TTE152

Conservación de riberas, con enrocado entre

espigones 2 y 3, comuna de Negrete, provincia

de Bío-Bío, Región del Bío-Bío

PROYECTO DE TÍTULO PARA OPTAR AL GRADO DE LICENCIATURA EN CIENCAS DE LA INGENIERÍA Y TÍTULO DE INGENIERO CIVIL EN OBRAS CIVILES

Matías Alejandro Alvial Valdés

Conservación de riberas, con enrocado entre

espigones 2 y 3, comuna de Negrete, provincia

de Bío-Bío, Región del Bío-Bío

PROYECTO DE TÍTULO PARA OPTAR AL GRADO DE LICENCIATURA EN CIENCAS DE LA INGENIERÍA Y TÍTULO DE INGENIERO CIVIL EN OBRAS CIVILES

Por parte de:

Matías Alejandro Alvial Valdés

Profesor guía:

Oswaldo Peña

Profesor co-guía:

Roberto Torres Hoyer

Temuco, 2022

ii

Índice

Resumen ................................................................................................................................. 1

Abstract .................................................................................................................................. 3

Introducción ........................................................................................................................... 5

Capítulo I: Antecedentes Generales ....................................................................................... 7

Cuenca del río Bío-Bío......................................................................................................... 7

Ubicación ............................................................................................................................ 8

Obras anteriores ................................................................................................................. 9

Objetivos:.............................................................................................................................. 12

Objetivo General ............................................................................................................... 12

Objetivos específicos ........................................................................................................ 12

Alcances ............................................................................................................................ 12

Limitaciones ...................................................................................................................... 12

Capítulo II: Marco teórico..................................................................................................... 13

Defensas Fluviales ............................................................................................................. 13

Defensas Artificiales:......................................................................................................... 13

Defensas Naturales: .......................................................................................................... 13

Defensas Longitudinales: .................................................................................................. 14

Defensas Transversales:.................................................................................................... 17

Espigones permeables: ..................................................................................................... 17

Espigones Impermeables: ................................................................................................. 17

iii

Hidrología.......................................................................................................................... 18

Periodo de retorno ........................................................................................................... 19

Estabilidad de taludes ....................................................................................................... 20

Terraplén de respaldo....................................................................................................... 22

Coraza de protección ........................................................................................................ 22

Talud ................................................................................................................................. 24

Talud de enrocado ............................................................................................................ 24

Coronamiento ................................................................................................................... 25

Fundación.......................................................................................................................... 25

Capítulo III: Metodología ...................................................................................................... 29

Período de retorno ........................................................................................................... 29

Antecedentes pluviométricos ........................................................................................... 29

Cálculo de caudal de diseño ............................................................................................. 30

Granulometría................................................................................................................... 32

Talud ................................................................................................................................. 34

Coraza de enrocado .......................................................................................................... 34

Fundación.......................................................................................................................... 35

Coronamiento ................................................................................................................... 37

Capitulo IV: Resultados y análisis ......................................................................................... 38

Granulometría................................................................................................................... 39

Volúmenes de material..................................................................................................... 39

Excavación ..................................................................................................................... 39

Geotextil ........................................................................................................................ 40

iv

Pretil con material granular .......................................................................................... 40

Filtro con conglomerado de cantera............................................................................. 41

Relleno de respaldo....................................................................................................... 41

Roca Talud ..................................................................................................................... 42

Roca fundación .............................................................................................................. 42

Análisis de estabilidad....................................................................................................... 43

Capitulo V: Conclusión y recomendaciones ......................................................................... 52

Recomendaciones ............................................................................................................. 53

Bibliografía ............................................................................................................................ 54

Anexos .................................................................................................................................. 55

Perfiles transversales ........................................................................................................ 55

Ensayos de suelo, roca y geotextil .................................................................................... 63

v

Ilustración 1 Cuenca Hidrográfica región del Bío-Bío – Fuente: Universidad de Concepción.

................................................................................................................................................ 8

Ilustración 2 Ubicación de obra propuesta, Comuna de Negrete, Ciudad de Negrete –

Fuente: Google Earth.............................................................................................................. 9

Ilustración 3 Proceso de construcción espigones en la comuna de negrete – Fuente:

Ministerio de Obras Públicas................................................................................................ 10

Ilustración 4 Enrocado entre espigones 1 y 2 en la comuna de Negrete............................. 11

Ilustración 5 Defensa Longitudinal Enrocado – Fuente: Manual de Carreteras V3 ............. 14

Ilustración 6 Defensa Longitudinal Gaviones - Fuente: Manual de Carreteras V3 ............. 15

Ilustración 7 Defensa Longitudinal Impermeable - Fuente: Manual de Carreteras V3.......15

Ilustración 8 Defensas Longitudinales Corridas en Curva y Contra Curva – Fuente: Manual

de Carreteras V3 ................................................................................................................... 16

Ilustración 9 Defensas Longitudinales en Puntos Localizados en Curva y Corridas - Fuente:

Manual de Carreteras V3...................................................................................................... 16

Ilustración 10 Perfil Tipo Espigón - Fuente: Manual de Carreteras 2012............................ 18

Ilustración 11 Clases de enrocado según Manual de Carreteras V3.................................... 24

Ilustración 12 Esquemas para el cálculo de socavación método Lishtvan – Levediev –

Fuente: Manual de Carreteras V3 ........................................................................................ 28

Ilustración 13 Caudales máximos diarios vs caudales máximos instantáneos - Elaboración

propia.................................................................................................................................... 31

Ilustración 14 8 Perfil tipo enrocado - Elaboración Propia................................................... 38

Ilustración 15 Modelo defensa Slide - Elaboración propia................................................... 44

Ilustración 16 Factor de seguridad más desfavorable método Fellenius – Slide –

Elaboración propia................................................................................................................ 46

vi

Ilustración 17 Factor de seguridad más desfavorable método de Bishop simplificado – Slide

– Elaboración propia............................................................................................................. 46

Ilustración 18 Factor de seguridad más desfavorable método de Janbu Simplificado – Slide

– Elaboración propia............................................................................................................. 47

Ilustración 19 Factor de seguridad más desfavorable método de Janbu Corregido – Slide –

Elaboración propia................................................................................................................ 48

Ilustración 20 Modelo Slide con carga sísmica Horizontal – Slide – Elaboración propia. .... 49

Ilustración 21 Factor de seguridad más desfavorable método de Fellenius – Slide –

Elaboración propia................................................................................................................ 49

Ilustración 22 Factor de seguridad más desfavorable método Bishop Simplificado – Slide –

Elaboración propia................................................................................................................ 50

Ilustración 23 Factor de seguridad más desfavorable método de Janbu Simplificado – Slide

– Elaboración propia............................................................................................................. 50

Ilustración 24 Factor de seguridad más desfavorable método de Janbu Corregido – Slide –

Elaboración propia................................................................................................................ 51

vii

Tabla 1 Fuente: Manual de Carreteras V3............................................................................ 19

Tabla 2 Aceleración efectiva máxima – Fuente: Manual de Carreteras Volumen 3 ...........21

Tabla 3 Coeficiente del Suelo – Fuente: Manual de Carreteras Volumen 3 ....................... 21

Tabla 4 Coeficiente de importancia K1 – Fuente: Manual de Carreteras Volumen 3.........21

Tabla 5 Fuente: Manual de Carreteras V3........................................................................... 27

Tabla 6 Fuente: Manual de Carreteras V3............................................................................ 27

Tabla 7 Fuente: Manual de Carreteras V3............................................................................ 28

Tabla 8 Estación pluviométrica............................................................................................. 29

Tabla 9 Elaboración propia, información obtenida DGA...................................................... 30

Tabla 10 Elaboración propia, Información obtenida DGA.................................................... 31

Tabla 11 Caudal de diseño.................................................................................................... 32

Tabla 12 Ensayo Granulométrico ......................................................................................... 33

Tabla 13 Elaboración propia ................................................................................................. 33

Tabla 14 Curva Granulométrica............................................................................................ 33

Tabla 15 Datos calculo socavación general .......................................................................... 36

Tabla 16 Resultados por subsecciones de socavación general por método de Lischtvan -

Levediev ................................................................................................................................ 36

Tabla 17 Resumen diseño de defensa - Elaboración propia ................................................ 38

Tabla 18 Volumen excavación - Elaboración propia ............................................................ 39

Tabla 19 Volumen geotextil - Elaboración propia ................................................................ 40

Tabla 20 Volumen pretil con material granular - Elaboración propia.................................. 40

Tabla 21 Volumen filtro con conglomerado de cantera - Elaboración propia..................... 41

Tabla 22 Volumen relleno de respaldo - Elaboración propia............................................... 41

viii

Tabla 23 Volumen roca talud - Elaboración propia .............................................................. 42

Tabla 24 Volumen roca fundación - Elaboración propia ...................................................... 42

Tabla 25 Propiedades mecánicas de suelos - Elaboración propia........................................ 44

Tabla 26 Permeabilidad de suelos - Elaboración propia ...................................................... 45

Tabla 27 Propiedades Geotextil - Elaboración propia .......................................................... 45

ix

Ecuación 1 - Periodo de retorno........................................................................................... 19

Ecuación 2 - Coeficiente sísmico horizontal ........................................................................ 20

Ecuación 3 - Calculo peso de rocas....................................................................................... 23

Ecuación 4 Manual de Carreteras Volumen 3 Edición 2018 ................................................ 26

x

Agradecimientos

A mi familia, que siempre estuvo ahí para apoyarme y jamás dejar de confiar en mí, con la

paciencia suficiente para contenerme en mis días de furia, tristeza y por supuesto en mis

días de alegría. A mi pareja que siempre brindo su apoyo y su ayuda en todo momento sin

ninguna excusa y con su amor incondicional. A mis compañeros con los cuales pasamos

juntos días y noches con tal de avanzar todos juntos a lo largo de este proceso y a mis amigos

que a pesar de la distancia, trabajos y estudios jamás dejaron de estar. Y, por último,

agradecer a todos los profesores que me brindaron su apoyo y sus conocimientos en

cualquier momento y en cualquier lugar cada vez que me sentí desorientado.

xi

COMISIÓN PROYECTO DE TITULO

Este proyecto de título ha sido realizado en el Departamento de Obras Civiles.

Profesor guía:

________________________________

Dr. Oswaldo José Peña Villegas

Comisión Evaluadora:

________________________________

Mg. Roberto José Torres Hoyer.

Comisión Evaluadora:

________________________________

Mg. Jesús Alberto Torres Hoyer.

Temuco, ____________________________________________.

xii

Conservación de riberas, con enrocado entre

espigones 2 y 3, comuna de Negrete, provincia

de Bío-Bío, Región del Bío-Bío

Resumen

Autor:

Matías Alejandro Alvial Valdés

Profesor guía:

Oswaldo Peña

Profesor co-guía:

Roberto Torres Hoyer

En la ciudad de Negrete, región del Bío-Bío, vecinos que habitan en el sector de la ribera

izquierda del río Bío-Bío, dieron a conocer su preocupación por los problemas de erosión

que ocurren en el lugar, exponiendo sus viviendas a posibles derrumbes, esto debido a que

los periodos de retorno, embalses y deshielos han provocado severos daños que dejan en

alerta a las autoridades de la comuna. Con el propósito de plantear, seleccionar y ejecutar

una pronta solución que altere de menor forma posible los parámetros hidráulicos del

sector, se realiza una recopilación de información necesaria como antecedentes históricos,

hidrología, levantamientos topográficos y ensayos de obras anteriores realizadas en el

mismo sector como espigones y enrocados cercarnos, con el fin de encontrar una

alternativa que aminore o contrarreste estos efectos provocados por el mismo entorno.

Haciendo uso del Software Slide, el Manual de Carreteras y la información recopilada, se

busca realizar un diseño de enrocado en la ribera izquierda del río Bío-Bío apto para la

1

protección del terreno, las casas aledañas, alumbrados públicos y la conservación de la

ribera sin perturbar el entorno natural del sector. En base a toda la información recopilada

se obtiene una propuesta de diseño de enrocado la cual es evaluada en el Software Slide

con la que podremos comprobar si la estabilidad de la estructura diseñada propuesta

cumple con los parámetros de seguridad establecidos en la norma chilena, con diferentes

métodos de cálculo para establecer un punto de comparación con respecto a los resultados

entregados y los métodos utilizados, junto a ello se establecen los materiales y las

cantidades correspondientes de estos mismos para una futura construcción de la estructura

de enrocado planteada. Se concluyó que el diseño de enrocado presentado era apto y

seguro para su construcción, cumpliendo así con los objetivos planteados.

2

Conservación de riberas, con enrocado entre

espigones 2 y 3, comuna de Negrete, provincia

de Bío-Bío, Región del Bío-Bío

Abstract

Autor:

Matías Alejandro Alvial Valdés

Profesor guía:

Oswaldo Peña

Profesor co-guía:

Roberto Torres Hoyer

In the city of Negrete, region de Bío-Bío, residents who live in the sector of the left bank of

the Bío-Bío river, expressed their concern about the erosion problems that occur in the

place, exposing their homes to possible landslides, this due to the fact that the return

periods, reservoirs and thaws have caused severe damage that leaves the authorities of the

commune on alert. With the purpose of proposing, selecting and executing a prompt

solution that alters the hydraulic parameters of the sector in the least possible way, a

compilation of necessary information is carried out, such as historical background,

hydrology, topographical surveys and tests of previous works carried out in the same sector

as groynes and riprap surround us, in order to find an alternative that lessens or counteracts

these effects caused by the environment itself. Making use of the Slide Software, Manual

de Carreteras and the information collected, the aim is to carry out a riprap design on the

left bank of the Bío-Bío River suitable for the protection of the land, the surrounding houses,

3

public lighting and the conservation of the riverbank without disturb the natural

environment of the sector. Based on all the information collected, a rockfill design proposal

is obtained, which is evaluated in the Slide Software with which we can check if the stability

of the proposed designed structure complies with the safety parameters established in the

Chilean standard, with different Calculation methods to establish a point of comparison

with respect to the results delivered and the methods used, together with the materials and

the corresponding amounts of these for a future construction of the proposed riprap

structure are established. It was concluded that the rockfill design presented was suitable

and safe for its construction, thus fulfilling the stated objectives.

4

Introducción

En la ribera del río Bío-Bío, en la comuna de Negrete, debido a factores naturales y

ambientales, se aprecian derrumbes que afectan a los habitantes del sector y se propone la

construcción de defensas fluviales. Estas obras están destinadas a mantener los cauces de

los ríos, proteger terrenos o estructuras que puedan estar siendo afectadas por la corriente

de los ríos desviando su cauce y modificar la hidrología natural de la cuenca.

Las defensas fluviales pueden ser continuas, las cuales se apoyan sobre el lecho y el talud o

discontinuas, que están formadas por elementos aislados, pero que están diseñados para

cumplir su función armoniosamente. También existen defensas que pueden ser mixtas,

mezclando defensas longitudinales y transversales, tales como diques y espigones

respectivamente, como los presentes en el proyecto (Rocha A., 2015).

Según antecedentes, la crecida del río Bío-Bío ocurrida en el año 2006, agudizó la situación

de inestabilidad de la ribera izquierda del río Bío-Bío, lo que acrecentó tanto el riesgo de

desmoronamiento de la propiedad pública y privada, como la pérdida de terreno; por lo

que se ejecutó un proyecto que contempló la construcción de 4 espigones (defensas

discontinuas) distribuidos a lo largo del tramo expuesto a la acción del río.

Sin embargo, frente a las últimas evaluaciones en el sector, se visualizó lo solicitado por la

comunidad, como debilitamiento de los tramos emplazados entre cada espigón, ya que la

vegetación no tiene la capacidad suficiente para sostener la ladera, dada su altura y

verticalidad. Además, año a año su deterioro se acrecienta mediante su desmoronamiento,

lo que significa una situación riesgosa para la infraestructura y la comunidad al verse

expuestos a crecidas del río.

Es por esto, que la obra consiste en proveer de defensas fluviales, la ribera izquierda del

río Bío-Bío en la comuna de Negrete, entre los espigones 2 y 3, referenciados aguas arriba,

correspondiente a la segunda etapa del tramo total establecido entre los 4 espigones

existentes.

5

Para ello, se realizó una recopilación de información necesaria para elaborar un estudio de

prefactibilidad con la finalidad de proponer un diseño de defensa fluvial óptimo para el

sector, y de esta forma solucionar la problemática del sector haciendo la menor

intervención posible en el entorno natural de la zona de estudio.

6

Capítulo I: Antecedentes Generales

Cuenca del río Bío-Bío

La cuenca del río Bío-Bío es la tercera hoya hidrográfica más grande del país, la cual se

extiende por más de 24 mil kilómetros cuadrados, en donde la superficie de la cuenca

abarca parte de la región del Bío-Bío y la región de la Araucanía, aunque el 70% de la

superficie se encuentra en la región del Bío-Bío.

El cauce principal del río Bío-Bío, nace en la Cordillera de los Andes, principal efluente de la

laguna Galletué, recorriendo un total de 380 kilómetros, siendo el segundo más largo y

caudaloso de Chile. En su recorrido cuenta con 2 lagunas artificiales, como son los embalses

Ralco y Pangue, y además, recibe aportes de diferentes cauces, entre ellos, los principales

son el río Lonquimay (en la zona alta de la cuenca) y el río Queuco (aguas abajo de los

embalses).

En la zona media de la cuenca, el río Vergara entrega caudal al río Bío-Bío, que también es

parte de sus tributarios más importantes. Aguas abajo de esta unión se encuentra otro

afluente, el río Laja. Finalmente, el río Bío-Bío desemboca al Océano Pacifico en el sector

norte del golfo de Arauco, en las cercanías de la ciudad de Concepción.

7

Ilustración 1 Cuenca Hidrográfica región del Bío-Bío – Fuente: Universidad de Concepción.

Ubicación

La obra a ejecutar se emplaza en la región del Bío-Bío, provincia de Bío-Bío, comuna de

Negrete, ciudad de Negrete, en la ribera izquierda del río Bío-Bío en un tramo próximo y

paralelo a la calle Emilio Serrano con calle Néstor del Rio de la ya mencionada ciudad.

8

Ilustración 2 Ubicación de obra propuesta, Comuna de Negrete, Ciudad de Negrete – Fuente: Google Earth.

Obras anteriores

n la zona de estudio, se encuentran obras de defensas fluviales construidas anteriormente,

se trata de 4 espigones que fueron construidos con la finalidad de prestar protección a la

ribera del río Bío-Bío y reducir la socavación producida por el escurrimiento del rio.

9

Ilustración 3 Proceso de construcción espigones en la comuna de negrete – Fuente: Ministerio de Obras Públicas.

En el año 2021, durante el mes de agosto se terminaban los trabajos del proyecto de

conservación de ribera izquierda con enrocados entre espigones 1 y 2 en la comuna de

Negrete, provincia de Bío-Bío, región del Bío-Bío.

10

Ilustración 4 Enrocado entre espigones 1 y 2 en la comuna de Negrete

11

Objetivos:

Objetivo General

- Diseñar las defensas fluviales a la ribera izquierda del rio Bío-Bío, tipo enrocado para

el control de la erosión producto del aumento de caudal, en la comuna de Negrete,

ciudad de Negrete.

Objetivos específicos

- Determinar zonas de riesgo en el lugar de construcción para el diseño óptimo de la

defensa fluvial.

- Analizar el levantamiento topográfico de la zona en construcción para el cálculo de

material de respaldo a agregar sobre el talud existente.

- Calcular los volúmenes de material a utilizar según el perfil tipo de enrocado

diseñado.

Alcances

En el presente informe, al tratarse de un estudio de pre factibilidad de diseño de enrocado,

se han supuesto algunos parámetros del suelo según los ensayos realizados.

Limitaciones

Para el presente estudio, no fue posible realizar la totalidad de ensayos debido al tiempo

que conlleva realizarlos y por la situación de pandemia en la que estamos viviendo,

afectando el uso de los laboratorios por cuarentenas, aforos, entre otros.

12

Capítulo II: Marco teórico

Defensas Fluviales

Se define como defensas fluviales a toda obra destinada a dirigir o regularizar la corriente

de un cauce con el fin de proteger estructuras implantadas en él, o bien, defender sus

riberas y planicies adyacentes donde existían asentamientos humanos, terrenos agrícolas

e instalaciones industriales o de otro tipo que pudieran ser dañadas por el agua.

Defensas Artificiales:

- Diques de contención: Aquel que busca imposibilitar el avance del agua.

- Diques rompeolas: Aquel en donde se superponen materiales para minimizar

la energía proveniente de las olas. Brinda protección a un determinado lugar

y a diferencia de los diques de contención, no tienen como función impedir

la filtración de agua.

- Dique exento: Se encuentra separado de la costa, generalmente ubicado

paralelo a ella.

- Dique seco: Instalación portuaria que permite retirar los barcos del agua para

su posterior reparación.

Defensas Naturales:

- Se forman por arrastre y acumulación de materiales que genera un río,

elevando la ribera de forma progresiva.

13

Defensas Longitudinales:

Entregan estabilidad a la ribera y evita posibles inundaciones. Estas no interfieren en el

escurrimiento natural del rio ya que estas son construidas a lo largo de la ribera. Las

defensas longitudinales se apoyan en el lecho y el talud representando un contacto

permanente con la orilla fluvial.

Ilustración 5 Defensa Longitudinal Enrocado – Fuente: Manual de Carreteras V3

Los enrocados tienen como características de tener una instalación o reparación con

facilidad, con una apariencia natural y la obtención de rocas pueden ser de sectores

aledaños, en caso contrario, el transporte de la roca puede ser costoso.

Deben ser rocas angulosas que aseguren la buena traba entre ellas.

14

Ilustración 6 Defensa Longitudinal Gaviones - Fuente: Manual de Carreteras V3

Los gaviones son elementos confeccionados con malla hexagonal y rellenados con rocas

pequeñas, son utilizados en diversas situaciones debido a su versatilidad en soluciones en

el ámbito ingenieril. Además, son utilizados por su carácter estético y arquitectónico.

Ilustración 7 Defensa Longitudinal Impermeable - Fuente: Manual de Carreteras V3

15

Ilustración 8 Defensas Longitudinales Corridas en Curva y Contra Curva – Fuente: Manual de Carreteras V3

Ilustración 9 Defensas Longitudinales en Puntos Localizados en Curva y Corridas - Fuente: Manual de Carreteras V3

16

Defensas Transversales:

También llamados “espigones” son estructuras que emergen desde la ribera hacia el

interior de la corriente formando generalmente ángulos cercanos a 90° con dirección

principal de la corriente. Tienen como objetivo proteger la erosión de los bordes o riberas

del cauce alejando el escurrimiento principal de la orilla. (Rocha A., 2009)

Existen espigones que pueden ser permeables e impermeables, ambos son muy utilizados

en diversas partes del mundo y el uso de uno u otro va a depender del problema

presentado:

Espigones permeables: Permiten el paso del agua a través de ellos con

velocidades pequeñas, útiles para cuando se desea la sedimentación y

formación de playas entre espigones, generalmente trabajan sumergidos.

Los espigones permeables producen una menor perturbación de la

corriente. (Rocha A., 2009)

Espigones Impermeables:

Se pueden también considerar como

“deflectores”, es decir, que modifican la dirección o trayectoria de la

corriente. No son estructuras sumergidas y producen una mayor

perturbación en la corriente que los espigones permeables. Se usan

preferentemente en ríos navegables en los cuales busca mantener una

sección hidráulica central con un determinado calado. (Rocha A., 2009)

17

Ilustración 10 Perfil Tipo Espigón - Fuente: Manual de Carreteras 2012

Hidrología

En este apartado tendrá como objetivo determinar los caudales de diseño para la obra de

defensa fluvial en base a la metodología y condiciones entregados por el Manual De

Carreteras Volumen 3.

18

Periodo de retorno

El Manual De Carreteras Volumen 3 señala que la elección del periodo de retorno de una

obra es necesario considerar la relación existente entre la probabilidad de excedencia, vida

útil de la estructura y el riesgo de falla aceptable, dependiendo de este último, de factores

económicos, sociales, ambientales, técnicos y otros.

La confiabilidad del diseño se resume en la probabilidad de que la estructura falle durante

el transcurso de su vida útil, es decir que no ocurra un evento de magnitud superior a la

utilizada en el diseño de la vida útil. Dada que la probabilidad de ocurrencia es

independiente, la probabilidad de riesgo (r) durante el periodo de vida útil (n) se determina

en función del periodo de retorno (T):

Ecuación 1 - Periodo de retorno

En base a lo anterior, el Manual de Carreteras establece los requisitos mínimos para el

diseño:

Tabla 1 Fuente: Manual de Carreteras V3

19

Estabilidad de taludes

El análisis de estabilidad en taludes naturales tiene como objetivo estimar su nivel de

seguridad y según los resultados obtenidos, implementar medidas de estabilización para

evitar futuros deslizamientos.

El análisis de los taludes que tienen a la falla toma importancia al momento de conocer las

mismas propiedades mecánicas, modelo y geometría de la inestabilidad, puesto que estas

pueden extrapolarse a otros casos de similares características.

Estos análisis consisten en determinar a partir de los datos del terreno necesarios, los

parámetros resistentes del suelo, generalmente pares de valores “c” y “phi”, que cumplan

con la condición de equilibrio estricto del talud (FS=1) a lo largo de la superficie de rotura

para las condiciones reales en que esta tuvo lugar. (Sanhueza Plaza, 2013)

Para evaluar las condiciones de estabilidad de manera pseudo estática, el manual de

carreteras sugiere utilizar un coeficiente sísmico horizontal. Para ello se debe identificar la

zona sísmica y el tipo de suelo, para obtener los parámetros correspondientes que entrega

la norma chilena NCh-433.

Ecuación 2 - Coeficiente sísmico horizontal

20

Donde:

Kh = Coeficiente sísmico horizontal

K1 = Coeficiente de importancia

S = Coeficiente del suelo

A0 = Aceleración efectiva máxima

Tabla 2 Aceleración efectiva máxima – Fuente: Manual de Carreteras Volumen 3

Tabla 3 Coeficiente del Suelo – Fuente: Manual de Carreteras Volumen 3

Tabla 4 Coeficiente de importancia K1 – Fuente: Manual de Carreteras Volumen 3

21

Terraplén de respaldo

El terraplén de respaldo constituye un gran porcentaje de la obra de defensa. El relleno en

el cual se apoya la coraza de protección debe ser de una geometría regular y el material

utilizado para su construcción puede provenir del lecho fluvial, desechos de cantera u otra

fuente, siempre y cuando esta no contenga material vegetal ni residuos orgánicos que

puedan afectar la estabilidad del terraplén. El relleno debe realizarse por capas las cuales

serán compactadas por el paso se la máquina excavadora u otro medio de compactación,

dado que este no requiere mayores especificaciones en cuanto a la densidad compactada,

ya que no se trata de un elemento estructural.

Coraza de protección

sta corresponde a la parte de la defensa que se encuentra expuesta al escurrimiento y su

función principal es proteger de la erosión el talud de pretil. La coraza, dependiendo del

material, puede ser permeable o impermeable.

En defensas longitudinales, existen diversos tipos de elementos constructivos posibles de

utilizar para la coraza de protección, entre ellos se encuentran los enrocados.

Los enrocados pueden ser más económicos que otros elementos y además presentar

ventajas tales como las siguientes (Manual de Carreteras V3):

- Ser elementos versátiles que permiten la construcción de estructuras

flexibles, las que aceptan mejor los asentamientos.

- Ser más fácilmente reparables a daños locales.

- Ser más fáciles de construir, salvo excepciones, pues no requieren disponer

de equipos especializados o de sistemas constructivos especiales para su

colocación.

- Su apariencia es natural, por lo que no altera el paisaje en forma significativa.

22

- El crecimiento de vegetación entre las rocas ayuda a su apariencia natural y

consolidación.

Para dimensionar el peso del enrocado de la coraza de una defensa longitudinal en una

ribera puede emplearse la fórmula del California Highway Division (CHD) de los EEUU,

definida como:

Ecuación 3 - Calculo peso de rocas

Donde:

W = Peso enrocado (Kg); aproximadamente, el 70% de las unidades deben tener un peso

igual o mayor que W.

s = Peso específico o densidad relativa al agua del enrocado (2.65 máximo).

V = Velocidad media de escurrimiento (m/s).

Θ = Ángulo reposo enrocado (°)

Φ = Ángulo inclinación del talud (°)

23

Ilustración 11 Clases de enrocado según Manual de Carreteras V3

Talud

Corresponde a la estructura de apoyo de la obra de defensa. La inclinación del talud deberá

ser tal que asegura la estabilidad de la estructura según el tipo de material y el tipo de

maquinaria que se emplee para su construcción y el tipo de coraza que soportará. En caso

de las defensas longitudinales conviene utilizar taludes con inclinación 2:1 (H:V) o mayores.

Cuando se trate de velocidades de escurrimiento menores, se recomienda un mínimo de

1.5:1 (H:V) para defensas de enrocado, pero en ningún caso menor a 1:1 (H:V).

Talud de enrocado

La inclinación del talud de apoyo tendrá una relación 1:1 (H:V), mientras que la inclinación

del talud de enrocado tendrá una relación 2:1 (H:V).

24

Coronamiento

Se designa con este nombre a la parte más alta con la cual culmina superiormente una obra

de defensa fluvial. En el caso de una obra de defensa longitudinal y de espigones, la cota o

nivel que debe tener el coronamiento queda determinado por la altura máxima de

escurrimiento, calculada para la crecida de diseño del tramo, más una revancha (Manual de

carreteras V3, Edición 2018).

El coronamiento mínimo de una obra de defensa queda definido por el espesor de una capa

doble de enrocado, de acuerdo al tamaño determinado para las condiciones hidráulicas

(Manual de Carreteras V3, Edición 2018).

Fundación

La fundación de una obra de defensa queda definida por el nivel de la socavación tanto local

como generalizada (Manual de Carreteras V3). Por lo tanto, se procede a determinar la

socavación generalizada por el método Lischtvan – Levediev. Este método permite

diferenciar entre un cauce bien definido de uno con múltiples subsecciones y brazos de

estilajes (Manual de Carreteras V3, Edición 2018). Además, hace la distinción entre suelos

cohesivos y no cohesivos.

25

Ecuación 4 Manual de Carreteras Volumen 3 Edición 2018

Donde:

ℎ = Altura de escurrimiento en la franja socavada, j, expresado en m. = Caudal por unidad de ancho de la franja socavada, j, en / /

= Diámetro medio del sedimento obtenido de la curva granulométrica, expresado en mm.

= Peso volumétrico del material seco en ton /

= Coeficiente función de la probabilidad de excedencia del caudal de diseño según la tabla 3.707.405.A

= Coeficiente que considera influencia del sedimento en suspensión según la tabla 3.707.405.B

Χ = Parámetros de la fórmula de arrastre critico según tabla 3.707.405.C

26

Tabla de valores probabilidad de excedencia:

Tabla 5 Fuente: Manual de Carreteras V3

Tabla de valores en función del peso específico de la mezcla de agua – sedimento:

Tabla 6 Fuente: Manual de Carreteras V3

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Tabla de valores coeficiente X para suelos cohesivos y no cohesivos:

Tabla 7 Fuente: Manual de Carreteras V3

Ilustración 12 Esquemas para el cálculo de socavación método Lishtvan – Levediev – Fuente: Manual de Carreteras V3

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Capítulo III: Metodología

Período de retorno

Se establece que para el diseño de defensa fluvial considerando un período de retorno de

100 años y una vida útil de 20 años, el riesgo de falla es de un 18%.

Antecedentes pluviométricos

Para presentar los antecedentes pluviométricos en la zona de estudio de la cuenca del río

Bío-Bío, se exponen los antecedentes disponibles según la estación pluviométrica de la zona

de Coihue.

Se consideran 10 años de estudio, durante el período desde el 2011 hasta el 2020, se

registran los caudales medios diarios y caudales máximos instantáneos.

Tabla 8 Estación pluviométrica

29

En la siguiente tabla se presentan los caudales medidos en la estación Coihue de la DGA:

Tabla 9 Elaboración propia, información obtenida DGA

Cálculo de caudal de diseño

De acuerdo al manual de Carreteras la información necesaria para analizar debe estar

constituida por la crecida máxima instantánea o máxima diaria observada en años de

registros, para ello se procede a realizar una correlación entre los caudales máximos

instantáneos y caudales medios diarios máximos registrados mostrados en la Tabla 10:

30

Tabla 10 Elaboración propia, Información obtenida DGA

Se procede a graficar con la finalidad de obtener una función lineal representando la

tendencia del conjunto de datos:

3500

3000

2500

2000

1500

y = 1,0244x + 317,31 R² = 0,7993

1000

500

0

Caudal Maximo Instantaneo (m3/s)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Caudal Medio Diario Maximo (m3/s)

Ilustración 13 Caudales máximos diarios vs caudales máximos instantáneos - Elaboración propia

31

En base al propósito y antecedentes generales de la zona y obras ya ejecutadas, se establece

que el caudal de diseño para la defensa fluvial:

Q diseño

3268.69

/

Tabla 11 Caudal de diseño

Granulometría

Para el estudio granulométrico, se extrae una muestra de terreno a 3 metros de

profundidad con la ayuda de una excavadora, para así determinar algunas de las

características del suelo en el cual se realizará la obra fluvial:

32

Tabla 12 Ensayo Granulométrico

Tabla 13 Elaboración propia

Curva Granulometrica

120%

100%

80%

60%

40%

20%

0%

0,01

0,10

1,00

10,00

100,00

% QUE PASA

Tabla 14 Curva Granulométrica

En la Tabla 14, se grafican los porcentajes de material que pasan por cada tamiz, debido a

la cantidad de material retenido en los tamices es baja, no se logra obtener una curva suave.

En terreno, se puede apreciar que dadas las condiciones climáticas se espera que el suelo

de terreno tenga un bajo contenido de humedad y un alto contenido de material orgánico

en los primeros 2 metros de profundidad y en el talud natural. Como proceso constructivo,

será necesario realizar escarpe en la zona para eliminar el material orgánico para que no

afecte en las propiedades mecánicos del suelo.

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Talud

En base a los criterios propios de diseño y considerando un ángulo de reposo de 45° del

material, la relación de talud del terreno y el talud de enrocado a utilizar es de 2:1 (H:V).

Coraza de enrocado

Asignando los valores correspondientes a cada parámetro se establece que:

s = 2.65

Θ = 45°

Considerando H:V como 2:1, entonces:

Φ = 26.57°

Las velocidades que se desarrollan en planicies de inundación, en las zonas más alejadas de

los márgenes inmediatos del cauce principal se consideran como áreas de escurrimiento

inefectivo, es decir, en áreas en que las velocidades son muy bajas o incluso nulas. En esta

situación, debido a las obras de desvió que existen en el sector provocan que las

inundaciones provocadas en la zona de estudio sean mínimas, por lo que el arrastre de

material en la zona que estarán en contacto con la defensa más alejada al cauce principal,

serán muy bajos o nulos según la estación del año.

En base a lo anterior, la velocidad del río Bío-Bío utilizada para el cálculo de la coraza

protectora será la velocidad media calculada en base a la zona de estudio y el cauce más

cercano, que para esta situación se utilizará la velocidad máxima medida en la zona en

tiempos de deshielo, equivalente a 3.2 (m/s).

Considerando lo anterior, se calcula el peso del enrocado a utilizar obteniendo como

resultado 325.39 Kg.

34

En base a lo estudiado y utilizando un criterio de diseño conservador, la coraza debe estar

constituida por rocas de clase III, cuyas características serán según lo indicado en el Manual

de Carreteras V3.

Se concluye que la roca a utilizar como coraza de protección deberá tener rocas de 600 Kg

y 750mm de diámetro. En cuanto al espesor de la coraza, El Manual de Carreteras

recomienda que este debe ser al menos dos capas traslapadas para que si hay pérdidas de

materiales, no se produzca una falla masiva de la protección. Entre el material de la coraza

y el material de apoyo se deberá colocar un geotextil, cuyo propósito será evitar que las

partículas finas del terraplén de respaldo pasen a través de los huecos de la coraza de

protección producidas por la corriente. Con el propósito de evitar un contacto directo del

enrocado con el geotextil, se deberá colocar una capa de material granular (en este caso

fluvial) para evitar la rotura de la tela durante la colocación de la roca. Esta capa debe ser

de 10 cm de espesor.

Fundación

De acuerdo a los resultados de los ensayos de suelo realizados en laboratorio, se determina

que este corresponde a un material no cohesivo, considerando también que se asume este

como un cauce bien definido.

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Los valores correspondientes a utilizar son los siguientes:

Tabla 15 Datos calculo socavación general

Como se trata de un tramo de 120 metros, el cálculo es igual para toda la extensión del

lecho fluvial de estudio, por lo tanto, se realiza un cálculo en perfiles cada 10 metros

mostrando los siguientes resultados:

Tabla 16 Resultados por subsecciones de socavación general por método de Lischtvan - Levediev

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En base a los cálculos realizados por el método de Lischtvan – Levediev, las profundidades

máximas de escurrimiento no sobrepasan la cota de fondo. Con la finalidad de proveer

mayor seguridad a la estructura se considera una altura de fundación de 2 metros.

Coronamiento

El coronamiento considera un ancho mínimo tal, que permita la construcción y posterior

inspección de la obra, pudiendo incluso tener un ancho suficiente para la circulación de

vehículos y maquinaria.

Considerando el nivel de seguridad que proveerá la defensa fluvial y que el régimen del rio

será subcrítico para las crecidas, se considera una revancha de 0.5 metros por sobre la altura

de escurrimiento para un caudal de 100 años.

El ancho del coronamiento del pretil granular será de 4 metros con el propósito de permitir

el tránsito de vehículos, maquinaria y personas para futuras inspecciones y/o reparaciones.

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Capitulo IV: Resultados y análisis

Se presenta el diseño de la obra de defensa fluvial, resumiendo en un perfil tipo todas las

características del mismo:

Ilustración 14 8 Perfil tipo enrocado - Elaboración Propia

Tabla 17 Resumen diseño de defensa - Elaboración propia

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