UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA DE FLUIDOS
Análisis Geomorfológi Geomorfológicos cos Cualitativos Curso:: Hidráulic Curso Hidráulica a Fluvial
Análisis general de la estabilidad de cauces Pres Pr esen enta taci cion on : El presente capitulo aborda los fenómenos de estabilidad de cauces aplicados a puentes y obras similares construidas sobre ríos o en sus orillas, a partir del entendimiento de los mecanismos que lo generan y teniendo en cuenta la información técnica en cuanto a procesos de socavación, de erosión y similares.
Análisis de Procedimientos para evaluar la inestabilidad de Cauces Introducción : Un cauce estable es aquel que en el tiempo no cambia su tamaño, forma o posición. Sin embargo, todos los ríos aluviales sufren cambios en cierta medida y son inestables de alguna manera . Para propósitos de ingeniería de vías, un cauce se puede considerar inestable si la tasa o magnitud del cambio es suficientemente grande como para que afecte significativamente las consideraciones de planificación, localización, diseño o mantenimiento de una carretera, de un puente o cualquier obra fluvial. Los tipos de cambios que se consideran concernientes son: •
Erosión lateral de las orillas
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Variaciones en la elevación del lecho
Procedimiento general El análisis de cualquier problema complejo debe comenzar con una visión o evaluación general que incluya una valorización cualitativa del problema y sus soluciones. Este paso inicial es fundamental y debe ser encaminado o reconocer y entender los procesos físicos relevantes, pero sin detenerse en los detalles de cualquier componente del problema. En resumen, el procedimiento de solución general para estudiar la estabilidad de cauces debe incluir los siguientes 3 niveles: 1.
Aplicación de conceptos geomorfológicos simples y otros análisis.
2.
Uso de conceptos básicos hidrológicos, hidráulicos y de energía de transporte de sedimentos.
3.
Desarrollo de Modelos Matemáticos o Físicos.
Datos requeridos Datos y detalles requeridos para analizar una vía o su acceso a un rio dependen ampliamente de la inestabilidad relativa del cauce y de la profundidad para obtener una solución adecuada de los problemas potenciales. Si se requiere tener análisis cuantitativo es necesario disponer de información mas detallada, y para resolver problemas en situaciones complejas y de alto riesgo se necesitan datos en tramos extensos de rio.
Datos requeridos para el Nivel 1: Análisis Cualitativo y Geomorfológico Los datos necesarios en los análisis preliminares de estabilidad incluyen mapas, fotografías aéreas, notas y fotografías tomadas de inspecciones de campo, información sobre perfiles históricos del rio, investigaciones referidas a las actividades humanas en la región y otro datos concernientes los cambios en la hidrología e hidráulica del cauce a lo largo del tiempo. Nota : los estándares nacionales de inspección de puentes en los Estados Unidos de Norteamérica ENIP requieren inspecciones cada 2 años en los 575 000 puentes que hacen parte del Inventario Nacional de Puentes.
Generalmente, la sección transversal del sitio del puente definida en el momento de cada inspección aporta una esquematización cronológica del cauce en el sitio del puente. El área, la ubicación, el sitio, la geología, los suelos y los mapas de uso de la tierra suministran una información valiosa.
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Las notas y fotografías de campo procedentes de las inspecciones son importantes para lograr una mayor entendimiento de los problemas de estabilidad de los cauces, particularmente en lo que respecta a la estabilidad local. Las inspecciones de campo deben llevarse a cabo durante periodos de caudales altos y caudales bajos con el fin de registrar la ubicación de cortes por erosión en las bancas o fosas y depósitos en el rio. Si se dispone de perfiles históricos de cauces, ellos pueden suministrar información sobre la estabilidad del rio. Las tendencias cíclicas en secciones estrechas del cauce y las comparaciones de los niveles del fondo con las cotas antes de la construcción de estructuras, dan información sobre los cambios en el perfil del rio.
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Las inspecciones de campo son un componente critico en la evaluación cualitativa de la estabilidad lateral. La comparación de las condiciones observadas en campo con la descripción de orillas estables e inestables de un rio ayuda a calificar la estabilidad de una orilla. La evaluación de la estabilidad lateral también se puede realizar a partir de datos históricos de la posición de un tramo en curva en dos o mas tiempos diferentes: las fotografías aéreas o los mapas son usualmente los únicos datos históricos disponibles.
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La medición de la erosión de orillas a partir de fotografías aéreas en dos momentos diferentes requiere identificar puntos de referencia comunes a ambas. Algunos de ellos pueden ser carreteras, edificaciones, canales de riego , puentes y esquinas o puntos de cruce. Es necesario identificar sitios de potencial avulsión (cambio del cauce a un nuevo alineamiento) cerca del cruce de una carretera, de tal manera que se puedan adelantar los pasos para mitigar los efectos de avulsión cuando ella ocurra.
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Frecuentemente, las actividades en las cuencas son la causa de inestabilidad de los cauces. Por consiguiente, es necesario evaluar el impacto de diversas acciones en la inestabilidad de los mismos. Entre ellas se cuentan: la urbanización, la limpieza del terreno, las obstrucciones en los cauces, las canalizaciones, los cortes de curvas, la minería del hecho, la construcción de presas, la operación de embalses, los proyectos de navegación y muchas otras practicas ya existentes o que se espera aparezcan en el futuro.
Datos necesarios en el nivel 2: Análisis de Ingeniería Básica •
Los requerimientos de información básica en los análisis de hidrología, hidráulica e ingeniería de transporte de sedimentos dependen del tipo de estudio que se debe realizar. Las necesidades de datos hidrológicos incluyen el caudal dominante(caudal banca llena o de cauce lleno) , las curvas de duración y las curvas de frecuencia de los caudales. Las necesidades de información hidráulica incluyen las secciones transversales, los estimativos de la rugosidad del canal y las orillas, la dirección del rio y otra información para adelantar los cálculos hidráulicos y la definición de los perfiles del flujo.
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Un análisis cuantitativo mas detallado requiere información sobre las propiedades de los materiales del lecho y las orillas y, algunas veces, datos de campo sobre las tasas de transporte de la carga del lecho y la carga de suspensión. Las propiedades de los materiales del lecho y de las orillas que son importantes para un estudio de transporte de sedimentos incluyen el tamaño, la forma, la velocidad de caída, la cohesión, la densidad y el ángulo de reposo.
Datos necesarios en el nivel 3: Modelos matemáticos y físicos. •
Generalmente , la aplicación de modelos matemáticos y físicos requieren los mismos datos básicos usados en el nivel 2, aunque con mayor detalle. Por ejemplo, las corridas hidráulicas y de sedimentos con modelos matemáticos (Por ejemplo el modelo BRI-STARS o el modelo HEC-6 incluido posteriormente en el HEC-RAS) y la construcción de un modelo físico requieren información detallada de las secciones transversales.
Fuentes de Información •
Aquellos datos preliminares referentes a la estabilidad pueden encontrarse en estudios anteriores sobre el mismo cauce o en análisis particulares realizados por el IDEAM o por las alcaldias municipales y las gobernaciones. La informacion cartografica se puede consultar en el IGAC, los mapas de suelos y geológicos se encuentran en Ingeominas y la informacion hidrologica se puede adquirir en el IDEAM.
Nivel 1: Geomorfológicos Cualitativos •
En la figura 3.1 se presenta un diagrama de flujo de los pasos generales seguidos en los análisis geomorfológicos cualitativos. Los 6 pasos son generalmente aplicables a los problemas de estabilidad de cauces. Como se muestra en la figura 3.1, la evolución cualitativa puede generar la necesidad de adelantar un análisis mas detallado (nivel 2) o puede llevarse a que se recomiende una evaluación basada en el nivel uno. Los análisis cualitativos del nivel uno son un pre requisito para los análisis de ingeniería del nivel 2 en el diseño de puentes o en su rehabilitación.
Paso 1:Características del cauce.
Nivel 2 Análisis
Paso 2 :Cambios en los usos del terreno
Si Paso 3 :Estabilidad total
Inestable Paso 4: Estabilidad Lateral
Inestable Paso 5: Estabilidad Vertical
Paso 6: Respuesta del Cauce
Se necesitan análisis mas detallados
Inestable Posible No
Evaluación completa
Paso 1: Definición de las características del cauce •
El primer paso en el análisis de estabilidad es identificar las características del cauce de acuerdo con los factores y principios geomorfológicos. La definición de las diferentes características geomorfológicas de la corriente constituye una interpretación sobre el comportamiento y la respuesta del rio.
Paso 2 : Evaluación de los cambios en el uso del terreno •
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La producción de agua y sedimentos en una cuenca es una función de las practicas de uso del suelo. De esta manera, el conocimiento del uso del terreno y sus cambios históricos es esencial para entender las condiciones de inestabilidad de los cauces y de su respuesta potencial respecto a cambios naturales o inducidos por el hombre. La presencia o ausencia de la capa vegetal puede tener una influencia significativa en la escorrentía y en la respuesta erosiva de una sistema fluvial. Los cambios a gran escala presentados en la vegetación producidos por incendios, deforestación, cambios en el uso de la tierra y urbanización, pueden tanto aumentar como disminuir la producción de agua y sedimento de una cuenca.
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La información concerniente al historial y las tendencias del uso de la tierra puede hallarse en documentos e informes oficiales. Los datos obtenidos en censos, mapas de la zona, planes de desarrollo a futuro, se obtienen en los Planes de Ordenamiento Territorial. Además, un análisis multi temporal aporta un buen conocimiento sobre los cambios en el uso de los suelos. Los cambios en la cobertura vegetal se pueden clasificar como : ausencia de cambios, aumentos de la vegetación, daños de la vegetación y destrucción de la vegetación.
Paso 3: Evaluación de la estabilidad general del cauce •
La figura 3.2 también es útil para hacer una evaluación cualitativa sobre la estabilidad de un cauce basada en las características de un rio. El cuadro 3.1 muestra que los canales rectilíneos son relativamente estables solo cuando las velocidades de flujo y las cargas de sedimentos son bajas. A medida que estas variables aumentan se incrementa el desarrollo de curvas en el flujo, causando la formación de barras alternadas con la iniciación de un patrón de cauce meándrico.
Paso 4 : Evaluación de la Estabilidad Lateral •
Los efectos de inestabilidad lateral de un cauce en un puente dependen de la extensión de la erosión de orillas y del diseño del puente. La erosión de orillas puede quitarle apoyo a las pilas y a los estribos localizados por fuera del canal principal y erosionar los terraplenes de acceso. Cuando una orilla falla por desprendimiento rotacional, las presiones laterales en las pilas localizadas dentro de la zona de desprendimiento pueden causar grietas en ellas, colapsos o desplazamientos de la cimentación.
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La medición de la erosión de orillas a partir de fotografías aéreas en 2 momentos diferentes requiere identificar puntos de referencia comunes a ambas. Algunos de ellos pueden ser carreteras, edificaciones, canales de riego, puentes y esquinas o puntos de cruce. Es necesario identificar sitios de potencial avulsión (cambio del cauce a un nuevo alineamiento) cerca del cruce de una carretera, de tal manera que se pueden adelantar los pasos para mitigar los efectos de avulsión cuando ella ocurra.
Paso 5 : Evaluación de la Estabilidad Vertical •
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Los efectos típicos asociados a los cambios en la elevación del lecho en los sitios del puente son: la erosión en los terraplenes de acceso y la socavación en la base de las cimentaciones por degradación, o una reducción en el área del flujo por agradación bajo puentes, produciendo una mayor frecuencia de los flujos con niveles altos. La erosión de las orillas asociada a la degradación posee los mismos problemas en los puentes que la erosión lateral por migración de curvas, pero pueden ser mas severos debido a la baja elevación del cauce.
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Otros problemas diferentes a los asociados con la degradación de cauces incluyen la socavación de muros pre excavados, de otras estructuras del control del flujo y de protección de orillas. El derrumbe de orillas debido a la degradación generalmente incrementa la cantidad de escombros y materiales transportados por el rio y aumenta el bloqueo potencial de los puentes, agravando la socavación en ellos.
Paso 6 : Evaluación de la respuesta del Rio a los cambios •
El conocimiento y el desarrollo posterior a partir de la evaluación de las condiciones históricas y presentes del rio y de la cuenca, tal como se ha expuesto a través de los pasos uno a cinco ayudan a entender la respuesta potencial del rio respecto a impactos previos o a cambios propuestos tales como a la construcción de un puente.
