Curso: DISEO DE OBRAS HIDRAULICAS TEMA: DISEO DE ESPIGONES CON ENROCADOSUNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA CIVIL DEPARTAMENTO ACADEMICO DE HIDRAULICA E HIDROLOGIAIng. Edgar Rodrguez Zubiateerodriguez@uni.edu.pe

ESPIGONES O ESPOLONES

1 GENERALIDADESLos espigones son obras transversales que avanzan desde la orilla existente hasta la nueva lnea de orilla, para reducir las anchuras excesivas del lecho, provocando la sedimentacin de la zona limitada por ellos

Siempre se debe tener en cuenta que tales estructuras son obstculos en el flujo natural del ro por lo que puede haber reaccin

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 guas a relativamente grandes distancias, y entre ellas el lecho se forma libremente

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

En ros de montaa con considerable transporte de sedimentos los espigones no dan buen resultado

Estas estructuras han sido muy efectivas en ros pequeos y medianos.

Los espigones se usan comnmente en proteccin de tramos en curva

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.

2 Espigones permeables e impermeables2.1 Espigones PermeablesTal como se observa en la figura, los espigones permeables consisten de una o ms 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 prdidas de energa, haciendo que ocurran sedimentaciones aguas arriba de los espigones Tambin son permeables los espigones hechos con enrocados y con gaviones

2.2 Espigones Impermeables Los espigones impermeables son construdos de piedra, grava y roca, como diques de tierra con proteccin en los taludes, o como estructuras de concreto.

En la figura se observa un espign impermeable , no sumergibleProfundidad de socavacinesperadaRevestmientoLlanura de inundacinNivel del cauceProteccin en la baseProteccin en la baseFiltroTierra compactada

3 Partes de un EspignLas denominaciones de las diferentes partes de un espign se indican en la figura

Alrededor del morro ocurren fenmenos de socavacin local, por lo tanto se debe hacer mucho ms seguro la proteccin tanto en el talud, como al pie de este. Los espigones sumergidos necesitan tambien tener proteccin en la cresta El talud en el morro es mayor que los taludes del frente y la espalda del espign FrenteEspaldacrestaMorroArranque

4 Espigones no sumergibles y sumergiblesEspigones no sumergibles Son los ms efectivosCausan mayores profundidades en los fenmenos de socavacin local Tramo 1 Tramo2 Llanura de inundacin

b. Espigones sumergibles durante los mximos niveles de agua Son ms baratos, pero causan menos sedimentacin, y crean turbulencia durante el proceso de sumergencia, por lo que las protecciones al pie de los taludes deben ser de mayor longitud

Socavacin Socavacin Inicio de sumergencia Alto grado de sumergencia

5 Caractersticas del Flujo alrededor de los espigones

Socavacin locala. Espign con inclinacin hacia aguas arribaErosin de riberab. Espign con inclinacin hacia aguas abajoSocavacin localSocavacin localc. Espign normal al flujoSocavacin local

Caractersticas del Flujo Alrededor del Morro de un Espign Normal a la Corriente Impacto del flujoCresta

6 LOCALIZACION EN PLANTAAl proyectar una obra de defensa, ya sea respetando la orilla actual, o bien en una nueva margen (al hacer una rectificacin), se requiere trazar en planta el eje del ro, y en las orillas delinear una frontera, generalmente paralela a dicho eje, a lo cual llegarn los extremos de los espigones

La longitud de cada espign estar dada por la distancia de la orilla real a esa lnea

La separacin entre las nuevas orillas, es decir, el ancho B, estar dado por el estudio de estabilidad de la corriente que se haya hecho.EspigonesLnea de fronteraB

Cuando se trata de una rectificacin en cauces formados por arenas y limos conviene, dentro de los posible, que los radios de las curvas, medidos hasta el eje del ro, 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 espigones aguas arriba deben tener longitud variable: el primero ser el de menor longitud posible (igual al tirante) y los otros dos aumentarn uniformemente, de tal manera que el cuarto ya tenga la longitud del proyecto. La pendiente longitudinal de la corona debe ser uniforme en todos ellosBEspigones

LOCALIZACION EN PLANTA DEUNA OBRA DE DEFENSA CONESPIGONESEspigonesDiques guiaa. Curva trazada con un solo radiob. Curva formada con tramos que diferente radio de curvatura

7 LONGITUD DE LOS ESPIGONESLa longitud total de un espign se divide en una longitud de anclaje o empotramiento (LA), y en una longitud de trabajo (LT)

Se recomienda que la longitud de trabajo est dentro de los siguientes lmites: y < LT < B/4 Donde: B = ancho medio del cauce, en metrosy = 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 ao, transportar la misma cantidad de material de fondo que el hidrograma anual. Algunos autores consideran como gasto formativo, el gasto mximo que es capaz de pasar por el cauce principal sin que desborde hacia la planicie MargenLALTLA= 0.1 a 0.25LT

8 SEPARACION ENTRE ESPIGONESSe mide en la orilla entre los puntos de arranque de cada uno

Separacin en tramos rectos a. Recomendaciones del Laboratorio de Hidrulica de Delft

metros Donde:Co = constante (aproximadamente = 0.6)y = tirante medio de la corrienten = Coeficiente de Manning LTSPaaa

8 Separacin entre espigones (continuacin)

b. Otras recomendaciones

Sp = 4LT a 4.5LT Sp = B a 2B

c. En funcin del ngulo a

Angulo aSeparacin, SP70o a 90o4.5LT a 5.5LT60o5LT a 6LT

d. Separacin en curvas- Si la curva es regular, la separacin recomendable es:

Sp = 2.5Lt a 4Lt

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

Si la curva es circular , todas las separaciones y longitudes son iguales

Lnea a la que llegan losExtremos de los espigonesaaa90o90o90obbbEspign

9 ELEVACIONES Y PENDIENTES DE LA CORONAa. Espigones no sumergibles Los espigones no sumergibles tienen una cresta horizontal sin pendiente. El borde libre esta generalmente entre 0.5 m a 1 m. La cresta de un espign nunca ha de estar ms alta que la orilla prxima, porque de lo contrario las crecidas podran rodear el arranque, arrastrando tierra de la orilla antigua. b. Espigones sumergibles En este tipo de espigones la cresta es ascendente hacia arriba. Si el morro del espign queda por debajo del nivel de estiaje, se le denomina espign baado, y si toda la cresta se encuentra por debajo de dicho nivel , se dice que el espign es de tipo sumergido

Se inician a la elevacin de la margen , o a la elevacin de la superficie libre al ocurrir el gasto formativo.

b. Espigones sumergidos (continuacin) El extremo dentro del cauce puede tener alturas mximas de 0.5 m. Sobre el fondo actual La pendiente de la cresta puede estar entre 0.05 a 0.25

Espign sumergido con revestimientoACauce inicialCauce equilibradoSECCION LONGITUDINALPLANTASECCION TRANSVERSALSo

b. Espigones sumergidos (continuacin)

Se recomienda una pendiente S uniforme hasta el fondo. El piso C de los espigones debe construirse primero para evitar erosiones locales durante la construccinS0.5 mCLTLTNivel del agua para eldominantePosible erosinEspignColocacin de un espign cuando la margen no esta muy elevadab. Colocacin de un espign cuando la margen esta muy elevada

10 TALUDES a. Taludes de la espalda y del frente del espign Los taludes tienen taludes laterales que varian de 1 : 1.25 a 1 : 3, dependiendo del material de construccin

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

11. ORIENTACION DE LOS ESPIGONES Los espigones pueden estar dirigidos hacia aguas abajo o aguas arriba, tambin ser normales a la corriente La experiencia ha demostrado que el relleno ms rpido tiene lugar en espigones con inclinacin Se recomienda orientaciones de espigones hacia aguas arriba en rios grandes y anchos, y hacia aguas abajo en ros relativamente angostos

12 ESPIGONES DE ENROCADOa. Caractersticas Tal como se observa en la figura , la seccin transversal del enrocado es trapezoidal y simtrica, y esta constituido de rocas El talud del morro es mayor que los taludes laterales

EnrocadoProteccin al pie del Talud del morroRelleno con roca de Menor dimetro

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.

CestonesEnrocado deproteccin

b. Calidad de las rocas

La roca debe ser sana, dura, de canteraDebe ser resistente al agua y a los esfuerzos de corteSe recomienda las rocas gneas como: granito, granodiorita, diorta, basalto, riolta, etc., con densidad relativa DR > 2La mejor forma de la roca es la angular La estabilidad del enrocado depende de la forma, tamao y masa de las piedras, y de una adecuada distribucin de tamaos

c. Tamao de las rocasLa estabilidad de una roca es una funcin de su tamao, expresada ya sea en trminos de su peso dimetro equivalenteSe han efectuado muchos estudios para determinar el tamao de las rocas, entre los que tenemos: - Frmula de Maynord

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

- Valores de C1: - Fondo plano C1 = 0.28- Talud 1V:3H C1 = 0.28- Talud1V: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

c. Tamao de las rocas (continuacin)Frmula de Isbash

Donde: d = dimetro mnimo de las rocas rr= densidad de las rocas r = densidad del agua

Frmula de Goncharov

c. Tamao de las rocas (continuacin)c1 Frmula de Levi

c2 Recomendacin del U.S.Department of Transportation Sistema ingls

El tamao recomendado de la roca es:

Donde: Q = es el ngulo de inclinacin del talud F = es el ngulo de reposo del enrocado DR = densidad relativa FS = factor de seguridad En el siguiente cuadro se muestra valores del factor de seguridad FS

Recomendacin del U.S.Department of Transportation (continuacin)

Valores de los factores de seguridad FS

CondicinFSFlujo uniforme, tramos rectos o ligeramente curvos (radio de la curva / ancho del canal > 30). Mnima influencia de olas y de impacto de sedimentos y material flotante1.0 1.2Flujo 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 1.3 1.6Aproximacin al flujo rpidamente 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 botes1.6 2.0

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

e. Distribucin del tamao de las rocas

Recomendaciones de Simons y Senturk- La Relacin tamao mximo de la roca entre el dimetro d50 debe ser aproximadamente 2- La relacin entre d50 y d20 debe ser tambin aproximadamente 2

Recomendaciones del U.S. Department of TransportationLa graduacin de las piedras del enrocado afecta su resistencia a la erosin. Cada carga del enrocado debe ser razobablemente bien graduada desde el tamao ms pequeo hasta el tamao ms grande. En el siguiente cuadro se presenta los lmites de la graduacin de las piedras

Lmites de Graduacin de las Rocas (Recomendaciones de U.S. Department of Transportation)

Rango del tamao de roca (pies)Rango de peso de la roca (libras)Porcentaje de graduacinMenor que1.5 D50 a 1.7 D503.0 W50 a 5.0 W501001.2 D50 a 1.4 D502.0 W50 a 2.75 W50851.0 D50 a 1.15 D501.0 W50 a 1.5 W50500.4 D50 a 0.6 D500.1 W50 a 0.2 W5015

f. Proteccin al pie del taludLa socavacin al pie del enrocado es uno de los principales mecanismos de fallaPor lo tanto se debe proteger la base del talud con enrocado. En la siguiente figura se muestra un esquema de proteccin

Mximo nivel del agua 1.5 dg dg profundidad de socavacin generalCresta protegida en espigonessumergidos

g. Proteccin al pie del morroEn en este caso la longitud de proteccin es mayor

Mximo nivel del agua 2.0 dg dg profundidad de socavacin general

BIBLIOGRAFIABank Protection Method. Brevard Workforce Development Board. Bangladesh Water Development BoardBridge Piers Apelt ASCE 1968Design with Geosynthetics. Robert M. Koerner. Edit. Prentice. May, 1999Design of Revetments. K.W. Pilarczyk. Dutch Public Works Department. Hydraulic Engineering Division. The NetherlandsDeslizamientos y Estabilidad de Taludes en Zonas Andinas y Tropicales. Jaime Surez Daz. ColombiaEngineering Hydrology. Victor Manuel Ponce. Edit. Prentice Hall. USA.Hidrulica de Canales Abiertos. Richard H. French. Edit. McGraw-HillHidrulica de Canales Abiertos. Ven Te Chow. Mac Graw Hill. BogotHidrologa en Ingeniera. Germn Monsalve Senz. Edit. Alfaomega. ColombiaHydraulic Factors in Bridge Design. Faraday&Charlton. Hydraulic Research. Londres. 1983Ingeniera de Ros. Hans Bots. Ingeniera Civil. Universidad Catlica del PerLandslides. Ministry of Construction JapnManual de Diseo de Obras Civiles. Comisin federal de Electricidad MxicoPractical Rip Rap Design. Maynord S. U.S. Army Engineers. 1978Sediment Transport. Breusers. Delft University. Holanda. 1984Stream Stability at Highway Structures. U.S. Department of TransportationThe Principles of River Training for Rivers. Gales R. Inst. Civ. Engrs.