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GABBIONI: una herramienta para el diseño de presas de gaviones.

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Las presas de gaviones se construyen con la finalidad de reducir la erosión hídrica y controlar los escurrimientos superficiales. Su diseño comúnmente se realiza utilizando programas de hojas de cálculo, sistemas de información geográfica y dibujo asistido por computadora; cuya interacción puede resultar en un proceso largo y propenso a errores, principalmente cuando es necesario diseñar una gran cantidad de presas. En este trabajo, se desarrolló un programa para automatizar el diseño y análisis de pequeñas presas de gaviones llamado "Gabbioni". El programa se compone de una interfaz gráfica en la que se introducen los datos y se realiza el dibujo de la presa; y de una librería de funciones en la que se codificó el método para diseñar presas de gaviones propuesto por López Martínez & Oropeza Mota. Es una herramienta que ayuda a diseñar presas de gaviones de una forma precisa, rápida y confiable. Comparando con métodos tradicionales, tiene la ventaja de reducir del tiempo requerido para el dibujo de los planos y reducir la incidencia de errores debidos a descuidos del diseñador.
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Artículo: COMEII-19012
Mazatlán, Sin., del 18 al 20
de septiembre de 2019
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GABBIONI: UNA HERRAMIENTA PARA EL DISEÑO DE PRESAS DE
GAVIONES
Eduardo Jiménez Hernández1*; Yessica A. Gómez-Pérez2; Mauricio Carrillo-García2
1Soluciones en Ingeniería y Tecnologías del Agua, S.A. de C.V. Texcoco, Estado de México.
eduardo.jimenez.eng@gmail.com (*Autor de correspondencia).
2Posgrado en Ingeniería Agrícola y Uso Integral del Agua. Departamento de Irrigación, Universidad
Autónoma Chapingo. Km 38.5 carretera México-Texcoco, Edo. de México C.P. 56230
Resumen
Las presas de gaviones se construyen con la finalidad de reducir la erosión hídrica y
controlar los escurrimientos superficiales. Su diseño comúnmente se realiza utilizando
programas de hojas de cálculo, sistemas de información geográfica y dibujo asistido por
computadora; cuya interacción puede resultar en un proceso largo y propenso a errores,
principalmente cuando es necesario diseñar una gran cantidad de presas. En este
trabajo, se desarrolló un programa para automatizar el diseño y análisis de pequeñas
presas de gaviones llamado Gabbioni. El programa se compone de una interfaz gráfica
en la que se introducen los datos y se realiza el dibujo de la presa; y de una librería de
funciones en la que se codificó el método para diseñar presas de gaviones propuesto por
López Martínez & Oropeza Mota. Es una herramienta que ayuda a diseñar presas de
gaviones de una forma precisa, rápida y confiable. Comparando con métodos
tradicionales, tiene la ventaja de reducir del tiempo requerido para el dibujo de los planos
y reducir la incidencia de errores debidos a descuidos del diseñador.
Palabras clave: conservación de suelos, erosión hídrica, control de erosión, software
libre.
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Introducción
La degradación de los suelos es un fenómeno mundial que puede afectar a la
productividad agrícola y reducir la disponibilidad y calidad del agua. Una de las principales
causas de la degradación de suelos en México es la erosión hídrica, originada
principalmente por las actividades agrícolas, el sobrepastoreo y la deforestación.
Semarnat (2016) estima que alrededor del 12% del territorio nacional presenta erosión
hídrica; de la cual, más del 40% se encuentra clasificada entre moderada y extrema.
También se menciona que la erosión hídrica potencial podría afectar hasta el 42% de la
superficie nacional con tasas altas y muy altas, que representan una rdida de suelo
entre 10 y 200 t ha-1 año-1.
Diversos trabajos sustentan la efectividad de las presas pequeñas en la reducción de la
erosión hídrica, demostrando que la instalación de estas presas produce efectos positivos
en la estabilización de los cauces, los tramos aguas arriba de las presas se vuelven más
planos y más anchos, lo que reduce la capacidad de transporte de sedimentos y previene
la erosión (Liu, 1992).
Las presas filtrantes de material vegetativo, de piedra acomodada o de gaviones; han
sido una de las estrategias más comunes para controlar el transporte de sedimentos en
áreas propensas a erosión. Las presas como las mostradas en la Figura 1, se utilizan de
manera extensiva para el control de la erosión del suelo y los escurrimientos superficiales.
Figura 1. Aspecto de una presa de gaviones construida con fines de conservación de suelo y
agua (Cortesía SITEA S.A. de C.V.).
Los gaviones son cajas (o cestos) rectangulares de alambre llenados con piedras, de
tamaño relativamente pequeño, o tierra (Herrmann & Bucksch, 2014). Las mallas de
alambre que forman el gavión presentan la forma de un hexágono entrelazado con triple
torsión. El alambre es de acero galvanizado y su diámetro varía típicamente entre 2.5 y
3.0 mm y presenta un tratamiento de anticorrosión basado en una aleación de Zn-Al. El
tamaño estándar de una caja de gavión es de 0.5 m × 1.0 m × 2.0 m.
Para construir una presa, los gaviones se llenan con piedra, misma que debe estar limpia
y no mostrar ningún signo de intemperismo, además durante su vida de servicio estará
expuesta al agua por lo que no debe desintegrarse. Se debe escoger piedra uniforme y
con ángulos, para que se pueda entrelazar, y deberá tener un peso específico de al
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menos 2.4 t/m3 (Grimaldi, Vezza, Angeluccetti, Coviello, & Koussoubé Kô, 2015; Yang,
Liu, Xu, & Huang, 2009).
Las principales ventajas de las estructuras de gaviones son su flexibilidad, fuerza y
resistencia, su larga vida de servicio, su permeabilidad, sus altas propiedades ecológicas
y su economía (Shevchenko, 1996; Yang, Liu, Xu, & Huang, 2009; López Martínez &
Oropeza Mota, 2009).
Antes de construir las obras, es importante contar con un diseño apropiado de las
mismas, con tal de entender mejor y evaluar sus condiciones de seguridad,
especialmente su posible y eventual destrucción y sus efectos en la modificación del
cauce (Hsieh, Luo, Yang, & Chen, 2013). López Martínez & Oropeza Mota, (2009)
resumen la metodología de diseño de este tipo de presas, considerando una serie de
cálculos hidrológicos y de estabilidad, propios de cualquier estructura ingenieril.
Algunas empresas privadas distribuyen programas especializados para el diseño y
análisis de presas y muros de contención de gaviones, como Presas (LEMAC, 2019),
GawacWin y MACRA 2 (MACCAFERRI, 2019), mismos que se pueden descargar previo
registro gratuito. Sin embargo, estos programas se limitan al uso de los productos que
comercializan dichas empresas y su antigüedad dificulta su ejecución en computadoras
con sistemas operativos modernos, puesto que presentan problemas de compatibilidad.
Debido a la carencia de un programa especializado y moderno, el diseño de presas de
gaviones se realiza con el uso de programas de cómputo como hojas de cálculo y de
dibujo asistido por computadora (CAD por sus siglas en inglés). Lo cual resulta ser un
procedimiento largo y propenso a errores de cálculo.
El objetivo del presente trabajo fue desarrollar una herramienta de cómputo para el diseño
de presas de gaviones, que ayude a automatizar los cálculos requeridos, así como a
generar los reportes y planos correspondientes.
Materiales y Métodos
Plataforma de desarrollo
Los algoritmos necesarios se codificaron en el lenguaje de programación C++ Standard
2011 y se conjuntaron en una librería de funciones de cálculo. Para facilitar el uso de
estas funciones, se desarrolló una interfaz gráfica de usuario usando las librerías gráficas
Qt 5.9 LTS, los sistemas operativos de desarrollo y las pruebas incluyen Windows 10,
macOS 10.12 y Linux 4.4 en arquitecturas de 32 y 64 bits. El código de algoritmos se
conjuntó en un programa de cómputo denominado Gabbioni.
Para codificar el sistema Gabbioni se utilizó el paradigma de programación orientada a
objetos. Además, con la finalidad de mejorar el programa de manera continua y evitar su
obsolescencia, se eligió un modelo de desarrollo abierto (Open Source) y el código fuente
se liberó con la licencia de software libre General Public License (GPL) v2. El código
fuente del programa se encuentran hospedado en el sitio web del proyecto
http://www.irriapps.com/gabbioni. En este sitio se pueden encontrar versiones
compiladas para Windows y macOS, manuales y ayuda del programa, los cuales se
pueden descargar de manera libre y gratuita.
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Descripción del método de diseño de una presa de gaviones
Mediante el uso de modelos computacionales, diversos autores (Khatibi, Salmasi,
Ghorbani, & Asadi, (2014); Reeve, Zuhaira, & Karunarathna, (2019)) han demostrado,
que el uso de estructuras escalonadas construidas con gaviones son eficientes para
disipar la energía del agua, especialmente aquellas que tienen escalones hacia aguas
abajo. En una presa ubicada en un cauce natural, esto podría significar una reducción
del impacto negativo causado por la erosión hídrica y la socavación. Es por ello que en
este trabajo se decidió codificar un método para diseñar estructuras de estas
características.
Los principales algoritmos que componen el sistema Gabbioni se basan en gran parte en
la metodología de diseño de presas de gaviones propuesta por López Martínez &
Oropeza Mota, (2009). Los cuales son: a) estimación del caudal de diseño o escurrimiento
máximo del cauce, b) el diseño del vertedor rectangular de cresta gruesa y c) el análisis
de estabilidad para condiciones de posibles deslizamientos y volcamiento de la presa.
Además, para la creación automática de las dimensiones de la presa, se utilizó un
conjunto de reglas empíricas, obtenidas a partir de condiciones lógicas, similares a las
de un sistema experto.
Gasto de diseño
De acuerdo con esta metodología, es necesario conocer el escurrimiento máximo que
pasa por el sitio de la presa o caudal de diseño. Este caudal puede estimarse mediante
el método racional o el método simplificado de las huellas máximas o método de área-
velocidad.
El método racional comúnmente se aplica para la estimación del escurrimiento pico de
eventos de lluvia que ocurren en cuencas pequeñas, que tienen condiciones de uso de
suelo relativamente uniformes. Este método estima el caudal pico del escurrimiento de
un evento de lluvia utilizando el coeficiente de escurrimiento, la intensidad de la lluvia, y
el área de la cuenca. En este trabajo, se estimó el coeficiente de escurrimiento utilizando
la norma mexicana NOM-011-CONAGUA-2015, (Poder Ejecutivo - SEMARNAT, 2015).
El método simplificado de la huella máxima, también conocido como el método de área-
velocidad, tiene la ventaja de no requerir datos de precipitación y se recomienda en
cárcavas donde se observe claramente las huellas dejadas por los escurrimientos
máximos que se hayan presentado. También se puede aplicar en los casos donde se
conozca la altura del caudal que pasa por el lugar donde se pretende construir la presa.
El método parte de la ecuación (1):
  
donde es el gasto máximo de diseño (m3 s-1); es el área hidráulica del cauce (m2);
y es la velocidad del escurrimiento (m s-1), que se estima con la ecuación de Manning.
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Dimensiones del vertedor
En función del escurrimiento superficial calculado, se dimensiona el vertedor. En
estructuras de gaviones es común la utilización de vertedores rectangulares de cresta
gruesa, cuyas dimensiones se calculan mediante la ecuación (2):
 
  
donde, es la carga o altura del agua sobre el vertedor (m); es el gasto de diseño (m3
s-1); es el coeficiente del vertedor; y es la longitud del vertedor (m).
Dimensiones del cuerpo de la presa
La creación de las dimensiones de la presa se realiza mediante un conjunto de reglas
predefinidas en las funciones del software. El programa Gabbioni puede asistir en el
dimensionamiento de presas de gaviones mediante un conjunto de reglas lógicas
simples.
El cuerpo de una presa de gaviones consiste en tendidos o capas de gaviones rellenos
de piedra acomodada. Estos tendidos se colocan en forma transversal a la sección del
cauce. Las dimensiones de cada tendido (largo, ancho y altura) se definen de acuerdo a
su colocación en el cauce. Visto desde la parte frontal de la presa desde aguas abajo del
sitio; el ancho del tendido corresponde al ancho del cauce y se mide de forma transversal
al escurrimiento del agua, de la margen izquierda hacia la derecha; el largo es la longitud
que se mide desde la parte trasera de la presa hacia el frente; y la altura se mide desde
la parte inferior hacia arriba.
El primer tendido, llamado base, generalmente se coloca enterrado en el fondo del cauce.
Cada uno de los tendidos se empotra en ambos márgenes del cauce, esto consiste en
hacer una excavación para introducir los gaviones lateralmente hacia el interior de las
márgenes del cauce. La longitud de los empotramientos tiene relación directa al tipo de
suelo, al escurrimiento estimado y al tamaño de la presa.
Las dimensiones de los tendidos, particularmente su altura, se debe determinar
considerando las dimensiones de gaviones rectangulares que se encuentren disponibles
en el mercado. El ancho de cada tendido es la suma del ancho del cauce y la longitud de
los empotramientos en ambos lados. Para el largo de los tendidos, se utiliza un valor que
formará un escalón en la parte frontal del cuerpo de la presa. Se recomienda que el
tendido de la base sea más largo que los demás, o bien, construir una estructura de
disipación de energía, para amortiguar el impacto de la caída del agua y de esta manera,
reducir la erosión del cauce y evitar la socavación de la estructura.
Análisis de estabilidad
López Martínez & Oropeza Mota (2009) señalan que el cálculo estructural de una presa
de gaviones se realiza sobre una sección crítica unitaria, es decir, un muro de ancho
unitario (a) que se encuentra por debajo del vertedor de la presa, como se muestra en el
perfil de la Figura 2. La ubicación exacta de la sección crítica unitaria se realiza mediante
el cálculo del centro de gravedad del cuerpo de la presa.
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El análisis de estabilidad que proponen estos autores para el diseño de presas de
gaviones considera los siguientes supuestos: i) aunque la presa es filtrante, se genera
empuje hidrostático debido a la cantidad de agua con sedimentos que se almacena en el
vaso de la presa; ii) el cálculo del empuje hidrostático considera desde la superficie libre
del agua que pasa por el vertedor hasta el fondo del cauce; y iii) no se genera subpresión
en la base de la presa debido a que el agua se filtra por el cuerpo de la misma.
Figura 2. Vista lateral de una presa de gaviones, que muestra los elementos y dimensiones de
su sección crítica unitaria, y las fuerzas que actúan sobre la misma; donde H es la altura
de la presa (m), h’ es la altura de la carga sobre la cresta vertedora (m), hi la altura del
tendido i de la presa (m), B la longitud de la base de la presa (m), b la longitud de la
corona de la presa (m), k es la longitud constante del escalón (m), k' es la longitud del
colchón amortiguador (m), bi es la longitud del tendido i (m), q es el peso de la lámina de
agua vertiente (t), P es el peso total de la sección crítica unitaria de la presa (t), ZP el
brazo de palanca del peso de la presa (m) respecto al punto N, E es el empuje
hidrostático del agua con sedimentos (t), N y M son puntos de referencia aguas arriba y
aguas abajo de la presa respectivamente (López Martínez & Oropeza Mota, 2009).
Se considera que una presa de gaviones es estable si cumple con las siguientes
condiciones:
  

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
  
      
  
La expresión (3), se conoce como condición de deslizamiento y establece que: el peso
del cuerpo de la presa () y el peso de la lámina de agua vertiente (), multiplicados por
un coeficiente de fricción para la roca de la que se construye la presa (), debe ser mayor
o igual al empuje hidrostático del agua con sedimentos () multiplicado por un factor de
seguridad al deslizamiento (), que generalmente es mayor a uno ( ).
La condición de volcamiento, ecuación (4), establece que: la relación de la suma de
momentos generados por el peso de la presa () por su brazo de palanca () y el peso
de la lámina de agua vertiente () por su respectivo brazo (), entre el momento
generado por el empuje hidrostático () y su brazo de palanca () debe ser mayor a un
factor de seguridad al volcamiento () , que generalmente es mayor a uno ( ).
Finalmente, la condición de núcleo central establece que para que exista estabilidad, la
fuerza resultante de la acción conjunta de todas las fuerzas que actúan sobre la presa,
debe estar en el tercio medio de la longitud de la base. Esto se expresa en la ecuación
(5).
El peso del agua que pasa por el vertedor (), de manera teórica, es la lámina formada
por el ancho del vertedor (), la longitud de la corona de la presa () y la carga sobre la
cresta vertedora. Esto se expresa con la ecuación (6):
      
donde es el peso específico del agua con sedimentos (t m-3); y las demás variables se
definieron en la nomenclatura de la Figura 2. Este peso actúa sobre el brazo de palanca
, con respecto al punto N. Para calcular el peso de la sección crítica unitaria (),
se hace el cálculo de su volumen con la ecuación (7).
  

(7)
donde es el volumen de la sección crítica unitaria, es el número de tendidos de la
presa y las demás variables se definieron en la nomenclatura de la Figura 2. El peso
específico aparente (), se calcula como la diferencia que hay entre el peso específico
de la roca con la que se construye la presa () y el peso específico del agua con
sedimentos (). Como se muestra en la ecuación (8):
   
(8)
donde es el peso específico aparente (t m-3). Una vez que se ha obtenido el volumen
y el peso específico, se puede obtener el peso de la sección crítica unitaria () con la
ecuación (9):
   
(9)
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donde es el peso total de la sección crítica unitaria (t) y es volumen de la sección
crítica unitaria (m3). El peso de la presa actúa sobre un brazo de palanca () con
respecto al punto M, mismo que se puede encontrar utilizando la ecuación (10):
  
(10)
donde el valor complementario () es el brazo de palanca del peso de la presa respecto
al punto N, se obtiene con la ecuación (11):

(11)
donde todas las variables se definieron en la nomenclatura de la Figura 2. El empuje
hidrostático () que ejerce el agua con sedimentos sobre la estructura se calcula con la
ecuación (12). Esta ecuación es una simplificación, que asume el cálculo del volumen de
presiones de un paralelepípedo de base triangular y de altura unitaria:
  
(12)
donde Sm es la superficie de mojado de la sección crítica unitaria (m2); h es el centro de
gravedad de la superficie de mojado (m). La superficie de mojado de la sección crítica
unitaria se obtiene con la ecuación (13), dado que el ancho es unitario, la superficie de
mojado tiene el mismo valor que la altura efectiva de la presa ():
   
(13)
El centro de gravedad del volumen de presiones se encuentra a la mitad de la altura
efectiva de la presa  
y la presión hidrostática es una fuerza que actúa a un tercio
de la base de la altura efectiva de la presa
.
Resultados y Discusión
Al codificar la metodología de diseño de presas de gaviones, en el lenguaje C++, se
obtuvo como producto final un sistema de cómputo llamado Gabbioni. Debido al
paradigma de programación orientada a objetos utilizado, el código del programa se
integra de clases que representan las diferentes partes físicas de una presa de gaviones,
las cuales tienen ciertas propiedades y sobre las que se pueden realizar ciertas
operaciones.
En la Figura 3 se muestra un diagrama de paquetes que representa la manera en la que
se agrupa el código. Se puede apreciar que se tienen cuatro agrupaciones generales o
paquetes: 1) entrada de datos, 2) diseño, 3) reporte y 4) interfaz. La metodología se
codificó en el paquete diseño, mientras que los otros tres ayudan a manejar los datos de
entrada, a mostrar y generar reportes con los resultados, y a facilitar al usuario, la
interacción con el programa. La clase principal se llama GabionDam la cual representa a
una presa de gaviones. Esta clase hereda características de otras llamadas Weir,
ChannelSection y OropezaAnalsys, las dos primeras representan a un vertedor y una
sección de cauce, respectivamente. La clase OropezaAnalysis es un objeto abstracto que
se utiliza para el análisis de estabilidad una vez que las dimensiones de la presa se han
definido. La clase Layer representa un tendido de gaviones y es el elemento básico del
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que se conforma una presa de este tipo. Dicha clase tiene como propiedades sus
dimensiones (largo, ancho, altura) y coordenadas. La clase hydrology es una clase
externa en el sentido que no representa a un elemento de una presa de gaviones, sino
que representa a su cuenca tributaria y contiene algunas operaciones hidrológicas para
estimar el flujo de agua que escurre por el cauce.
Figura 3. Diagrama de paquetes del programa Gabbioni.
El procedimiento para diseñar una presa con Gabbioni inicia con la introducción de los
datos de la sección transversal del cauce, para ello se utilizan las ventanas de diálogo
de la
Figura 4 en donde se introduce el ancho y la profundidad de la sección del cauce. Las
propiedades de la clase ChannelSection toman valores una vez que se introducen los
datos y se inicia el diseño de una presa. Seguidamente se introduce el gasto de diseño,
si este dato es desconocido entonces puede estimar con el método racional, codificado
en la clase hydrology, o con el método de área-velocidad el cual se encuentra en la clase
ChannelSection, para lo cual se utiliza la ventana de diálogo mostrada en la Figura 5. Se
diseña un vertedor rectangular de cresta gruesa para la obra de excedencias utilizando
las propiedades y métodos de la clase Weir, como se puede apreciar en la Figura 6.
Enseguida se crean las dimensiones de los tendidos de la presa de gaviones con los
métodos en el objeto GabionDam utilizando todos los valores calculados hasta el
momento. Posteriormente, se toman las dimensiones de la presa del objeto GabionDam
para realizar un análisis de estabilidad de acuerdo con el método codificado en la clase
OropezaAnalysis, lo cual se muestra en la Figura 6. Cabe mencionar que el análisis de
estabilidad se encuentra en una clase externa que únicamente toma las medidas de la
presa sin modificarlas, con este diseño modular se tiene la posibilidad de integrar en el
futuro otras metodologías de análisis de estabilidad, de manera que el usuario pueda
escoger entre las disponibles.
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El paquete de Interfaz permite visualizar el proceso de diseño mediante representaciones
gráficas que el programa muestra en su ventana principal. También se permite la entrada
de datos, la selección de diversas opciones de diseño y la asignación de valores a criterio
del usuario, mediante ventanas de diálogo específicas para cada operación. El programa
también cuenta con opciones para manipular los gráficos, tales como acercar, alejar y
mover las vistas. Además, se incluye una herramienta para manipular de forma manual
las dimensiones de los tendidos de la presa, sin embargo, se recomienda mantener las
dimensiones que el programa proporcione en los resultados.
Figura 4. Entrada de datos del programa Gabbioni, a la izquierda se presentan las coordenadas
(x,y) del ancho y profundidad de una sección del cauce, y a la derecha se muestra una
representación gráfica.
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Figura 5. Estimación del caudal de diseño con el método de área-velocidad (izquierda) y
configuración de los tendidos de la presa (derecha).
Figura 6. Diseño del vertedor rectangular de cresta gruesa (izquierda) y configuración de
parámetros para el análisis de estabilidad de la presa de gaviones (derecha).
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Finalmente, mediante el código que se agrupa en el paquete de Reporte, se le permite al
usuario crear reportes de los resultados del diseño de la presa de gaviones en formato
de texto plano delimitado por comas, y exportar los planos en formato DXF, el cual es
compatible con programas comerciales de diseño asistido por computadora. Un ejemplo
de los resultados proporcionados por el programa Gabbioni, se muestran en la Figura 7
donde se observan las representaciones gráficas de los tendidos de la presa, en el panel
lateral del programa se muestra un resumen de los datos utilizados y los principales
resultados del diseño.
Pruebas y evaluación
El funcionamiento del programa Gabbioni se puso a prueba utilizando secciones
transversales de cauces obtenidos con datos de otros proyectos y valores numéricos sin
sentido físico para poner a prueba la robustez del código. Los casos especiales,
codificados en las funciones de dimensionamiento de los tendidos de la presa, probaron
utilizando cauces teóricos. En la Figura 8 se ejemplifica la variedad de las secciones del
cauce utilizadas; el inciso a) muestra una sección del cauce con forma de “V”; los incisos
b), c) y f) muestran secciones con forma trapecial; por su parte, los incisos d) y e)
muestran secciones con forma de “U”. Además, se observa que en el inciso d) se tiene
una sección que asemeja una “W”, la cual es una forma que pone a prueba la robustez
de los algoritmos de dimensionamiento.
Ventajas y limitaciones del sistema propuesto
El sistema desarrollado es apropiado para diseñar estructuras pequeñas con fines de
conservación de suelos. El análisis de estabilidad propuesto por López Martínez &
Oropeza Mota, (2009) es particular para presas de gaviones escalonadas hacia aguas
abajo, por lo que no se recomienda su uso para diseñar otro tipo de estructuras, como
muros de contención para obra civil, presas derivadoras o presas de almacenamiento.
Sin embargo, estructuras similares con fines de conservación de suelo y agua, como
presas de costales, presas de piedra acomodada, presas de llantas y presas de morillos;
se pueden analizar y diseñar con este programa siempre y cuando se tomen en cuenta
sus diferencias.
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Figura 7. Diseño final de una presa de gaviones con Gabbioni, se muestran la vista frontal, en
planta y de perfil de la colocación de tendidos, así como los principales datos y
resultados del diseño.
La metodología de diseño propuesta por López Martínez & Oropeza Mota, (2009)
considera algunos supuestos que por un lado reducen el número de cálculos si se
compara con otras metodologías de diseño este tipo de estructuras, lo que simplifica el
diseño general; pero por otro lado, podría considerarse que este análisis omite algunos
criterios si se compara con otras metodologías de diseño. Sin embargo, debido a que
este tipo de obra representa un riesgo muy bajo, comparado con otras obras civiles, este
diseño es aceptable para asegurar la estabilidad de las presas de gaviones. Grimaldi et
al., (2015) utilizan una metodología de diseño en el que se considera un análisis de
estabilidad para condiciones de presa llena y presa vacía, como generalmente se hace
en el diseño de presas de almacenamiento de grandes dimensiones. El análisis
estructural descrito por Camargo Hernández & Franco, (2001), considera más fuerzas
actuantes sobre el cuerpo de la presa y condiciones hidráulicas adicionales que lo hacen
ver más completo.
En lo que respecta a la compatibilidad del programa, los formatos de datos de entrada y
salida que utiliza Gabbioni, como archivos de texto delimitado y dibujos en Drawing
Interchange Format (DXF), permiten la compatibilidad con otros programas de uso
frecuente en ingeniería como hojas de cálculo, procesadores de texto y dibujo asistido
por computadora.
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Figura 8. Secciones transversales de los cauces utilizados para evaluar los algoritmos de
diseño de presas de gaviones.
Conclusiones
Se desarrolló una herramienta computacional para el diseño rápido y preciso de
pequeñas presas de gaviones llamada Gabbioni bajo un modelo de desarrollo de código
abierto. Se codificó en lenguaje C++ usando las librerías gráficas Qt5 lo que lo hace una
aplicación multiplataforma, es decir, es capaz de ejecutarse en los principales sistemas
operativos computacionales: Windows, macOS y Linux. Esto asegura que el programa
puede ser actualizado para adaptarlo a los cambios tecnológicos que pudieran surgir, de
manera que no se vuelva obsoleto. Además, su diseño modular y abierto permite que
otros programadores modifiquen y adapten el código a sus necesidades, por ejemplo,
agregando otros métodos para el análisis de estabilidad.
Comparando con el uso de programas comunes, el uso de esta herramienta
especializada reduce tanto el tiempo de diseño de una estructura, así como la ocurrencia
de errores causados por descuidos.
Aunque la fase de codificación se ha completado de manera exitosa y se han realizado
algunos ejemplos, aún es necesario realizar pruebas y comparaciones exhaustivas para
evaluar la robustez y confiabilidad del programa, con la finalidad de introducir su uso en
ambientes de producción.
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Article
Full-text available
Over recent years, there has been a clear increase in the frequency of reported flooding events around the world. Gabion structures offer one means of flood mitigation in dam spillways. These types of structures provide an additional challenge to the computational modeller in that flow through the porous gabions must be simulated. We have used a computational model to investigate the flow over gabion stepped spillways. The model was first validated against published experimental results. Then, gabion stepped spillways with four different step geometries were tested under the same conditions in order to facilitate inter-comparisons and to choose the best option in terms of energy dissipation. The results show that normal gabion steps can dissipate more energy than overlap, inclined, and pooled steps. An intensive set of tests with varying slope, stone size, and porosity were undertaken. The location of the inception point and the water depth at this point obtained from this study were compared with those from existing formulae. Two new empirical equations have been derived, on the basis of regression, to provide improved results for gabion stepped spillways.
Article
Full-text available
The hydraulics of energy dissipation over stepped-gabion weirs is investigated by carrying out a series of laboratory experiments, building models to explain the experimental data, and testing their robustness by using the data reported by other researchers. The experiments comprise: six different stepped-gabion weirs tested in a horizontal laboratory flume, a wide range of discharge values, two weir slopes (V:H): 1:1 and 1:2, and gabion filling material gravel size (porosity equal to 38 %, 40 % and 42 %). These experimental setups were selected to ensure the development of both the nappe and skimming flow regimes within the measured dataset. The models developed for computing energy dissipation over stepped-gabion weirs comprise: multiple regression equations based on dimensional analysis theory, Artificial Neural Network (ANN) and Gene Expression Programming (GEP). The analysis shows that the measured data capture both flow regimes and the transition in between them and above all, and by using all of the data, it may be possible to identify the range of each regime. Energy dissipation modelled by the ANN formulation is successful and may be recommended for reliable estimates but those by GEP and regression analysis can still serve for rough-and-ready estimates in engineering applications.
Chapter
A gabion is a box-shaped container filled with soil or rock which can be used to prevent soil erosion and keep slope stable. New material and modern manufacturing technology revitalize gabion type structure which has a long history. The use of gabion type system is nowadays a common practice which enables engineers to provide effective protections to a wide range of structures. An overview of some applications of the gabion type system is presented in this paper, as well as several engineering examples, in order to highlight the main advantages of this system, together with their functional characteristics.
Article
The problem of gabion application for struggling against soil erosion is investigated. The main properties of the gabion structures are described, namely: flexibility, strength and stability, long service life, permeability, high ecological properties and efficiency. The ability of gabions to conserve the filtration water mode, to absorb the foundation subsidences, to promote the natural growth of vegetation together with high strength provide for the reliability of gabion structures when their merging with the environment.
Manual de gaviones. Series del Instituto de Ingeniería 624
  • Camargo Hernández
  • J E Franco
Camargo Hernández, J. E., & Franco, V. (2001). Manual de gaviones. Series del Instituto de Ingeniería 624. México D.F.: Instituto de Ingeniería UNAM.
Designing and Building Gabion Check Dams in Burkina Faso
  • S Grimaldi
  • P Vezza
  • I Angeluccetti
  • V Coviello
  • A M Kô
Grimaldi, S., Vezza, P., Angeluccetti, I., Coviello, V., & Koussoubé Kô, A. M. (2015). Designing and Building Gabion Check Dams in Burkina Faso. Engineering Geology for Society and Territory, 3, 529-533. doi:10.1007/978-3-319-09054-2
Numerical study of the effects of check dams on erosion and sedimentation in the Pachang River
  • H Hsieh
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  • R Chen
Hsieh, H.-m., Luo, C.-r., Yang, J.-c., & Chen, R.-f. (2013). Numerical study of the effects of check dams on erosion and sedimentation in the Pachang River. International Journal of Sediment Research, 18(3), 304-315. doi:10.1016/S1001-6279(13)60041-4
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Norma Oficial Mexicana NOM-011-CONAGUA-2015 Conservación del recurso agua. Que establece las especificaciones y el método para determinar la disponibilidad media anual de las aguas nacionales
  • Semarnat Poder Ejecutivo
Poder Ejecutivo -SEMARNAT. (2015). Norma Oficial Mexicana NOM-011-CONAGUA-2015 Conservación del recurso agua. Que establece las especificaciones y el método para determinar la disponibilidad media anual de las aguas nacionales. Ciudad de México, México: Diario Oficial de la Federación.