diseño bateria de espolones

Nelson Barrera Torres INGENIERO GEOLOGO U.P.T.C

Especialista en Geotecnia Vial y Pavimentos

TELEFAX. 665 75 75 [email protected]

Carrera 16 # 18 – 23 Brr. El Remanso Villavicencio – Meta.

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CONSTRUCCIÓN DE OBRAS BIOMECÁNICAS EN EL RÍO MANACACÍAS EN EL MUNICIPIO DE PUERTO GAITÁN DEPARTAMENTO DEL META

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CONSTRUCCIÓN DE ESPIGONES CON GEOTUBOS

CONSTRUCCIÓN DE OBRAS BIOMECÁNICAS EN EL RIO MANACACIAS EN EL MUNICIPIO DE PUERTO GAITÁN DEPARTAMENTO DEL META

En este informe se mostraran los resultados del ejercicio de diseño y análisis de GEOTUBOS la CONSTRUCCIÓN DE OBRAS BIOMECÁNICAS DE CONTROL DE EROSIÓN PARA LA PROTECCIÓN DE UN SECTOR DE LA MARGEN DERECHA DEL RIO MANACACIAS, en Puerto Gaitán, Meta. En este informe se plantea la construcción de espolones conformados por GEOTUBOS llenos de arena. Los GEOTUBOS se llenaran con arena extraída del lecho del río por medios hidráulicos. La ubicación y altura de los espigones corresponden a las alturas de diseño según la información recibida. Los alcances y beneficios que se obtienen en los espolones hechos con GEOTUBOS es que permiten aumentar y optimizar las propiedades hidráulicas y la durabilidad de las obras, además de permitir tiempos inferiores en la construcción y reducir costos de construcción. Para la protección de estos GEOTUBOS se propone revestimiento en concreto de agregado fino con COLCHACRETO. Para controlar los fenómenos de socavación en la base de las estructuras se propone la instalación de un MANTO ANTISOCAVACIÓN en la parte inferior.

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DESCRIPCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS

Se construirán seis estructuras de control hidráulico tipo espolón, con un ángulo de ubicación con respecto a la orilla. Para la construcción de estos espolones se utilizaran GEOTUBOS. Para el proyecto se plantea la utilización de dos niveles de GEOTUBOS para conformar cada espolón. Las alturas de los GEOTUBOS en cada nivel debe alcanzar los 1.70 m.

ESPOLÓN DE DOS NIVELES

La estructura hidráulica típica con GEOTUBOS de dos niveles tiene en la sección transversal tres GEOTUBOS más un tubo intermedio de relleno, tal como se muestra en la imagen.

Nivel 1: El nivel 1 consiste en una base conformada por dos (2) GEOTUBOS de 1.70 m. de altura, que están sobre el MANTO ANTISOCAVACIÓN que está en contacto con el suelo de fundación, los GEOTUBOS estará ubicados uno al lado del otro. Se plantea el llenado de los GEOTUBOS de este nivel con arena dragada del lecho del río en condición sumergida.






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Nivel 2: El nivel 2 consiste en un GEOTUBO en la parte superior de 1.70 m. de altura, este será llenado sobre los dos GEOTUBOS del nivel 1 y el GEOTUBO intermedio para que no ocurra una deformación. Se plantea llenar este tubo con la misma arena.

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DISEÑO

Estabilidad interna

Consideraciones

El proceso de llenado se adelantará en una etapa en la que el GEOTUBO se llena totalmente con una mezcla de arena y agua cambiando de puerto de llenado según sea necesario. Teniendo en cuenta que la estructura a conformar es de dos niveles, se presenta el análisis para la condición en la que los GEOTUBOS son llenados en condición seca y para la condición en la que son llenados en condición sumergida.

Metodología

La formulación del GEOTUBO lleno con una mezcla de slurry (arena-agua) presurizada, se basa en el equilibrio de la envoltura que conforma este encapsulado flexible. Los resultados arrojan la tensión sobre el perímetro del geotubo y la geometría cilíndrica del encapsulado. El presente informe se basa en las previsiones planteadas por Liu 1981, Kazimierowicz 1994 y Carrol 1994, bajo las siguientes hipótesis de diseño:






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El problema es de naturaleza bidimensional (deformación plana). Es decir, el geotubo es largo y todas sus secciones transversales son idénticas en términos de geometría y materiales.

La presión en la descarga de la draga es el parámetro fundamental durante el llenado.

El geotubo es delgado, flexible y de peso despreciable por unidad de longitud. El material de llenado es una mezcla hidráulica que imparte un estado de

esfuerzos hidrostático al interior del geotubo. No existen esfuerzos cortantes entre el mortero y el material del geotubo.

En la Figura 0.1se muestra el modelo de trabajo que ilustra el análisis matemático

del problema.

Figura 0.1 Sección transversal de análisis

El caso se resuelve a través de las siguientes ecuaciones que relacionan las variables implicadas así:






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Dónde: T = tensión en el geotextil L = circunferencia del GEOTUBO p0 = presión en la descarga de la bomba γ = densidad del mortero

RESULTADOS

Los resultados se presentan en la Tabla 0-1 y en la






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Tabla 0-2, en estas se presenta el perímetro efectivo del GEOTUBO FORTEX®, la

altura, relación alto / ancho y área de la sección en función de la presión de descarga en el puerto de entrada del GEOTUBOS FORTEX®. EL análisis se realizó tanto para la condición sumergida (GEOTUBOS primer nivel) como para la condición seca (GEOTUBO de segundo nivel).

Tabla 0-1 Resultados de estabilidad interna en condición seca, perímetro 12,9 m.

Perímetro 12,9

Geotextil FORTEX BX-90

Altura de llenado inicial H(m)

1,70

Presión de llenado (KPa) 0,8

Área de llenado inicial (m2)

8,2

Ancho de llenado inicial W (m)

5,6

Ancho de la base B(m) 4,7

Relación Alto/Ancho H/W 0,300






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Tabla 0-2 Resultados de estabilidad interna en condición sumergida perímetro 12,9 m.

Perímetro 12,9

Geotextil FORTEX BX-90

Altura de llenado inicial H(m)

1,70

Presión de llenado (KPa) 0,2

Área de llenado inicial (m2)

8,3

Ancho de llenado inicial W (m)

5,6

Ancho de la base B(m) 4,7

Relación Alto/Ancho H/W 0,301

Estabilidad Externa

Metodología

El procedimiento consiste en analizar la posibilidad de falla de la estructura por deslizamiento o volcamiento considerando todas las fuerzas que actúan en el sistema. Para considerar la fuerza de empuje debida a la corriente de agua se consideró la condición crítica en la que la presión hidrostática actúa solo a un lado del espolón. Las fuerzas que intervienen en el análisis de estabilidad externa se presentan en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia..






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Dónde: B = Ancho de base de la estructura Z0 = Altura de la lámina de agua H =Altura de la estructura yc = Centro de masas de la estructura (para este caso se considera a un tercio de la altura H _ = Ángulo de inclinación del fondo del río (transversal al espigón) A = Punto de referencia para análisis de volcamiento fmax = Fuerza de fricción máxima W = Peso de la estructura FH = Fuerza de empuje lateral generada por el agua U = Fuerza de empuje vertical generada por el agua

Análisis por deslizamiento Este análisis consiste en verificar que la fuerza de fricción máxima del sistema sea suficientemente mayor para resistir la fuerza de empuje del agua. El factor de seguridad se calcula como sigue:

El factor de seguridad por deslizamiento debe ser mayor a 1.5. Análisis por volcamiento Consiste en verificar que los momentos resistentes sean suficientemente mayores a los momentos actuantes. El factor de seguridad por volcamiento está dado por:

El factor de seguridad por volcamiento debe ser mayor a 2.0. Análisis por excentricidad Consisten en verificar que se cumpla con la condición:






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Resultados

A continuación se presentan los resultados del análisis realizado para los espigones de dos niveles de GEOTUBOS:

DATOS DE ENTRADA

Información Geotubos

Altura de la estructura con GEOTUBO H (m) 3.40

Peso especifico GEOTUBO g (ton/m³) 1.60

Área sección transversal estructura con GEOTUBOS (m²)

25.60

Altura centro de masa de GEOTUBOS Yc (m) 1.20

Ancho de base B (m) 9.40

Información corriente de agua

Profundidad lámina de agua Zo (m) 3.00

Pendiente del fondo (transversal a la estructura) (°)

1.00

Peso especifico del agua w (ton/m³) 1.00

Información material del fondo

Angulo de fricción interna del material de fondo φ (°)

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Angulo de fricción entre el material de fondo y el GEOTUBO (°)

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CALCULO DE FUERZAS

Peso de GEOTUBOS W (Ton) 40,96

Presión hidrostática FH (Ton) 4.50

Presión de empuje en el fondo U (Ton) 14,10

ANALISIS POR DESLIZAMIENTO

N’ (Ton) 26,85

F máx (Ton) 8,21

FS des 1.82

Bien






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ANALISIS POR VOLCAMIENTO

ΣMRA (Ton*m) 192,48

ΣMAA (Ton*m) 93,72

FS vol 2.05

Bien

ANALISIS DE EXCENTRICIDAD

ΣMA (Ton*m) 98,76

ΣFV (Ton) 27,86

E (M) 1,15

B/6 1.57

Bien

PROTECCIÓN DE LOS GEOTUBOS

Para la protección de los GEOTUBOS se propone revestimiento en concreto de agregado fino con COLCHACRETO, tal como se muestra en las figuras anexas.

Protección de los GEOTUBOS con COLCHACRETO FP-T

Se propone proteger los GEOTUBOS con un revestimiento en concreto de agregado fino con COLCHACRETO FP-T. La formaleta textil cuenta con tendones internos de refuerzo los cuales quedarán embebidos dentro del concreto.

MANTO ANTISOCAVACIÓN DE LOS TUBOS GEOTEXTIL

El manto antisocavación es un geotextil diseñado para proteger la fundación del GEOTUBO de las cárcavas que surgen por efecto de la socavación. En esta aplicación puede presentarse socavación en la base del GEOTUBO por acción de la corriente del río o por el material que se descargue por fuera del geotubo durante el llenado. Este manto antisocavación se coloca a ambos lados del geotubo ajustándose a la superficie mediante la sobrecarga de pequeños tubos laterales conformados con el mismo geotextil.






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PROCEDIMIENTO DE LOCALIZACIÓN DE LOS ESPOLONES

Con el objeto de prevenir la socavación lateral causada por la corriente, en el tramo situado aguas abajo del puente, se realizó la localización apropiada de las estructuras de protección. Los espolones propuestos tiene dos funciones básicas para cumplir: la primera la protección de la orilla y por ende, de la cabeza de barranco ubicada al lado derecho del río aguas abajo, y la segunda, la consolidación del nuevo alineamiento del cauce. El primer paso del proceso consiste en establecer la longitud de la protección; esta distancia está definida por las características lúdicas del proyecto, y corresponde a una longitud de aproximadamente 30 metros aguas abajo del puente. El segundo paso del proceso consiste en definir un ancho del canal principal controlado por la presencia de los espolones; esto equivale a la definición de la longitud de los espolones, medida perpendicular a la orilla. La longitud perpendicular de los espolones impermeables no debe sobrepasar el 15% del ancho total del cauce intervenido. En el presente proyecto, este valor se fijó en una distancia de 7 metros, que corresponden al 11% del ancho del canal. El espaciamiento entre espolones es una función de la longitud del espolón, el ángulo de deflexión, y la permeabilidad del mismo, todo relacionado con la curvatura deseada del canal. Tradicionalmente el espaciamiento se calcula mediante un factor de espaciamiento definido como el radio (relación) entre el espaciamiento y la longitud de su proyección sobre la banca; este factor variaba entre menos de uno para estructuras retardadoras hasta 6 para espolones direccionales impermeables. Richardson y Simmons ( River Engineering) sugirieron utilizar valores entre 1.5 y 2 para espolones retardadores, de 3 a 6 para los mixtos, y mayores de 6 para los espolones de desviación o direccionales. Se utiliza el concepto de ángulo de expansión para encontrar el espaciamiento entre espolones. Este ángulo puede definirse como el ángulo requerido por la corriente para volver a ocupar el ancho total del río después de la contracción causada por el

espolón. En la Figura 0.2 se muestra la explicación de esta definición.






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Figura 0.2 Definición del ángulo de expansión

La publicación del USDOT presenta la Figura para estimar el ángulo de deflexión en diferentes tipos de espolones; para aquellos de tipo impermeable, con longitudes del orden de 11% del ancho del río, el valor del ángulo de deflexión utilizado en diseño debe ser de 17º. Obsérvese entonces que conociendo la longitud o componente perpendicular del espolón, puede calcularse el espaciamiento entre espolones utilizando el ángulo de expansión.






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Figura Relación entre longitud de espolón y ángulo de expansión

La orientación de los espolones se basa en la definición del ángulo β, denominado ángulo de orientación del espolón, medido con relación a la dirección del flujo como se muestra en la siguiente Figura






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Figura orientación de los espolones

En lo que respecta a espolones de doble función el estado del arte de la materia indica que no deben usarse a ángulos menores de 90 grados (contra corriente) por la alta resistencia al flujo y la alta favorabilidad a la erosión en la punta del espolón. Normalmente se acepta que el primer espolón aguas arriba, que es el que inicia el trabajo de retardar y desviar el río se instale a un ángulo bastante plano con respecto a la corriente, y que este ángulo se vaya reduciendo progresivamente en los siguientes espolones. Para el primer espolón debe usarse el máximo ángulo que es de 30 grados, mientras que para los restantes se puede optar por mantener este valor o reducirlo.

______________________________ NELSON BARRERA TORRES

Ing. Geólogo Esp. Geotecnia Vial y Pavimentos






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M.P. 1522375447 BYC

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JUAN PABLO BARRERA Ing. Civil Msc. en Recursos Hídricos


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