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DISEÑO DE ESPIGONES CONENROCADOS

Ing. Edgar Rodríguez Zubiateedgar_rz@yahoo.com

MAYO 2003

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA CIVIL - IMEFEN - CISMID

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ESPIGONES O ESPOLONES

5.1 GENERALIDADES• Los espigones son obras transversales que avanzan desde la orilla existente hasta la

nueva línea de orilla, para reducir las anchuras excesivas del lecho, provocando la sedimentación de la zona limitada por ellos

• Siempre se debe tener en cuenta que tales estructuras son obstáculos en el flujo natural del río por lo que puede haber reacción

• Las ventajas de los espigones sobre las obras longitudinales estriban en que permiten modificar posteriormente con facilidad el ancho del lecho ; pero en cambio ofrecen el inconveniente de no formar un lecho regular, ya que constituyen solamente guías a relativamente grandes distancias, y entre ellas el lecho se forma libremente

• La razón principal de que se empleen a pesar de este inconveniente, radica en que implican menos desembolsos

• En ríos de montaña con considerable transporte de sedimentos los espigones no dan buen resultado

• Estas estructuras han sido muy efectivas en ríos pequeños y medianos.

• Los espigones se usan comúnmente en protección de tramos en curva

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Los espigones se construyen con plataformas sumergidas , con cestones, con enrocados, con gaviones, con cajones de piedras, de tierra con taludes protegidos, de concreto,etc.

4.2 Espigones permeables e impermeables

4.2.1 Espigones PermeablesTal como se observa en la figura, los espigones permeables consisten

de una o más filas de caballetes (de acero, madera, concreto). Debido a su espaciamiento el agua puede pasar, pero se origina un remanso aguas arriba, se incrementan las pérdidas de energía, haciendo que ocurran sedimentaciones aguas arriba de los espigones

También son permeables los espigones hechos con enrocados y congaviones

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4.2.2 Espigones ImpermeablesLos espigones impermeables son construídos de piedra, grava y roca, como diques de tierra con protección en los taludes, o como estructuras de concreto.

En la figura se observa un espigón impermeable , no sumergible

Profundidad de socavaciónesperada

Revestmiento

Llanura de inundación

Nivel del cauce

Protección en la base Protección en la base

FiltroTierra compactada

4.3 Partes de un Espigón

Las denominaciones de las diferentes partes de un espigón se indican en la figura

• Alrededor del morro ocurren fenómenos de socavación local, por lo tanto se debe hacer mucho más seguro la protección tanto en el talud, como al pie de este.

• Los espigones sumergidos necesitan tambien tener protección en la cresta• El talud en el morro es mayor que los taludes del frente y la espalda del

espigón

Frente

Espalda

cresta

Morro

Arranque

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4.4 Espigones no sumergibles y sumergiblesEspigones no sumergibles

Son los más efectivosCausan mayores profundidades en los fenómenos de socavación local

Tramo 1 Tramo2

Llanura de inundación

b. Espigones sumergibles durante los máximos niveles de aguaSon más baratos, pero causan menos sedimentación, y crean turbulencia durante el proceso de sumergencia, por lo que las protecciones al pie de los taludes deben ser de mayor longitud

Socavación Socavación

Inicio de sumergencia Alto grado de sumergencia

4.5 Características del Flujo alrededor de los espigones

Socavación local

a. Espigón con inclinación hacia aguas arriba

Erosión de ribera

b. Espigón con inclinación hacia aguas abajo

Socavación local

Socavación local

c. Espigón normal al flujo

Socavación local

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Características del Flujo Alrededor del Morro de un Espigón Normal a la Corriente

Impacto del flujoCresta

5.6 LOCALIZACION EN PLANTA

• Al proyectar una obra de defensa, ya sea respetando la orilla actual, o bien en una nueva margen (al hacer una rectificación), se requiere trazar en planta el eje del río, y en las orillas delinear una frontera, generalmente paralela a dicho eje, a lo cual llegarán los extremos de los espigones

• La longitud de cada espigón estará dada por la distancia de la orilla real a esa línea

• La separación entre las nuevas orillas, es decir, el ancho B, estará dado por el estudio de estabilidad de la corriente que se haya hecho.

Espigones

Línea de frontera

B

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• Cuando se trata de una rectificación en cauces formados por arenas ylimos conviene, dentro de los posible, que los radios de las curvas, medidoshasta el eje del río, tengan la longitud r siguiente:

Donde: B ancho medio de la superficie libre en los tramos rectos en metros

• Al proteger una sola curva o un tramo completo, los primeros tres espigonesaguas arriba deben tener longitud variable: el primero será el de menor longitudposible (igual al tirante) y los otros dos aumentarán uniformemente, de talmanera que el cuarto ya tenga la longitud del proyecto. La pendientelongitudinal de la corona debe ser uniforme en todos ellos

BrB 85.2 ≤≤

B

Espigones

LOCALIZACION EN PLANTA DEUNA OBRA DE DEFENSA CONESPIGONES

Espigones

Diques guia

a. Curva trazada conun solo radio b. Curva formada con tramos que

diferente radio de curvatura

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4.7 LONGITUD DE LOS ESPIGONES

• La longitud total de un espigón se divide en una longitud de anclaje o empotramiento (LA), y en una longitud de trabajo (LT)

• Se recomienda que la longitud de trabajo esté dentro de los siguientes límites: y < LT < B/4

Donde: B = ancho medio del cauce, en metros y = tirante medio

Los valores de B, y del tirante deben ser los correspondientes al gasto formativo, o aquel gasto que de permanecer constante a lo largo del año, transportará la misma cantidad de material de fondo que el hidrograma anual.Algunos autores consideran como gasto formativo, el gasto máximo que es capaz de pasar por el cauce principal sin que desborde hacia la planicie

MargenLA

LT LA= 0.1 a 0.25LT

4.4 SEPARACION ENTRE ESPIGONES

Se mide en la orilla entre los puntos de arranque de cada uno

Separación en tramos rectosa. Recomendaciones del Laboratorio de Hidráulica de Delft

metrosDonde:

Co = constante (aproximadamente = 0.6)y = tirante medio de la corrienten = Coeficiente de Manning

)2/( 233.1 gnyCS op ≤

LT

SP

a a a

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5.4 Separación entre espigones (continuación)

b. Otras recomendaciones

Sp = 4LT a 4.5LT

Sp = B a 2B

c. En función del ángulo a

5LT a 6LT 60o

4.5LT a 5.5LT70o a 90o

Separación, SPAngulo a

d. Separación en curvas- Si la curva es regular, la separación recomendable es:

Sp = 2.5Lt a 4Lt

- Si la curva es irregular hay que ajustarse a los diferentes radiosde curvatura

Si la curva es circular , todas las separaciones y longitudes soniguales

Línea a la que llegan losExtremos de los espigones

a

a a

90o

90o 90o

b bbEspigón

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4.6 ELEVACIONES Y PENDIENTES DE LA CORONA

a. Espigones no sumergiblesLos espigones no sumergibles tienen una cresta horizontal sin pendiente. Elborde libre esta generalmente entre 0.5 m a 1 m. La cresta de un espigón nunca ha de estar más alta que la orilla próxima,porque de lo contrario las crecidas podrían rodear el arranque, arrastrando tierrade la orilla antigua.

b. Espigones sumergiblesEn este tipo de espigones la cresta es ascendente hacia arriba. Si el morro delespigón queda por debajo del nivel de estiaje, se le denomina espigón bañado,y si toda la cresta se encuentra por debajo de dicho nivel , se dice que elespigón es de tipo sumergido

Se inician a la elevación de la margen , o a la elevación de la superficie libre alocurrir el gasto formativo.

b. Espigones sumergidos (continuación)El extremo dentro del cauce puede tener alturas máximas de 0.5 m. Sobreel fondo actualLa pendiente de la cresta puede estar entre 0.05 a 0.25

Espigón sumergido con revestimiento

A

Cauce inicial

Cauce equilibradoSECCION LONGITUDINAL

PLANTA

SECCION TRANSVERSAL

So

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b. Espigones sumergidos (continuación)

Se recomienda una pendiente S uniforme hasta el fondo. El piso C de losespigones debe construirse primero para evitar erosiones locales durante laconstrucción

S

0.5 mC

LT

LT

Nivel del agua para eldominante

Posible erosión

Espigón

a. Colocación de un espigóncuando la margen no estamuy elevada

b. Colocación de un espigón cuando la margen esta muy elevada

4.7 TALUDES a. Taludes de la espalda y del frente del espigónLos taludes tienen taludes laterales que varian de 1 : 1.25 a 1 : 3,dependiendo del material de construcción

b. Talud de MorroEl talud del morro es mayor que los taludes laterales, varian entre1 : 2.5 a 1 : 5

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4.8 ORIENTACION DE LOS ESPIGONES• Los espigones pueden estar dirigidos hacia aguas abajo o aguas arriba,

ó también ser normales a la corriente • La experiencia ha demostrado que el relleno más rápido tiene lugar en

espigones con inclinación• Se recomienda orientaciones de espigones hacia aguas arriba en rios

grandes y anchos, y hacia aguas abajo en ríos relativamente angostos

4.9 ESPIGONES DE ENROCADOa. Características

Tal como se observa en la figura , la sección transversal del enrocado es trapezoidal y simétrica, y esta constituido de rocas

El talud del morro es mayor que los taludes laterales

EnrocadoProtección al pie del Talud del morro

Relleno con roca de Menor diámetro

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En el caso de espigones temporales se puede usar como cuerpo de los espigones cestones hechos de plantas, combinado con material del cauce, y protegido con enrocado, tal como se observa en la figura.

Cestones

Enrocado deprotección

b. Calidad de las rocas

• La roca debe ser sana, dura, de cantera• Debe ser resistente al agua y a los esfuerzos de corte• Se recomienda las rocas ígneas como: granito,

granodiorita, dioríta, basalto, riolíta, etc., con densidadrelativa DR > 2

• La mejor forma de la roca es la angular• La estabilidad del enrocado depende de la forma,

tamaño y masa de las piedras, y de una adecuada distribución de tamaños

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c. Tamaño de las rocas• La estabilidad de una roca es una función de su tamaño,

expresada ya sea en términos de su peso ó diámetro equivalente• Se han efectuado muchos estudios para determinar el tamaño de las

rocas, entre los que tenemos:- Fórmula de Maynord

Donde: d50 es el diámetro medio de las rocas, y los valores recomendados de C1 y C2 se muestran a continuación:

- Valores de C1: - Fondo plano C1 = 0.28- Talud 1V:3H C1 = 0.28- Talud 1V:2H C1 = 0.32

- Valores de C2 - Tramos en curva C2 = 1.5- Tramos rectos C2 = 1.25 - En el extremo de C2 = 2.0

-espigones

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50 FCyd

= gyVCF 2=

c. Tamaño de las rocas (continuación)• Fórmula de Isbash

Donde: d = diámetro mínimo de las rocasrr= densidad de las rocasr = densidad del agua

• Fórmula de Goncharov

gdV ∆= 7.1ρ

ρρ −=∆ r

dyLog

gdV 8.875.0=∆

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c. Tamaño de las rocas (continuación)c1 Fórmula de Levi

c2 Recomendación del U.S.Department of Transportation

Sistema inglés

El tamaño recomendado de la roca es:

Donde: Q = es el ángulo de inclinación del taludF = es el ángulo de reposo del enrocado

DR = densidad relativaFS = factor de seguridad

En el siguiente cuadro se muestra valores del factor de seguridad FS

2.0)(4.1dy

gdV

=∆

)/(001.0 5.11

5.0350 KyVd I =

5.0221 ))/(1( ΦΘ−= sensenK

IodCd 5050 = sfsgo CCC = 5.1)1/(12.2 −= DRC sg

5.1)2.1/(FSC sf =

• Recomendación del U.S.Department of Transportation (continuación)

Valores de los factores de seguridad FS

1.6 – 2.0Aproximación al flujo rápidamente variado; curvas cerradas (10 > radio de la curva / ancho del canal. Alta turbulencia, efecto significativo de impacto de material flotante y de sedimentos. Inflencia significativa de las olas producidas por el vientos y botes

1.3 – 1.6Flujo gradualmente variado, curvas moderadas(30 > radio de la curva / ancho del canal > 10). Moderada influencia de olas, y de impacto de sedimentos y material flotante

1.0 – 1.2Flujo uniforme, tramos rectos o ligeramente curvos (radio de la curva / ancho del canal > 30). Mínima influencia de olas y de impacto de sedimentos y material flotante

FSCondición

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d . Espesor del enrocadoSimons y Senturk recomiendan que el espesor del enrocado debe ser lo suficiente para acomodar la roca de mayor tamaño

e. Distribución del tamaño de las rocas

• Recomendaciones de Simons y Senturk- La Relación tamaño máximo de la roca entre el diámetro d50 debe ser aproximadamente 2- La relación entre d50 y d20 debe ser también aproximadamente 2

• Recomendaciones del U.S. Department of TransportationLa graduación de las piedras del enrocado afecta su resistencia a la erosión. Cada carga del enrocado debe ser razobablemente bien graduada desde el tamaño más pequeño hasta el tamaño más grande.En el siguiente cuadro se presenta los límites de la graduación de las piedras

Límites de Graduación de las Rocas (Recomendaciones de U.S.Department of Transportation)

150.1 W50 a 0.2 W500.4 D50 a 0.6 D50

501.0 W50 a 1.5 W501.0 D50 a 1.15 D50

852.0 W50 a 2.75 W501.2 D50 a 1.4 D50

1003.0 W50 a 5.0 W501.5 D50 a 1.7 D50

Porcentaje de graduaciónMenor que

Rango de peso de la roca (libras)

Rango del tamaño de roca (pies)

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f. Protección al pie del talud

• La socavación al pie del enrocado es uno de los principales mecanismos de falla

• Por lo tanto se debe proteger la base del talud con enrocado. En la siguiente figura se muestra un esquema de protección

Máximo nivel del agua

1.5 dg

dg profundidad de socavación general

Cresta protegida en espigonessumergidos

g. Protección al pie del morro

• En en este caso la longitud de protección es mayor

Máximo nivel del agua

2.0 dg

dg profundidad de socavación general

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4.10 PROTECCION CONTRA SOCAVACION AL PIE DE ESTRIBOS DE PUENTES

Se puede evitar la socavación al pie de estribos con dos métodos diferentes

El primero consiste en sutituir el material erosionable del fondo, con un enrocado de características similares al que se coloca en el morro de un espigón

El segundo consiste en colocar en el extremo de cada estribo un dique de encauzamiento (o dique guia)

DEFINICIÓN TÍPICA DE LA CONTRACCIÓN DEL FLUJO EN UNPUENTE SOBRE UN RIO CON LLANURAS DE INUNDACION

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Tipos de flujo dentro de un puente (1)

Tipos de flujo dentro de un puente (2)

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FORMA Y SECCION TRANSVERSAL DE UN DIQUE GUIA

La geometría en planta de la porción del dique, aguas arriba del cauce, Corresponde a un segmento de elipse. Con el fin de evitar toda erosión en el Estribo, se comtinúa aguas abajo con oto dique que tiene una longitud aproximadamente igual a la tercera parte del anterior

Ls

X

Y0.4Lsóóóoó

opop´´

´´´´

1)4.0(

´2

2

2

2

=+ss L

YLX

El desarrollo del dique enPplanta esta definida porLa siguiente ecuación:

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ESQUEMA GENERAL DE UN DIQUE GUIA PARA ENCAUZAR UN RIO CONESQUEMA GENERAL DE UN DIQUE GUIA PARA ENCAUZAR UN RIO CONMEANDMEANDROS.ROS.

Ubicación de diques guía en un puente

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5. CONTROL DE HUAYCOS ENLA PARTE ALTA DEL CAUCE

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25

• OTRAS MEDIDAS A NIVEL DE CUENCA