Criterios para el diseño de Badenes

La construcción de obras de drenaje en los caminos vecinales demanda un presupuesto alto, por lo que se deberá estudiar soluciones técnicas que sean adecuadas a la economía de este tipo de obras que minimicen el riesgo de su destrucción.

En este sentido, el presente trabajo proporciona algunos criterios para el diseño de badenes como una alternativa que puede ser aplicada para la solución de pasos de quebrada en diferentes regiones.

Elementos del badén

El badén es una obra de drenaje que se adecua a las características geométricas del cauce y tiene por objetivo facilitar el transito estable de los vehículos y consta de los siguientes elementos:

Plataforma o Capa de Rodadura

• Es la parte fundamental del badén. En sentido longitudinal, la losa es el segmento de una circunferencia y en sentido transversal es inclinada con una pendiente del orden del 2% hacia aguas abajo.

Muro de Pie

• Muro localizado en la parte de aguas abajo de la plataforma, constituye la fundación del badén y se construye a todo lo largo de este.

Muros de Cabezal

• Son una prolongación del Muro de Pie en ambos extremos de este, formando un vertedero con el objetivo de ampliar la capacidad de descarga sobre el badén, y ademas; proteger las laderas contra la socavación.

Muro de Confinamiento

• Se denomina así al muro localizado en el borde de la plataforma en el sector de aguas arriba, elemento que tiene por objetivo la protección del badén.

Tipos de badenes

De acuerdo a las características y condiciones de los curso de agua, se puede diferenciar los siguientes tipos de badenes:

• Baden simple
  • Es el tipo de badén que consta de todos los elementos, es decir; capa de rodadura, muro de pie, muros de cabezal y muro de confinamiento, sin ninguna obra adicional.
• Baden mixto
  • Se da el nombre de mixto al badén simple que, ademas incluye una alcantarilla o paso de agua por debajo de la plataforma. Este tipo de badén se diseña para cursos de agua permanente, haciendo que los caudales hasta un determinado periodo de retorno se evacuen por los tubos u orificios previstos, mientras que los caudales de crecidas con un periodo de retorno mayor; pasan por el badén propiamente dicho.
• Baden macizo
  • La singularidad de este tipo de badén es que su plataforma es de gran espesor. Estos badenes se diseñan para cursos de ríos o quebradas con caudales de magnitud y con arrastre de material grueso.
• Baden combinado
  • Se denomina así a aquellos badenes que se construyen junto a otra estructura, por ejemplo un canal de riego paralelo a la plataforma como parte constitutiva de la estructura.

Datos básicos para el diseño

Las investigaciones necesarias se centran en tres aspectos fundamentales:

• Topografía del cauce
• Geotecnia del sitio
• Estimación de caudales máximos

La topografía consiste en la planimetría del sector, un perfil transversal y uno longitudinal; levantamiento este que deberá cubrir un área comprendida como mínimo entre 100 metros aguas arriba y 100 metros aguas abajo del eje del camino y un ancho, a partir de ambas márgenes; que permita un conocimiento detallado del sector.

El estudio geotecnico se deberá centrar en las características del terreno de fundación y de las márgenes del río o quebrada.

La estimación de caudales máximos deberá incluir un análisis de los materiales de arrastre y la morfología del cauce.

Ilustración de el área que debe cubrir el levantamiento topográfico

Dimensionamiento del badén

Para establecer las dimensiones de los elementos del badén, se deberá fijar el caudal de diseño (se recomienda un caudal de diseño con un periodo de retorno de T = 50 años).

Con el caudal de proyecto se define la longitud de la cuerda y la altura del cabezal, para lo cual se elabora una curva h = f (L) usando la formula de vertedero de pared gruesa.

En esta etapa se deberá analizar las variantes posibles, a partir de aspectos topográficos y/o geométricos; y la comparación de estas, permitirá seleccionar el tamaño del badén mas económico que cumpla con los requisitos técnicos.

Diseño de la plataforma

Para la geometría de la plataforma se tomara como datos de partida la altura y longitud definidos, considerando estos como flecha y cuerda del segmento de circunferencia respectivamente; con lo cual se podrá calcular el radio; el cual no será menor a 80 metros.

• R² = f² + a²
• f = flecha
• a = L / 2
• L = Cuerda

El ancho de la plataforma es función del ancho de la vía (4, 6 u 8 metros) y el espesor se debe determinar en función de las cargas y de la calidad del terreno de fundación (en la practica se recomienda un espesor no menor a 20 cm).

Diseño del Muro de Pie

Su altura depende del terreno de fundación y del caudal de la crecida de diseño, para lo cual se analizara la socavación que produce el salto del agua.

En este sentido se deberá estudiar el perfil del cauce, considerando la pendiente, la potencialidad erosiva y la altura máxima de socavación.

El calculo de la altura de socavación puede ser realizado mediante la formula experimental de Veronece:

• d = 1.9 · h 0.225 · q 0.54
• d = Profundidad de socavación en metros
• h = diferencia de niveles de agua en metros
• q =Q/Lv – Caudal por metro de vertedero en [m3 /seg]/m
• Q = caudal de diseño en m3 /seg
• Lv = Longitud del vertedero

Para disminuir la altura del muro de pie se puede disponer un voladizo que aleje el chorro de la base del muro de pie y disminuya la influencia de la socavación.

Se recomienda la implementación del voladizo para badenes mixtos o cuando el suelo de fundación es susceptible a una profundidad de socavación de gran magnitud y el arrastre del material no sea grueso.

Para un suelo de fundación clasificado como roca blanda, la longitud del voladizo puede ser de 0.50m., para aluvión deberá tener un mínimo de 1.00m.

Muros de Cabezal

La altura de los muros de cabezal sobre la plataforma esta determinada por el caudal y la longitud del vertedero formada por estos muros.

• De la formula del vertedero de pared gruesa: Q = 1.71· Lv·Y 3/2
• Obtenemos el tirante normal, a la entrada del badén: Y = [Q/(1.71· Lv)]2/3
• El área hidráulica a la salida del badén: A = R²·atan [0.5·Lv / (R-f)] – Lv·[0.5·(R-f) – (Y – f)]
• La velocidad del caudal a la salida del badén: V = Q / A
• Finalmente, la altura del cabezal sobre el badén será: Hc = 0.67·Y +V²/ 2·g + 0.10 m

Se recomienda una altura máxima de 1.00 m, su longitud se determina en función a la pendiente y al tipo de terreno de las márgenes. Eventualmente, la altura de los muros de cabezal sobre la plataforma puede ser sobrepasada y el rebalse puede producir un salto en las márgenes del río o quebrada, por lo que se recomienda disponer de medidas de protección, como ser; empedrado u otras que disminuyan la socavación de las márgenes.

Muro de confinamiento

• Sus dimensiones dependen del caudal y del tipo de arrastre del río o quebrada.
• Generalmente sus dimensiones son reducidas, cubriendo todo el espesor de la plataforma mas 20..30cm

Aspectos constructivos

La plataforma puede conformarse mediante una carpeta de hormigón simple sobre empedrado, sobre el cual se vacía la losa de hormigón. Esta losa debe contar con juntas de dilatación en sentido transversal del badén cada 2..3 metros.

El material utilizado para la plataforma es generalmente hormigón simple con una resistencia cilíndrica mínima de 180 kg/cm2 a los 28 días.

El espesor mínimo de la capa de rodadura es de 20 cm.

Para el curado se recomienda colocar una capa de arena de aproximadamente 10 cm. de espesor, la cual deberá ser humedecida durante los 15 días posteriores al vaciado.

En badenes reforzados, la capa de rodadura de gran espesor se logra construyendo bloques de hormigón ciclópeo (concreto) los que deberán ser de 2..3 metros; coincidiendo esta separación con las juntas de dilatación.

Las superficies de piedra embebida en el hormigón, se adoptan para badenes en cauces con arrastre de sedimentos gruesos de gran dimensión (piedras y/o rocas).

El material para la construcción del Muro de Pie, preferiblemente debe ser de hormigón ciclópeo; quedando a criterio del ingeniero la adopción de otro material, dependiendo de las condiciones del suelo de fundación y de las características del cauce del río o quebrada.

Para los casos en que el suelo de fundación es roca, se recomienda extraer una capa de por lo menos 20 cm de espesor (superficie meteorizada), o hasta encontrar la roca sana para garantizar un buena adhesión del Muro de Pie a la roca.

Para los Muros de Cabezal se recomienda que estos monten sobre la losa en una longitud de 0.50 m., formando de esta manera el vertedero para la descarga del caudal de diseño. Debido al posible asentamiento del Muro de Pie, se puede disponer de armadura que absorba los esfuerzos en la union del Muro de Cabezal con el Muro de Pie.

Los Muros de Cabezal deberán ser cubiertos por los terraplenes de acceso al badén, en una longitud de aproximadamente 1.0 m., tratando de que la geometría del badén y el terraplén permitan la comodidad de acceso de los vehículos, ademas de establecer una sección regular para la ampliación del área de descarga de caudales superiores al caudal de diseño.

El voladizo deberá presentar una inclinación del orden del 10% y en los casos de badenes de gran longitud, se deberá ejecutar con fuerte pendiente para evitar que las ruedas de los vehículos monten, ya que el diseño no preve las cargas de tal magnitud.

Baden que colapso por errores de diseño y fallas de construcción

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