DISEÑO GEOTECNICO DE JARILLONES JOSE EDUARDO ESTEVEZ VILLAMIZAR PAULA ANDREA RODRÍGUEZ PARDO PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARATAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ 2013 DISEÑO GEOTECNICO DE JARILLONES JOSE EDUARDO ESTEVEZ VILLAMIZAR PAULA ANDREA RODRÍGUEZ PARDO Trabajo de grado para optar al titulo de Ingeniero Civil Director: CARLOS EDUARDO RODRÍGUEZ PINEDA PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARATAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ 2013 TABLA DE CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN 1 2. MARCO TEÓRICO 10 2.1. INUNDACIONES 10 2.1.1. ESTRATEGIAS PARA EL CONTROL DE INUNDACIONES 10 2.1.2. GESTIÓN DE CUENCAS 10 2.1.3. CANALES DE ALIVIO 13 2.1.4. DRAGADO 14 2.1.5. ESTRUCTURAS DE CONTENCIÓN 15 2.2. SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS 16 2.2.1. PROPIEDADES HIDRÁULICAS 17 2.2.2. ASPECTOS TÉCNICOS MODELO HYDRUS 2.0 23 2.3. ANÁLISIS DE ESTABILIDAD 24 3. JARILLONES 29 3.1. PARTES DE UN JARILLÓN 30 3.2. TIPOS DE JARILLONES 37 3.3. TIPOS DE FALLAS EN JARILLONES 46 4. METODOLOGÍA 53 4.1. PARAMETROS DE DISEÑO 53 4.2. MODELACIÓN HIDRÁULICA 62 4.2.1. HYDRUS 2.0 62 4.2.2. CONDICIONES DEL MODELO 62 4.2.3. MODELACIÓN 68 4.3. MODELACIÓN EN SLIDE 75 4.3.1. DEFINICIÓN DE LOS MATERIALES 76 4.3.2. NIVEL FREÁTICO 78 4.3.3. PRESIONES DE POROS 78 5. RESULTADOS 81 5.1. FLUJO EN HYDRUS 81 5.2. VELOCIDADES HYDRUS 2.0 84 5.3. MODELACIÓN EN SLIDE 94 6. ANÁLISIS DE RESULTADOS 101 6.1. FLUJO HYDRUS 2.0 101 6.2. VELOCIDADES HYDRUS 2.0 101 6.3. ESTABILIDAD EN SLIDE 5.0 108 7. CRITERIOS GEOTÉCNICOS PARA EL DISEÑO DE JARILLONES 113 8. CONCLUSIONES 119 9. BIBLIOGRAFIA 123 10. ANEXOS 126 INDICE DE FIGURAS Figura 1 Estimación de las precipitaciones al año 2070 en Colombia. (Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, Ideam, & Embajada de Holanda, 2010) ................................................................................................................................ 2 Figura 2 Comportamiento del índice oceánico en el eje vertical. 1950 – 2010 eje horizontal. Niño (picos rojos), Niña (picos azules). (Corporación Autónoma Regional CAR, 2011) .............................................................................................. 3 Figura 3 Mapa de afectación en Colombia. Zonas inundables (9.2%) (Rojo) – Cuerpos de agua (1.6%) (Azul) ............................................................................... 5 Figura 4 Zonas afectadas por inundaciones en 2001 y periodo 2010 – 2011. ........ 6 Figura 5 Área afectada por la inundación de acuerdo con el uso del suelo. ........... 7 Figura 6 - Muro T reforzado................................................................................... 16 Figura 7 - Fases del suelo. (Fredlund 2000) ......................................................... 16 Figura 8 - Curva de retención de humedad del suelo. (Vasquez 2003) ................ 19 Figura 9 - Curva de conductividad hidráulica, succión del suelo. (Vasquez 2003) 23 Figura 10 - Método de las tajadas, Diagrama de fuerzas. (Smith and Smith 1998) .............................................................................................................................. 25 Figura 11 - Análisis de esfuerzos efectivos. Fuerzas actuando verticalmente. (Smith and Smith 1998) ......................................................................................... 26 Figura 12 Esquema estático – Morgenstern Price (Morgenstern & Price, 1965) ... 28 Figura 13 - Sección típica de un jarillón. (Eversdijk 1993) ..................................... 30 Figura 14 - Protección de la parte baja de un jarillón. (USACE, 2000) .................. 31 Figura 15 - Típico pie de un jarillón. (USACE, 2000) ............................................. 32 Figura 16 - Tipos de drenaje (USACE, 2000) ........................................................ 36 Figura 17 - Jarillón de cuerpo homogéneo (Sandoval 2012). ............................... 37 Figura 18 - Zonificación de materiales. (Sandoval 2012a) .................................... 38 Figura 19 - Jarillón de núcleo ancho. (Diaz and Diaz 2009a) ................................ 39 Figura 20 - Jarillón de núcleo delgado. (Diaz and Diaz 2009a) ............................. 39 Figura 21 - Jarillón de núcleo inclinado. (Diaz and Diaz 2009a)............................ 40 Figura 22 - Secciones típicas de jarillones con filtros en función de H. (LEWIS 2002a) ................................................................................................................... 41 Figura 23 - Esquema de jarillón con drenaje. (Vallarino, 1997) ............................. 42 Figura 24 - Jarillón con recubrimiento. (Diaz and Diaz 2009a) .............................. 43 Figura 25 - Jarillón con delantal. (Sandoval 2012a) .............................................. 44 Figura 26 - Jarillón con dentellón. (Sandoval 2012a) ............................................ 45 Figura 27 - Jarillón con cortina de cemento. (Sandoval 2012a) ............................ 45 Figura 28 - Jarillón con diafragma. (Sandoval 2012a) ........................................... 46 Figura 29 - Falla por sobrepaso (Wood, 1975) ...................................................... 47 Figura 30 - Tubificación retrograda. (Rayano 2006) .............................................. 48 Figura 31 - Fractura hidráulica. (Rayano 2006) .................................................... 49 Figura 32 Clasificación textural del suelo. Materiales usados en las modelaciones. .............................................................................................................................. 54 Figura 33 Pendientes de los jarillones. 1:1, 1:2, 1:3, 2:1 y 3:1. ............................. 56 Figura 34 Recubrimiento en arcilla en jarillón con pendiente 1:1 en SLIDE. ......... 57 Figura 35 Recubrimiento en arcilla en jarillón con pendiente 1:1 en HYDRUS. .... 57 Figura 36 Filtro tipo I en jarillón con pendiente 1:1 en SLIDE. .............................. 58 Figura 37 Filtro tipo I en jarillón con pendiente 1:1 en HYDRUS. .......................... 58 Figura 38 Filtro tipo II en jarillón con pendiente 1:1 en SLIDE. ............................. 59 Figura 39 Filtro tipo II en jarillón con pendiente 1:1 en HYDRUS. ......................... 59 Figura 40 Filtro tipo III en jarillón con pendiente 1:1 en SLIDE.............................. 60 Figura 41 Filtro tipo III en jarillón con pendiente 1:1 en HYDRUS. ........................ 60 Figura 42 Ejemplo de un núcleo para pendiente 1:1. ............................................ 62 Figura 43 Consideraciones geométricas HYDRUS. .............................................. 63 Figura 44 Información sobre el tiempo en HYDRUS. ............................................ 64 Figura 45 Condiciones de frontera en HYDRUS. .................................................. 65 Figura 46 Parámetros de discretización de la malla en HYDRUS. ........................ 68 Figura 47 Ejemplo de geometría y malla de elementos finitos en HYDRUS. ........ 69 Figura 48 Ejemplo de la distribución de los materiales en HYDRUS. ................... 70 Figura 49 Curva de saturación vs carga hidráulica para Arena. ............................ 71 Figura 50 Curva de saturación vs Carga hidráulica para Limo. ............................. 71 Figura 51 Curva de saturación vs Carga hidráulica para Arcilla. ........................... 72 Figura 52 Curva de saturación vs Carga hidráulica para Franco limoso. .............. 72 Figura 53 Curva de saturación vs Carga hidráulica para Limo arcilloso. ............... 73 Figura 54 Curva de saturación vs Carga hidráulica para Marga. .......................... 73 Figura 55 Condiciones iniciales en HYDRUS. ....................................................... 74 Figura 56 Condiciones de frontera en HYDRUS. .................................................. 75 Figura 57 Definición de las propiedades de los materiales en SLIDE. .................. 77 Figura 58 Ubicación del nivel freático en las modelaciones de SLIDE. ................. 78 Figura 59 Ingreso de las presiones de poros en SLIDE. ....................................... 79 Figura 60 Modelación SLIDE, limo arcilloso - pendiente 1:1. ................................ 79 Figura 61 Flujo en jarillón con pendiente 1:1 ......................................................... 81 Figura 62 Flujo en jarillón con pendiente 1:1 y recubrimiento en Arcilla. ............... 82 Figura 63 Flujo en jarillón con pendiente 1:1 y filtro tipo I. .................................... 82 Figura 64 Flujo en jarillón con pendiente 1:1 y filtro tipo II. .................................. 83 Figura 65 Flujo en jarillón con pendiente 1:1 y filtro tipo III. .................................. 83 Figura 66 Flujo en jarillón con pendiente 1:1 y núcleo. ......................................... 84 Figura 67 Zona de falla de un jarillón sin elementos adicionales. ......................... 91 Figura 68 Zona de falla de un jarillón con recubrimiento. ...................................... 91 Figura 69 Zona de falla de un jarillón con filtro tipo I. ............................................ 92 Figura 70 Zona de falla de un jarillón con filtro tipo II. ........................................... 92 Figura 71 Zona de falla de un jarillón con filtro tipo III. .......................................... 93 Figura 72 Zona de falla de un jarillón con núcleo. ................................................. 93 Figura 73 Factor de seguridad método de Bishop, pendiente 1:1, sin elementos adicionales. ........................................................................................................... 96 Figura 74 Factor de seguridad método de Morgenstern-Price, pendiente 1:1, sin elementos adicionales. .......................................................................................... 96 Figura 75 Factor de seguridad método de Bishop, pendiente 1:1, recubrimiento. 97 Figura 76 Factor de seguridad método de Morgenstern-Price, pendiente 1:1, recubrimiento. ........................................................................................................ 97 Figura 77 Factor de seguridad método de Bishop, pendiente 1:1, filtro tipo I. ...... 98 Figura 78 Factor de seguridad método de Morgenstern-Price, pendiente 1:1, filtro tipo I. ..................................................................................................................... 98 Figura 79 Factor de seguridad método de Bishop, pendiente 1:1, filtro tipo II. ..... 98 Figura 80 Factor de seguridad método de Morgenstern-Price, pendiente 1:1, filtro tipo II. .................................................................................................................... 99 Figura 81 Factor de seguridad método de Bishop, pendiente 1:1, filtro tipo III. .... 99 Figura 82 Factor de seguridad método de Morgenstern-Price, pendiente 1:1, filtro tipo III. ................................................................................................................... 99 Figura 83 Factor de seguridad método de Bishop, pendiente 1:1, núcleo. ......... 100 Figura 84 Factor de seguridad método de Morgenstern-Price, pendiente 1:1, núcleo. ................................................................................................................. 100 Figura 85 Factores de seguridad por tubificación vs Pendientes (Pendientes) ... 102 Figura 86 Factores de seguridad por tubificación vs Pendientes (Recubrimientos) ............................................................................................................................ 102 Figura 87 Factores de seguridad por tubificación vs Pendientes (Filtros I) ......... 103 Figura 88 Factores de seguridad por tubificación vs Pendientes (Filtros II) ........ 103 Figura 89 Factores de seguridad por tubificación vs Pendientes (Filtros III) ....... 104 Figura 90 Factores de seguridad por tubificación vs Pendientes (Núcleo) .......... 105 Figura 91 Análisis de sensibilidad. ...................................................................... 107 Figura 92 Factores de seguridad en jarillones sin elementos adicionales. Método de Bishop. ........................................................................................................... 109 Figura 93 Factores de seguridad en jarillones con recubrimiento. Método de Bishop. ................................................................................................................ 109 Figura 94 Factores de seguridad en jarillones con filtro tipo I. Método de Bishop. ............................................................................................................................ 110 Figura 95 Factores de seguridad en jarillones con filtro tipo II. Método de Bishop. ............................................................................................................................ 110 Figura 96 Factores de seguridad en jarillones con filtro tipo III. Método de Bishop. ............................................................................................................................ 111 Figura 97 Factores de seguridad en jarillones con núcleo. Método de Bishop. .. 111 Figura 98 – Relación de las pendientes contra factor de seguridad de tubificación. ............................................................................................................................ 114 Figura 99 - F.S por tubificación en los recubrimientos de acuerdo al material del cuerpo del jarillón ................................................................................................ 114 Figura 100 - Diferencia (%) de permeabilidad con base a la permeabilidad del material de recubrimiento. ................................................................................... 115 Figura 101 - Flujo en Núcleos. ............................................................................ 116 Figura 102 - Análisis de Sensibilidad .................................................................. 117 Figura 103 - Banca y Zona Inundable ................................................................. 118 INDICE DE TABLAS Tabla 1 Metodologías para el cálculo de la curva de retención de humedad del suelo. (Vasquez, 2003) ......................................................................................... 20 Tabla 2 Parámetros hidráulicos para el modelo de Van Genuchten. (Vasquez, 2003) ..................................................................................................................... 21 Tabla 3 Pendientes comunes de los jarillones. (Lewis, 2002) ............................... 33 Tabla 4 - Anchos de cresta.................................................................................... 35 Tabla 5 Pendientes comunes de los jarillones. (Lewis, 2002) ............................... 55 Tabla 6 Parámetros geométricos de diseño, núcleos HYDRUS ............................ 61 Tabla 7 Parámetros del flujo para distintos suelos en HYDRUS (HYDRUS)......... 64 Tabla 8 - Condiciones de frontera HYDRUS ......................................................... 66 Tabla 9 - Matriz de diseño ..................................................................................... 68 Tabla 10 Parámetros de resistencia del suelo. (CONVENIO INTERADMINISTRATIVO (UN - CAR 514 DE 2007), 2009) ................................. 77 Tabla 11 - Gradiente hidráulico crítico. .................................................................. 85 Tabla 12 - Velocidades limite. ............................................................................... 85 Tabla 13 - Permeabilidad materiales. .................................................................... 86 Tabla 14 - Factores de seguridad para tubificación, pendientes. .......................... 86 Tabla 15 - Factores de seguridad para tubificación, recubrimiento. ...................... 87 Tabla 16 - Factores de seguridad para tubificación, Filtro I. ................................. 88 Tabla 17 - Factores de seguridad para tubificación, Filtro II. ................................ 88 Tabla 18 - Factores de seguridad para tubificación, Filtro III. ............................... 89 Tabla 19 - Factores de seguridad para tubificación, Núcleo. ................................ 90 Tabla 20 Factores de seguridad de estabilidad geotécnica (SLIDE), método de Bishop. .................................................................................................................. 94 Tabla 21 Factores de seguridad de estabilidad geotécnica (SLIDE), método de Morgenstern-Price. ................................................................................................ 95 Tabla 22 – Factores de seguridad por tubificación para pendientes 1:1, 2:1 y 3:1. ............................................................................................................................ 105 Tabla 23 – Factores de seguridad por tubificación entre el jarillón y el recubrimiento. ...................................................................................................... 106 Tabla 24 - Análisis de sensibilidad ...................................................................... 107 Tabla 25 - Clasificación del suelo para diseño de filtros. ..................................... 116 INDICE DE ECUACIONES Ecuación 1 Altura capilar hc. ................................................................................. 17 Ecuación 2 Succión del suelo. ............................................................................... 18 Ecuación 3 Carga hidráulica en el suelo. .............................................................. 22 Ecuación 4 Velocidad aparente de flujo del agua.................................................. 22 Ecuación 5 Ecuación de Richard’s para calcular flujo en medios porosos parcialmente saturados. ........................................................................................ 24 Ecuación 6 Factor de seguridad. (Smith & Smith, 1998) ....................................... 25 Ecuación 7 Fuerza cortante. (Smith & Smith, 1998) .............................................. 26 Ecuación 8 Factor de seguridad. (Smith & Smith, 1998) ....................................... 27 Ecuación 10 Ancho de cresta. ............................................................................... 34 Ecuación 11 Espesor del filtro en función de la altura. (Lewis, 2002) ................... 42 Ecuación 12 Altura del filtro tipo I. (Suarez Diaz, 2010) ........................................ 58 Ecuación 13 Altura de un filtro tipo III o chimenea. ............................................... 60 Ecuación 14 Gradiente hidráulico critico del suelo. ............................................... 85 Ecuación 15 Gradiente hidráulico actuante del suelo. ........................................... 86 Ecuación 16 Factor de seguridad por tubificación. ................................................ 86 Ecuación 17 - Ancho de cresta. ........................................................................... 113