01 control erosion obras viales

IngºIngº CIP Julio Kuroiwa Zevallos, Ph.D. CIP Julio Kuroiwa Zevallos, Ph.D. Ing° CIP Alfredo Mansen Valderrama Ing° CIP Alfredo Mansen Valderrama

COLEGIO DE INGENIEROS DEL PERÚCONSEJO DEPARTAMENTAL DE LIMACAPÍTULO DE CIVILES

CursoControl de Erosión en Obras Viales

1. CONCEPTOS INTRODUCTORIOS

La Vía Camino o Carretera en medio rural La Vía Camino o Carretera en medio rural es una franja artificial que se desarrolla en es una franja artificial que se desarrolla en

un medio controlado principalmente por las un medio controlado principalmente por las fuerzas de la naturalezafuerzas de la naturaleza

Vía de Acceso a Antamina

Tragedias por erosión en taludes Tragedias por erosión en taludes adyacentes a carreterasadyacentes a carreteras

Fuente: Diario El Comercio. (2002)

Problema de Erosión en Margen Problema de Erosión en Margen Derecha de Río RímacDerecha de Río Rímac

Erosión a la salida de Erosión a la salida de badenesbadenes

Erosión en Carretera (Ayacucho)Erosión en Carretera (Ayacucho)

Objetivos de la sesión introductoriaObjetivos de la sesión introductoria

• Identificar los problemas que se presentan como consecuencia de la erosión hídrica en las vías de transporte.

• Discutir la importancia de los factores importantes en el control de erosión.

• Resaltar la influencia de la vegetación el control de erosión

Organización de la Organización de la sesión sesión introductoriaintroductoria

• La cuenca como sistema.• Factores naturales que influyen el la

erosión hídrica en cursos de agua y laderas.

• Influencia de la vegetación en la erosión.

Interrelación entre variables de Interrelación entre variables de la dinámica fluvialla dinámica fluvial

ClimaPrecipitaciónTemperatura

GeologíaTopografíaLitología

VegetaciónUsos de la tierra Características del suelo

Carga de SedimentosCaudal

Morfología Dinámica Fluvial

Julio Kuroiwa Z. - Alfredo Mansen V (2006)

Diagrama del recorrido del agua Diagrama del recorrido del agua de origen pluvialde origen pluvial

Precipitación

Intercepción y Almacenamiento

Escorrentía Superficial Infiltración Evapotranspiración

Flujo Subsuperficial Percolación Profunda

Escorrentía SubterráneaFlujo de retorno

Flujo retardado

Escorrentía Directa Caudal Base

CAUDAL CIRCULANTE

Uso de Fotografías Aéreas para Uso de Fotografías Aéreas para visualizar patrones de flujovisualizar patrones de flujo

Características del cauce y la Características del cauce y la cuencacuenca

En esta fotografía es evidente la fuerte capacidad de arrastre del rio Paujil. (Departamento de Pasco). Evidencias:

-Flujo “agua blanca” ààAireación.- Fuerte pendiente.-Tamaño de rocas depositadas en el lecho indica fuerte arrastre.

Julio Kuroiwa Z. - Alfredo Mansen V (2006)

Características del cauce y la Características del cauce y la cuenca (2)cuenca (2)

Quebrada Sapicancha(Yauli, Junín)

Problemas de erosión de márgenes izquierda y derecha en curvas por caudales de derivación mayores a los caudales “naturales”

Julio Kuroiwa Z. - Alfredo Mansen V (2006)

Río Rímac Río Rímac -- TrenzadoTrenzado

Julio Kuroiwa Z. - Alfredo Mansen V (2006)

Trazado / Pendiente / MaterialTrazado / Pendiente / Material

Río Urubamba – Márgenes Arcillosas

Río Santa – Márgenes Rocosas

Distribución de velocidades y esfuerzos Distribución de velocidades y esfuerzos cortantes en una curvacortantes en una curva

A

Sección A - A

A

Mayores velocidades y

esfuerzos cortantes

Menores velocidades y

menores esfuerzos cortantes

Julio Kuroiwa Z. - Alfredo Mansen V (2006)

Suelo menos erosionable a más Suelo menos erosionable a más erosionableerosionable

ML > SM > SC > MH > OL >> CL > CH > GM > SW > GP > GW

Menos erosionable

Más erosionable

Julio Kuroiwa Z. - Alfredo Mansen V (2006)

Velocidades que causan erosión Velocidades que causan erosión en canales de tierraen canales de tierra

2.443.05Grava y guijarros (encima de 200 mm)

2.132.74Grava a guijarros (debajo 150 mm)

1.982.44Grava gruesa

1.832.29Grava

1.682.13Limo a grava

1.521.98Marga a grava

Material graduado (no coloidal)

1.221.52Arcilla dura (coloidal)

1.071.22Grava Fina

1.071.22Ceniza Volcánica

1.071.07Marga fina

0.910.91Marga Limosa (no coloidal)

0.760.76Marga arenosa (no coloidal)

0.760.76Arena Fina (no coloidal)

Flujo sostenido (m/s)Flujo intermitente (m/s)Tipo de material en sección excavada

Velocidad permisible

Tipo de Suelo encontradoTipo de Suelo encontrado

Erosión causada por precipitaciónErosión causada por precipitación

• Si los esfuerzos tractivos son mayores que los resistentes, las partículas de suelo se desprenden de la matriz.

• La pérdida de masa causa inestabilidad.• Las estructuras se quedan sin soporte y

colapsan.• Las vías quedan interrumpidas.• EL sedimento producido aumenta la

turbidez del agua, produciendo problemas ambientales

Erosión en Carretera Rioja Erosión en Carretera Rioja –– Tarapoto. El Tarapoto. El desbroce aumenta las producción de sedimentosdesbroce aumenta las producción de sedimentos

Fuente: Mansen + Kuroiwa Ingenieros Asociados S.A.C. (2001)

Erosión en Carretera La Oroya Erosión en Carretera La Oroya --HuancayoHuancayo

Fuente: Mansen + Kuroiwa Ingenieros Asociados S.A.C. (2003)

Erosión a la salida de alcantarillas y Erosión a la salida de alcantarillas y badenesbadenes

Fuente: Mansen + Kuroiwa Ingenieros Asociados S.A.C. (2001)

Falla progresiva a la salida de Falla progresiva a la salida de alcantarillas o badenesalcantarillas o badenes

Erosión en CárcavasErosión en Cárcavas

Fuente: Mansen + Kuroiwa Ingenieros Asociados S.A.C. (2001)

Disipación de energía Disipación de energía –– Zona del Zona del Salto HidráulicoSalto Hidráulico

Julio Kuroiwa Z. - Alfredo Mansen V (2006)

Influencia de factores naturales en la Influencia de factores naturales en la selección del método de control de erosiónselección del método de control de erosión

• Clima:– Establecimiento de especies vegetales.– Régimen hidrológico (Meses húmedos /Secos)

• Geología / Litología:– Disponibilidad de Materiales. (Enrocado, Cantos /

Bolones, Tipo de Roca: Ígnea / Sedimentaria) àCanteras

• Topografía:– Pendiente del Cauce (Influye en la Velocidad y

Capacidad de Arrastre)– Ancho del cauce. (¿Hay espacio?)– Profundidad del cauce.

INFLUENCIA DE LA INFLUENCIA DE LA VEGETACIÓN EN EL VEGETACIÓN EN EL

CONTROL DE EROSIÓNCONTROL DE EROSIÓN

Influencia de la vegetaciónInfluencia de la vegetación

• La vegetación:– Protege el suelo contra el impacto de las

gotas de lluvia.– Las raíces, las hojas y tallos depositados

aumentan la rugosidad del suelo. Además forman recorridos más largos, disminuyendo la velocidad del flujo.

– En general, el suelo actúa como una cobertura protectora.

Influencia de la vegetación en el Influencia de la vegetación en el control de erosióncontrol de erosión

• La vegetación ofrece aspectos positivos para el control de erosión. Entre ellos, aumenta la resistencia del suelo al corte debido a la presencia de las raíces y además cierta resistencia a la tensión. Por otro lado, la presencia del follaje impide el impacto directo de las gotas de la lluvia. Para fines de control de erosión, las especies vegetales se pueden clasificar básicamente en dos tipos:

• a) Especies herbáceas y pastos• b) Especies arbóreas.

Efectos beneficiosos de especies Efectos beneficiosos de especies herbáceas en el control de erosiónherbáceas en el control de erosión

• Los efectos benéficos de las especies herbáceas son los siguientes:

• Intercepción: el follaje y los residuos de la planta absorben la energía y previenen.

• Refuerzo: las raíces aumentan la resistencia del suelo al corte.

• Retardo: el aumento en la rugosidad retarda el flujo.

• Infiltración: las plantas y sus residuos ayudan a mantener la porosidad del suelo y permeabilidad retardando así el inicio del flujo.

Efectos beneficiosos de las Efectos beneficiosos de las especies herbáceasespecies herbáceas

Mecanismos hidrológicosMecanismos hidrológicos

• El follaje intercepta la lluvia, absorbiendo el impacto de las gotas. (Influencia positiva).

• Las raíces y los tallos aumentan la rugosidad de la superficie y la permeabilidad del suelo, aumentando la capacidad de infiltración). (Influencia negativa).

• Las raíces extraen la humedad del suelo, que se pierde en la atmósfera debido a la transpiración, reduciendo la presión del agua. (Influencia positiva).

• La extracción del agua reduce la humedad del suelo y produce rajaduras en el suelo. (Influencia negativa).

Mecanismos mecánicosMecanismos mecánicos

• Las raíces refuerzan el suelo, aumentando el esfuerzo de corte. (Influencia positiva).

• Las raíces podrían anclarse en roca firme, dándole apoyo al suelo.

• El peso de los árboles sobrecarga, aumentando las componentes normal y paralela a la ladera (efecto positivo / negativo)

• La vegetación expuesta al viento transmite lasa cargas dinámicas al suelo (influencia negativa).

Efectos de las especies arbóreasEfectos de las especies arbóreas

Influencia de la Vegetación en el control de Influencia de la Vegetación en el control de velocidad en las riberas de los ríosvelocidad en las riberas de los ríos

Experimentos de Control de Erosión Experimentos de Control de Erosión ((HarlandHarland CreekCreek, , MississipiMississipi, , E.E.U.UE.E.U.U.).)

Experimentos de Control de Erosión Experimentos de Control de Erosión ((HarlandHarland CreekCreek, , MississipiMississipi, , E.E.U.UE.E.U.U.) .) --22

Investigaciones Investigaciones -- Control de Control de Erosión Mediante VegetaciónErosión Mediante Vegetación

• Tesis para optar el Título Profesional UNI- FIC -Alberto de la Cruz Fallaque (2005) bajo la asesoría de J. Kuroiwa Z.

• Realizó experimentos de escorrentía en un talud 2 H: 1 V. (pendiente = 50 %)– Tierra Vegetal (SUCS: CL) sin cobertura.– Tierra Vegetal con pasto Tanzania.(Pannicum

Maximum Jc Tanzania)– Tierra Vegetal con pasto Tanzania y Mac Mat

® de Maccaferri.– Tierra Vegetal con pasto Tanzania y

Geoweb® de Presto.

GeoceldaGeocelda rellena con tierra rellena con tierra vegetalvegetal

Fuente: Presto

MacMatMacMat®® --Consiste de un refuerzo Consiste de un refuerzo de suelo tridimensional de de suelo tridimensional de monofilamentosmonofilamentos de de polipropileno, unidos al polipropileno, unidos al calor para proporcional calor para proporcional una matriz de suelo una matriz de suelo estable. Es estabilizado estable. Es estabilizado contra los rayos contra los rayos ultravioletaultravioleta

Fuente: www.maccaferri.com.au (2005)

Esquema de escorrentía sobre Esquema de escorrentía sobre taludestaludes

V e g e tac ión

Car re te ra

C a u d a l de escor ren t ía

P é rd ida de sue loT i rante

Sin Escala

P rec ip i tac ión

Fuente: Luis A. de la Cruz Fallaque (2005), Asesor: Julio Kuroiwa Zevallos, FIC-UNI

Instalaciones Instalaciones

Vista de módulo de pruebas. Laboratorio Vista de módulo de pruebas. Laboratorio Nacional de HidráulicaNacional de Hidráulica-- UNI 2005UNI 2005

Fuente: Luis A. de la Cruz Fallaque (2005), Asesor: Julio Kuroiwa Zevallos, FIC-UNI

Colocación de refuerzos al sueloColocación de refuerzos al suelo

Colocación del geoweb

Mac Mat instalado

Vista de protección con Vista de protección con GeowebGeoweb

Fuente: Luis A. de la Cruz Fallaque (2005), Asesor: Julio Kuroiwa Zevallos, FIC-UNI

Vista de protección con Vista de protección con MacMac MatMat

Fuente: Luis A. de la Cruz Fallaque (2005), Asesor: Julio Kuroiwa Zevallos, FIC-UNI

Observaciones Observaciones -- vegetaciónvegetación

• La densidad de tallos/m2 fue más alta con el Geoweb (valor: 4105 tallos/m2).

• Suelo sin refuerzo: densidad tallos = 2814 tallos/m2

• Suelo con Mac Mat ®, densidad de tallos = 2920 tallos /m2.

• Aparentemente, el Geoweb favorece una mayor densidad de tallos/m2.

• La mayor densidad en cierta manera contribuye a una mayor resistencia a la erosión.

Pruebas suelo CL sin cobertura Pruebas suelo CL sin cobertura vegetalvegetal

• El suelo sin cobertura se erosionó fácilmente antes de los 10 minutos con caudales unitarios 0.51 –3.11 L/s/m.

Pruebas con pasto TanzaniaPruebas con pasto Tanzania

Fuente: Luis A. de la Cruz Fallaque (2005), Asesor: Julio Kuroiwa Zevallos, FIC-UNI

Vista de pruebas en lado derecho Vista de pruebas en lado derecho (con (con GeowebGeoweb))

Fuente: Luis A. de la Cruz Fallaque (2005), Asesor: Julio Kuroiwa Zevallos, FIC-UNI

Resumen de ResultadosResumen de Resultados

• La erosión ocurrió en tierra vegetal con caudales unitarios de 0.5 – 3.11 L/s/m.

• El pasto Tanzania sin refuerzo resistió caudales unitarios de hasta 8.4 L/s/m sin mostrar mayores evidencias de erosión.

• El pasto Tanzania con Geoweb resistió hasta 16.25 L/s/m. A 27.4 L/s/m, ocurrió una leve pérdida de pasto en el centro de las celdas

• El pasto Tanzania reforzado con MacMatresistió hasta 25.91 L/s/m sin pérdida de daños.

Fuente: Luis A. de la Cruz Fallaque (2005), Asesor: Julio Kuroiwa Zevallos, FIC-UNI

Comentarios Finales Comentarios Finales –– 1a Parte 1a Parte Día 01Día 01

• Las carreteras están expuestas a fenómenos de la naturaleza, sobre todo en áreas rurales.

• Las características de las cuencas que cruzan las vías serán determinantes para escoger el método de control de erosión.

• La preservación y/o restauración de la vegetación es necesaria para proteger los taludes de carretera, particularmente los de corte.

• En zonas lluviosas es necesario establecer la vegetación en temporada de menor lluvia. Es posible necesitar protección adicional es decir, refuerzos como el Geoweb® o el MacMat ®.

Comentarios Finales Comentarios Finales –– 1a Parte 1a Parte Día 01Día 01

• Existen múltiples técnicas para proteger las obras viales contra la erosión hídrica, la selección se hará tomando en cuenta criterios técnicos y económicos, tales como: – Solicitaciones (esfuerzos cortantes,

velocidades, u otros a la que estarán sometidas las estructuras)

– Disponibilidad de material – Zona del estudio.– Costo de materiales.

Comentarios Finales Comentarios Finales –– 1a Parte 1a Parte Día 01Día 01

• Es posible y hasta necesario complementar las obras de protección de erosión con el uso de vegetación. Esta solución natural tiene menores impactos negativos en el medio ambiente.

• La selección de la especie debe ser adecuada para poder resistir el clima y los esfuerzos esperados.

FIN DE PRIMERA PARTE DE EXPOSICIÒN