119 CAPITULO 7 Sistemas de control de aguas Los sistemas de estabilización de deslizamientos mediante drenajes superficiales y subterráneos son muy efectivos, y generalmente más económicos comparados con otras aplicaciones. El objetivo principal de este método es el de disminuir la presión de poros, aumentando la resistencia al corte del suelo, reduciendo o eliminado fuerzas hidrostáticas desestabilizadoras, y finalmente obtener factores de seguridad altos. Entre los sistemas más empleados en nuestro medio tenemos: 1. Zanjas de coronación o canales colectores (Drenaje Superficial). 2. Drenes interceptores. 3. Subdrenes horizontales o de penetración. 4. Drenes verticales. 7.1 Drenaje superficial El drenaje superficial es una medida de corrección para reducir la infiltración y evitar la erosión. Su función principal es captar el agua de la escorrentía luego de un periodo de lluvia, o de una cuenca de drenaje arriba del talud y llevar el agua a un sitio seguro lejos del deslizamiento. Esta solución contempla la construcción de obras de ingeniería como cunetas de coronación y sistema de tratamiento a todo el talud principalmente sellado de grietas con arcilla, imprimación del talud con asfalto, recubrimiento con plásticos y recubrimiento parcial o total con enrocado. En ocasiones es importante la construcción de medidas temporales de drenaje superficial después de ocurrido un deslizamiento para evitar su ampliación o aceleración. Estas obras pueden consistir en diques o canales de bolsas de polipropileno o fibras vegetales rellenas de suelo. 7.2 Zanjas de coronación Son zanjas en la corona o parte alta de un talud utilizadas para interceptar y conducir adecuadamente las aguas lluvias, evitando su paso por el talud. Su construcción no debe ser muy cerca al borde superior del talud para evitar que se conviertan en el comienzo y guía de un deslizamiento Figura 7.1). (Suárez, 1998).
120 Mínimo 0,4 mínimo recomendado 3.00 m Impermeabilización H Mínimo 0,5 Impermeabilización de la corona d mínimo 5cm Talud Mínimo 0,1m Mínimo 0,40 m mínimo recomendado 3.00 m Impermeabilización Mínimo 0,50 m Impermeabilización de la corona d mínimo 5cm Talud Mínimo 0,10 m Fig. 7.1 Detalle de zanjas de coronación para el control de aguas superficiales en un talud Características de las zanjas de coronación: Deben ser totalmente Impermeabilizadas. Garantizar un rápido drenaje. Pendientes adecuadas. Reparar las zanjas de coronación para impermeabilizar las fisuras y grietas que se presenten máximo cada dos años evitando infiltraciones no deseadas. Las dimensiones y ubicación de la zanja varían de acuerdo a la topografía y al caudal de aporte. Se recomienda estructuras rectangulares de 40 centímetros de ancho y 50 centímetros de profundidad. Se procura que queden localizadas a lo largo de una curva de nivel para un correcto drenaje y que estén suficientemente atrás de las grietas de tensión en la corona. La separación mínima recomendada es de tres metros del borde de la corona. Canales interceptores a mitad de talud Son estructuras transversales destinadas a interceptar el agua en suelos susceptible a erosión y en cada una de las bermas intermedias de un talud (Figura 7.2). (Suárez, 1998).
121 Zanja de coronación i > 2% B i > 2% Canales a mitad de talud Radio minimo 3B 2% Minimo 2% Minimo Canal con Gradas Muro protector Fig. 7.2 Esquema de entrega de canales interceptores a mitad de talud. Para su correcto funcionamiento es necesario que su terminado y pendiente sean apropiadas para que pueda conducir las aguas a disipadores de energía sin producir sedimentación de materiales. Además es necesario que las bermas sean lo suficientemente anchas para que exista un sobreancho de protección para los canales, en el caso de producirse derrumbes de las coronas de los taludes resultantes. Diseño de Zanjas de corona o Canales de drenaje El gradiente mínimo de los canales se determina por la velocidad de flujo necesaria para evitar la sedimentación. La velocidad no debe ser menor de 1.3 m/segundo para el flujo pico, con una frecuencia de uno en dos años. El dimensionamiento del canal puede hacerse utilizando la fórmula de Manning, asumiendo una velocidad máxima permisible de 4 m/seg. y una rugosidad de 0.013. La pendiente mínima permitida es del 2% para impedir la sedimentación. 0.67 0.5 [ R * S ] 1 V = * η Donde V = Velocidad en m/seg. η = Factor de rugosidad R = Profundidad hidráulica media. R = A/P en metros S = Pendiente promedio del canal Cualquier cambio de dirección cambia el sistema de flujo, por lo tanto las curvas en los cambios de dirección para una velocidad de aproximadamente 2 m/seg., deben tener un radio no menor de tres veces el ancho del canal. Este radio debe incrementarse cuando la velocidad es mayor de 2 m/seg.
122 Las uniones de canales representan el problema más delicado en un sistema de drenaje. Se recomienda en las uniones ampliar la sección de los canales para darles una mayor capacidad y contener la turbulencia. Canales colectores y disipadores Su función principal es recolectar las aguas de los canales interceptores de mitad de talud y cunetas de coronación y llevarlos a un sitio seguro disipando su energía. Se presentan dos tipos diferentes de canales, el canal rápido y el canal en gradería. TRANSICIÓN SECCIÓN TALUD MÁXIMO 0.5 0.5 min 1 0.40 min ZANJA DE CORONA 1.00 min TRANSICIÓN 0.60 1.00 ANCLAJE PLANTA ALTURA VARIANDO ENTRE 1.00 Y 0.60 0.15 1.00 0.40 0.60 0.15 R = 0.90 ALTURA CONSTANTE H = 1.00 CUNETA EN EL PIE DEL TALUD Fig. 7.3 Detalle de un canal rápido de entrega El canal rápido se construye con una pendiente igual a la del talud y en ocasiones se le colocan elementos sobresalientes en su fondo para disipar energía. Este sistema es muy utilizado por ser más económico, pero presenta el problema de la poca energía disipada. El sistema de graderías es más eficiente para disipar energía. El flujo en este tipo de canal es turbulento y debe construirse un muro lateral de borde libre suficiente para permitir la salpicadura del flujo. En las figuras 7.3 a 7.5 (Suárez, 1998), se muestran algunos detalles constructivos para los canales rápidos y las graderías.
123 d d L 0.012 1.00 ISOMETRIA PERFIL H L MURO PROTECTOR CUNETA Fig. 7.4 Canal de entrega con gradas de disipación 0.20 a 0.20 PLANTA Minimo 0.20 0.50 min CORTE A - A DETALLE DEL REFUERZO Fig. 7.5 Detalle de la estructura de las gradas de un canal de entrega
124 Drenaje subterráneo La función principal del drenaje subterráneo es disminuir las presiones de poro o impedir que éstas aumenten. La eficiencia del sistema en términos de cantidad de agua recolectada depende de la permeabilidad de los suelos o rocas y de los gradientes hidráulicos, originando la disminución del nivel piezométrico y gradiente hidráulico. Subdrenes Interceptores Los subdrenes interceptores son zanjas excavadas a mano o con retroexcavadora, rellenas de material filtrante y elementos de captación y transporte del agua. La profundidad máxima de estas zanjas es de aproximadamente seis metros. Los hay de diversas formas así: 1. Con material de filtro y tubo colector (Figura 7.6), (Suárez, 1998). 2. Con material grueso permeable sin tubo (filtro francés) 3. Con geotextil como filtro, material grueso y tubo colector. 4. Con geotextil, material grueso y sin tubo. 5. Tubo colector con capa gruesa de geotextil a su derredor. 6. Dren sintético con geomalla, geotextil y tubo colector El tipo de dren interceptor a emplear dependerá de: a) Disponibilidad de materiales en la región y costos y b) Necesidad de captación y caudal del dren. Material de filtro. Para evitar taponamiento por transporte y sedimentación de material fino se debe colocar un filtro que impida el paso de las partículas finas de suelo a proteger, y permitir la filtración rápida del agua. Existen dos tipos generales de filtro: a) Con Material granular natural filtrante y b) Filtro de mantos sintéticos o geotextiles. Se requiere escoger muy cuidadosamente el material de filtro y/o el tipo y calidad del geotextil a emplear. Para material de filtro se deben cumplir ciertos requisitos de granulometría.
125 Fig. 7.6 Sistemas de dren de zanja En suelos granulares y limosos se establecen las siguientes relaciones, en las cuales el subíndice F representa el filtro, y la S representa el suelo natural o suelo alrededor del filtro: D15 es el diámetro de partícula para el 15% de pasantes en la curva granulométrica. D85 es el diámetro de partícula para el 85% de pasantes en la curva granulométrica. La relación granulométrica de un material de filtro propuesta por Bertram y Terzaghi y Peck son: D15 F / D85 S 6a11 ----- Bertram D15 F / D85 S 4 ----- Terzaghi y Peck Filtros de geotextil Los geotextiles son telas permeables, filtrantes, construidas con fibras sintéticas, especialmente polipropileno, poliéster, nylon y polietileno (Fig. 7.7), (Suárez, 1998). Generalmente, se clasifican en tejidos y no tejidos y de acuerdo al sistema de tejido. La durabilidad de los geotextiles está en función de la resistencia que presentan las fibras poliméricas y las resinas a los ataques ambientales como los rayos solares y agentes químicos que tienden a descomponerlos a altas temperaturas. Desde el punto de vista de filtración se utilizan los siguientes criterios para su empleo.
126 Criterios generales para el diseño de filtros Figura 7.7 Diagrama de un dren interceptor. Los suelos residuales son muy variables granulométricamente y debe realizarse un número grande de ensayos de Granulometría, previamente al diseño de filtro. Debe tenerse en cuenta que las partículas de mayor tamaño tienen muy poco efecto en el proceso de filtración. El parámetro D85 para utilizar en el criterio de retención debe tomarse en forma conservadora para tener en cuenta la variabilidad del suelo. Los ensayos de permeabilidad deben ser realizados en el campo, teniendo en cuenta que la permeabilidad obtenida en el laboratorio es muy afectada por el manejo de la muestra. En los sitios donde existe flujo concentrado de agua el uso de geotextiles puede no ser adecuado. Las raíces de las plantas afectan en forma grave los filtros y se debe evitar sembrar árboles cerca a los subdrenes. Debe tenerse especial cuidado de no romper el geotextil al colocar los materiales granulares y debe evitarse la exposición al sol de la tela. 7.3 Drenes horizontales Los drenes horizontales son la colocación de tuberías perforadas a través de una masa de suelo mediante perforación profunda subhorizontal, ligeramente inclinada, que consiste abatir el nivel freático hasta un nivel que incremente la estabilidad del talud. La ventaja de estos drenes son rápidos y simple de instalar, obteniéndose un aumento del factor de seguridad en poco tiempo. Se utilizan tuberías metálicas o de polietileno de diámetros de 2 a 3 pulgadas, con orificios de 5 a 1.5 milímetros con una densidad 15 a 30 agujeros por cada metro de tubería. 7.4 Drenes verticales Los pozos verticales de drenaje son perforaciones verticales, éstas tratan de aliviar la presión de poros cuando los acuíferos están confinados por materiales impermeables, este sistema de drenaje puede ser por bombeo.
127 7.5 Estabilización y Diseño del Talud en la vía Loja - Malacatos Km 8 + 280. Una vez estudiado el talud, definidos los niveles de amenaza y riesgo, el mecanismo de falla y analizado los factores de equilibrio, se puede pasar al objetivo final que es el diseño del sistema de prevención control y estabilización. La estabilización del talud se realizará de la siguiente manera: Remoción total de la masa de deslizamiento o los materiales inestables. Abatimiento de la pendiente en la corona del talud. Construcción de bermas en el talud y canales intersectores, impermeabilizados. Construcción de cunetas de coronación a tres metros del borde superior del talud. El diseño de las bermas recomendado.(anexo I 6) Impermeabilización de la superficie de suelo conformado con una capa de arcilla de 10 cm de espesor, con cobertura vegetal. La pendiente de cada berma conformada estará protegida por un geotextil que servirá además para sujetar la vegetación, y será anclada al suelo con estacas ciegas de 30cm de longitud. Las dimensiones de las cunetas de coronación y de media ladera serán de 0,40 metros de ancho por 0,50 metros de altura, de hormigón simple. Se debe diseñar obras adicionales para la disipación de energía (agua) siguiendo la pendiente del talud, recogiendo las aguas de las cunetas a media ladera y de coronación, y descargará en un canal principal en el pie de talud (este diseño no se contempla en este trabajo). Al verificar esta solución con el método de Bishop, se ha obtenido un factor de seguridad de 1.3 de modo que se verifica teóricamente que esta solución tendrá un buen comportamiento.,