2 ton
Sp 37.6 ton
Fresistentes = 391.4 ton
Fuerzas Resistentes
E2 153.4 ton
EA1 122.6 ton
E3 8.6 ton
EA2 18.0 ton
Fdeslizantes = 249.5 ton
Factor de deslizamiento= 1.57
Fuerzas actuantes
Ø = Esfuerzos actuantes.
N = Fuerzas normales a la base.
A = Área de la base
M = Momentos con respecto al centro de la base
I = Momento de inercia de la sección de la base.
y = Distancia desde el centro de la base hasta el
extremo en el cual se quiere determinar el esfuerzo.
El esfuerzo máximo sobre el terreno es de 28.7 ton/
m² y es menor a la capacidad de carga del terreno de
43.3 ton/m².
Capacidad de carga del terreno
Para determinar los esfuerzos en el terreno de
cimentación se utilizó la formula de la escuadría.
Análisis como muro de retención más los efectos
sísmicos
El análisis sísmico se realizó mediante el método
estático para muros de retención, aplicando la
metodología que se establece en el Manual de Diseño
de Obras Civiles de CFE (Diseño por sismo, 1993).
Capacidad de carga = 43.3 ton/m²
N = 391.4 ton
B = 16.0 m
A= 16.0 m²
I = 341.3 m4
y = 8.0 M
M = 179.3 ton-m
Ø1 = 20.3 ton/m²
Ø2 = 28.7 ton/m²
Figura 3. Diagrama de fuerzas actuantes.
Clasificación de la estructura:
Según su destino Grupo B
Según su estructuración Tipo 3, muro de retención
TS=
4HS
ßS
Caracterización del sitio:
Velocidad sísmica (ßs) 800 m/s
Espesor promedio del estrato (Hs) 9.25 m
Periodo fundamental de vibración (Ts) 0.0462 s
El factor contra deslizamiento es mayor que 1.2.
Fuerzas estabilizantes:
Cálculo del peso propio (W1). W1= 223.8 ton
Cálculo del peso del terraplén
sobre los escalones (W2). W2= 163.0 ton
Cálculo del peso del agua
sobre el terraplén (W3). W3= 43.2 ton
Cálculo del empuje del terreno
aguas abajo (E3). E3= 8.5 ton
Cálculo del empuje hidrostático
debido al tirante aguas abajo (EA2). EA
2= 18.0 ton
Fuerzas desestabilizantes:
Cálculo del empuje activo del
terreno aguas arriba (E2). E2= 153.4 ton
Cálculo del empuje hidrostático
aguas arriba debido al tirante
máximo (EA1). EA1=122.6 ton
Cálculo de la subpresión (Sp). SP=37.6 ton

6. 15
aquaforum
año 11 No. 46 2007
Ed
Empuje activo de presión de tierras (ton/m)
W Resultante de fuerzas de la cuña de suelo
X Ángulo que forma el plano de falla con la
horizontal
Ángulo que forma W con la horizontal
Ángulo de fricción interna de relleno (grados)
Ángulo formado entre el respaldo del muro y la
vertical (grados)
Ángulo de fricción entre el muro y el relleno
(grados)
Regionalización sísmica:
Zona sísmica B
Tipo de suelo 1
C 0.14
Tsßs/H 2.31
Factor de amplificación 2
Coeficiente sísmico horizontal (a) 0.070
Coeficiente sísmico:
El coeficiente sísmico “a” se determinará
multiplicando el coeficiente de aceleración del
terreno a0=c/4 por un factor de amplificación que
se tomará igual a 1.33 si Tsßs/H≥10 o igual a 2 si
Tsßs/H≤3. Para casos intermedios se interpolará
entre esos valores.
Fuerzas estabilizantes:
Cálculo del peso propio (W1). W1= 223.8 ton
Cálculo del peso del terraplén
sobre los escalones (W2). W2= 163.0 ton
Cálculo del empuje del terreno
aguas abajo (EP). Kp= 24.25 ton
KP = 3.00
EP = 24.25 Ton
Fuerzas desestabilizantes:
Empuje activo del terreno al considerar efectos
sísmicos (Ed).
Como la cohesión del terraplén es igual a cero,
el empuje activo de terreno debido a los efectos
KP
tan2
= 45+
( ø
2
(
Cálculo del empuje activo del terreno:
Ee = Empuje de tierra en condiciones estáticas
he = Altura donde actúa el empuje estático
hd = Altura donde actúa el empuje dinámico
ld = Distancia horizontal en donde actúa el empuje
dinámico
Características de las secciones del muro:
X 50.90 °
W 143.52 ton
4.00 °
38.00 °
45.00 °
19.00 °
Ed 66.46 ton
Ee 51.02 ton
he 5.33 m
hd 6.14 m
ld 9.86 m
Sección Peso x y
ton/m m m
W1 222.8 5.5 5.5
W2 163.0 11.83 8.84
Fuerzas y momentos por efecto sísmico sobre la masa de
la estructura.
Sección F horizontal
t
y
m
Momento h
t-m
F vertical
t
x
m
Momento v
t-m
W1 15.59 5.50 85.77 222.77 5.50 1225.22
W2 11.41 8.84 100.88 163.02 11.83 1928.53
SUMA 27.01 186.64 385.79 3153.75
Análisis contra volteo
El factor de seguridad contra volteo es 5.88 mayor
a 1.5.
Análisis por deslizamiento
El factor de seguridad contra deslizamiento es mayor
a 1.2.
Capacidad de carga del terreno
El esfuerzo máximo en la cimentación 36.4 t/m² es
menor a la capacidad de carga admisible del terreno
43.3 t/m².
Análisis como muro de retención más los efectos
dinámicos de una barrancada
Todas las fuerzas se determinaron considerando una
sección de ancho unitario.
Fuerzas estabilizantes:
Cálculo del empuje del terreno aguas abajo (E2).
En este caso se consideró el empuje de tierras en
reposo por ser más desfavorable que el empuje
pasivo.
Peso del suelo 1.9 ton/m³
Profundidad de desplante 3.0 m
Punto de aplicación (y) desde A 1.0 m
E2 = 8.5ton

7. 16 aquaforum
Cálculo de las fuerzas y momentos que actúan sobre la
estructura por efecto de una barrancada (Ed).
Es importante recordar que la función del dique es retener
el paso de sólidos hasta la elevación del vertedor. Es decir,
el dique debe trabajar estructuralmente ante los efectos de
una barrancada desde su base hasta la cresta del vertedor.
Precisamente por esta razón se coloca el terraplén de
respaldo hasta dicha elevación; pues su finalidad es
proteger a la estructura contra los impactos.
Las alas del vertedor sirven para formar la cubeta
del mismo y permitir el paso del agua sin que se
produzcan vertidos sobre las laderas y evitar que se
erosionen. Es muy importante tener en cuenta que las
alas del vertedor tienen una función hidráulica y no
son para detener los impactos de una barrancada.
Por lo anterior, este análisis se realiza desde la base
de la estructura hasta la cresta del vertedor y no se
incluyen las alas.
Fuerzas desestabilizantes:
Cálculo del empuje activo del terreno aguas arriba (EA).
En donde:
v = Velocidad de la corriente (m/s).
y/g = Densidad de la lava torrencial.
H = Altura del dique expuesta al impacto.
Peso del material semifluido 2.5 ton/m³
Velocidad de la corriente 4.3 m/s
Altura de la presa expuesta al impacto 13.0 m
Punto de aplicación (y) desde A 4.3 m
Ed = 61.8 ton
Análisis contra volteo
El factor de seguridad contra volteo es 3.4 mayor que 1.5.
Análisis por deslizamiento
El factor de seguridad contra deslizamiento es 1.87
mayor que 1.2.
Capacidad de carga del terreno
El esfuerzo máximo que actúa sobre la cimentación
30.1 ton/m² es menor que la capacidad de carga
admisible del terreno 43.3 ton/m²
Comentarios finales
En este trabajo se presenta una aplicación del diseño
hidráulico y estabilidad de una presa de gaviones
sobre el cauce del río Chiquito en el municipio de
Nogales, Ver.
Bibliografía
- Agostini R. Bizarri A., Masetti M. (1981)”Flexible structures in
river and stream training works”. Maccaferri Bologna.
- Chang. H.H. (1988) “Fluvial processes in river engineering”,
John Wiley and Sons.
- González M. T. De R., García D de J. L. (1995) “Restauración de
ríos y riveras” Universidad Politécnica de Madrid. 319 p.
- Hubert Chanson. (2002).”The Hydraulics of Open Channel
Flow”. University of Queensland, Australia, McGraw-Hill.
- Lee T. S. (1996). “Groundwater conditions”. Slope Stability and
Stabilization Methods. John Wiley and Sons New York . p. 120-
121.
- McCuen R. H. (1989), “Hydrologic analysis and design”. Prentice
Hall, New Jersey, 814 p.
- Vide Martín Juan P
. (2003), “Ingeniería de Ríos” Universidad
Politécnica de Catalunya. 306 p. Alfa Omega Grupo Editor.
Las estructuras hidráulicas para el control de
cauces torrenciales hechas a base de gavión son
capaces de proveer seguridad estructural ya que
presentan mucha resistencia contra la rotura del
macizo por considerarse una estructura monolítica
pero al mismo tiempo flexible, además de que son
muy estables por que evitan el deslizamiento que se
pudiera presentar por carga externas, debido a su
propio peso.
Los materiales que conforman la estructura y el
revestimiento deberán ser resistentes a la erosión,
con la finalidad de que sean capaces de resistir las
altas velocidades y el arrastre de materiales que
frecuentemente se presentan sobre ellas.
Losfenómenosdecavitaciónypresionesdiferencialesenlas
carasdelrevestimientoydelaestructurasevendisminuidos
debido a la porosidad del gavión. Se pudo encontrar que
la obra propuesta, hidráulica y estructuralmente resulta
adecuada, ya que su dimensionamiento tiene la suficiente
capacidad de verter y contener los sólidos que fluyen por
el torrente del cauce.
La protección aguas debajo de la estructura permite que
las descargas localizadas no erosionen el pie del muro
y con ello se evita algún tipo de falla global, además
se provee de la construcción de disipadores de energía
controlando así la velocidad de flujo aguas abajo.
Las obras hidráulicas de materiales rígidos en su
construcción son complicadas por ejemplo las de
concreto, que requiere diferentes secciones de
geometría y armado en aceros, la programación del
concreto, además de un estricto control de calidad
de materiales para cumplir con las especificaciones
de proyecto, todo esto extiende el tiempo de
construcción, por el contrario las construidas con
gaviones al no necesitar mano de obra especializada,
resultan rendimientos de avance muy aceptable.
Por lo que el empleo de un sistema de gaviones
en estructuras hidráulicas da como resultado una
estructura sencilla y de gran durabilidad.