~ OP3 0,o?=E 3 0,Ol 0,009 0,008 0,007 0,006 0,005 0,OOL 0,003 0,001 0,002 o 001 0:oooa 0,0006 0.000L 0,0003 0,0002 o 0001 0:00008 0,00006 ~ 0,0000L y 0,00003 0,00002 vi 0,00001 o 0000008 $000006 ' 0,000001-0 0,000003 0,000002 0,000001 (O f! of. ' velocidad media en el resalto, en m/s Figura 8.16 Relacibn entre la velocidad media de la corriente que pasa por encima del resalto final del medidor y la granulometria del encachado de protección (segin Bos, 1978). 228
v, = JgÄz La Figura 8.16 da, para la mezcla de piedras capaz de resistir la erosión, el tamaño d4,,, lo que significa que más del 60% de esa mezcla debe consistir en piedras que Sean lo más homogéneas posible en longitud, anchura y grosor y, además, de tamaño igual o superior al de la curva (Figura 8.16); en cas0 contrario, las piedras deben tener el peso correspondiente a la curva, o superior, y no deben ser aplanadas. I 8.3.2 Materiales filtrantes colocados bajo el encachado Si se colocaran las piedras del encachado protector directamente sobre el material fino en el que estuviera excavado el canal, las particulas de ese substrato serian arrastradas a través de los huecos existentes entre las piedras de la protección. Este proces0 se debe, en parte, a la turbulencia del agua del canal entrando y saliendo por los intersticios entre las piedras y, en parte, a la entrada de agua que se filtra por alrededor de la obra o que fluye al interior del dren. Para evitar el deterioro del encachado protector por el arrastre del material subyacente, se deberá colocar un filtro entre ambos (ver la Figura 8.17). La protección, tanto en SU conjunto, como cada capa por separado, debe ser suficientemente permeable al agua que entra en el canal por SU fondo o por sus cajeros. Además, hay que impedir que el material fino procedente de una capa filtrante subyacente o del suelo en el que se ha excavado el canal sea arrastrado hacia los huecos de la capa superior de la protección. Permeabilidad al agua Para que la protección que muestra la Figura 8.17 mantenga una permeabilidad suficiente al agua, las relaciones di5/dl5 siguientes deben tener un valor comprendido entre 5 y 40 (USBR, 1973): dl5 capa 3 dl5 capa 2 dl5 capa 1 = 's a 4o dl5 capa 2 y d15 capa 1 y d,, substrato (8.8) en donde d15 representa el diámetro de los orificios del tamiz, que permite el paso a SU través del 15% del peso total de la muestra. Dependiendo de la forma y de la granulometria de los componentes de cada capa, la gama de valores, entre 5 y 40, de las relaciones citadas puede distribuirse de la siguiente forma (van Bendegom, 1969): agua proteccion contra la erosion filtro construccion protectora material original Figura 8.17 Ejemplo de filtro colocado entre el encachado protector y el material original (substrato) en el que se excavó el canal. 229
1. Elementos redondeados homogéneos (grava) 5a 10 2. Elementos angulares homogéneos (grava partida, escombros) 6 a 20 3. Elementos bien clasificados 12 a 40 Para impedir la obturación del filtro, se recomienda también que, para cada capa, d5 > 0;75 mm (8.9) Estabilidad de cada capa Con el fin de impedir la pérdida del material fino de una capa filtrante subyacente o del material original en el que se excavó el canal, a través de los intersticios de la capa superior, han de satisfacerse dos requisitos: Las siguientes relaciones d15/ds5 no deben ser superiores a 5 (Bertram, 1940) dls capa 3 dl5 capa 2 d15 capa 1 65 (8.10) d,, capa 2 y d85 capa 1 y d85 substrato y las relaciones siguientes d5o/d5o deben estar comprendidas entre 5 y 60 (U.S.Army Corps of Engineers, 1955). d50 capa 3 d5o capa 2 d5o capa 1 = de 5 a 60 (8.11) d5o capa 2 y d5o capa 1 y d5o substrato Igual que antes, la relación de la Ecuación 8.11 depende de la forma y de la clasificación de los componentes de la capa de la siguiente forma: 1. Elementos redondeados homogéneos (grava) 5a 10 2. Elementos angulares homogéneos (grava partida, escombros) 10 a 30 3. Elementos bien clasifícados 12 a 60 Los requisitos expuestos en este apartado describen las curvas de tamiz de las sucesivas capas -~ ~ del filtro. Conociendo las curvas de tamiz de la capa de piedras y del material original en el que se excavó el canal, se pueden proyectar las otras capas. En la Figura 8.18 se muestra un ejemplo de trazado de las curvas de tamiz de una obra construida, compuesta por una capa de piedras y dos capas filtrantes. ' 8.3.3 Ejemplo de ajuste de una curva de tamizado El procedimiento para dimensionar un conjunto de capas de protección para el tramo de aguas abajo de una obra construida en un canal de tierra es como sigue: 1. Determinar y dibujar la curva de tamizado' del material original del canal. De la Figura 8.18 se obtiene que: di5 = 0,05mm d5o = 0,09mm d85 = 0,15mm Obsérvese que se trata de un material original bien clasificado. 2. Mediante la Figura 8.16, hallar el valor minimo de d40 de la capa de piedras. Por ejemplo, si la velocidad en el resalto final se calcula que será de 1,8 m/s, resultará ser ddo 3 0,17 m o 170 mm. Examinar el material disponible y trazar SU curva 230
%que queda en el tamiz, en8peso+ i m D I * - N I Ln m O Y) U In U U t osad ua 'zirueila iod esed anb 23 I
3. 5. 6. 7. 8. de tamiz en la Figura 8.18 (capa de piedras de 100-300 mm). La curva del material elegido muestra que los diámetros de las piedras redondeadas de la mezcla son bastantes similares, pues: dl5 = 150" d4,, = 180 mm dso = 200" ds5 = 270" Utilizando la primera parte de la Ecuación 8.8, definir la gama de valores de d15 para la capa 2, de la siguiente forma: d15 capa - 150 mm = 5 a 10 (grava buen clasificada) dl5 capa 2 dl5 capa 2 por tanto, 15 mm < di5capa2 < 30" Representar esta gama de valores en la Figura 8.18 (/////). 4. Emplear la Última parte de la Ecuación 8.8 para determinar la gama de valores de di5 para la capa 1, del siguiente modo: d15 capa - d's capa = 12 a 40 (material bien clasificado) d15 substrato 0,05 mm por tanto, 0,6mm < di5capa 1 Q 2,Omm Representar esta gama de valores en la Figura 8.18 (i////). Utilizar la primera parte de la Ecuación 8.10 para calcular y representar el valor de dss capa 2 2 30 mm (tx ) Con la Última parte de la Ecuación 8.10 obtener y representar el valor de dl5 capa 1 Q 0,75 mm ( H) Después de trazar gráficamente esta Última limitación, aparece que la gama de valores de d15 para la capa 1 se ha reducido a la que va desde 0,6 hasta 0,75 mm. De la Ecuación 8.9 se obtiene que d5 capa 1 2 0,75 mm (to) Es dificil (si no imposible) satisfacer estos dos criterios y, por ello, se deben hacer algo más tolerantes. Siguiendo un procedimiento similar al empleado en los Pasos 3 y 4, utilicese la Ecuación 8.1 1 para calcular y representar gráficamente los valores de Y 232 20 mm Q ds0 capa 2 Q 40 mm (G) 1,1 mm Q dso capa 1 d 5,4 mm (G) Encontrar materiales locales que tengan una granulometria que se ajuste a las ga-
mas de valores resumidas en la Figura 8.18. Para proporcionar un filtro de funcionamiento efectivo y estable, las curvas de tamiz correspondientes a los elementos de pequeño diámetro del material de la base y de las capas del filtro deben ser, aproximadamente, paralelas. 9. Definir dl5, dso y ds5 de las mezclas provisionalmente seleccionadas para las capas filtrantes 1 y 2. Repetir, desde el Paso 3.hasta el 7, para comprobar si estas limitaciones se cumplen para las mezclas elegidas. Si ésto no sucediera, desplazar ligeramente las curvas de tamiz o añadir una capa filtrante adicional. 8.3.4 Construcción de filtros Para obtener una distribución granulométrica adecuada en el filtro, éste debe ser de un espesor suficiente. Los espesores que a continuación se citan deben considerarse como mínimos en la construcción de un filtro instalado en seco: 1. Arena, grava fina 0,05 a 0,lO m 2. Grava 0,lO a 0,20 m 3. Piedras 1,5 a 2 veces el diámetro de la piedra mayor Si el filtro se construyera bajo el agua, se deberá incrementar considerablemente estos espesores para compensar las irregularidades de la superficie del material en el que se excavó el canal y, además, porque en esas condiciones es más dificil extender una capa uniforme. Se pueden hacer muchas variantes en la construcción de un filtro básico, tales como reemplazar una o,más capas por otros materiales. Utilizando algún recubrimiento protector, se puede emplear una sola capa de piedras y sustituir las capas filtrantes subyacentes por una capa única. Por ejemplo, a Bloques de hormigón sobre un filtro de nylon. b Piedra sobre listones de madera dura entretejidos, sobre filtro de nylon. c Gaviones sobre grava fina. d Colchones de nylon-arena. La dificultad más frecuente que se presenta al utilizar estas variantes es SU permeabilidad hacia el material subyacente, que pede dar lugar a averías por sifonamiento. Como regla general, los orificios de tal capa no deben ser mayores que 0,5 x d,, de la capa subyacente. Si fueran de tamaño superior, no se deberían eliminar todas las capas subyacentes sino mantener tantas (generalmente una) como se necesitasen para evitar que el material en el que se excavó el canal sea arrastrado a través de la capa combinada. En la mayoría de las ocasiones se producen deterioros en las juntas sin protección, entre la obra y el filtro y entre éste y el canal, debido a que la capa filtrante está sujeta a hundimientos mientras que la obra (de hormigón) está bien cimentada. El material subyacente (material de base) puede ser arrastrado a través de estas juntas, si no se toman medidas especiales. En estos puntos se recomienda aumentar el espesor del filtro. En la Figura 8.19 se muestran algunos ejemplos de los detalles constructivos más habituales. 233
mechinal empedrado grava fillro de nylon fj (de madera) \ empedrado Figura 8.19 Detalles constructivos de un filtro (según van Bendegom, 1969). 234