Ing. Jorge Álvarez M. División de Obras Fluviales Ministerio Ministerio de Obras Obras Públicas Públicas
Los espigones o espolones como elementos elementos en el encauzamiento encauzamiento de un curso curso de agua son utilizados utilizados en Europa Europa y otras partes partes del mundo desde el siglo XIX XIX en ríos cuya característica morfológica es ser trenzados. Los objetivos perseguidos fueron en lo fundamental drenar áreas pantanosas que se perfilaban como una amenaza a la población por la incubación de enfermedades contagiosas como el paludismo. A partir de finales del mismo siglo y durante el siglo XX, se siguieron utilizando para tratar de mantener un cauce estable para la navegación y de cara a las avenidas con potencial para provocar inundaciones. En algunos países se han utilizado los espigones para formar un cauce de aguas bajas inscrito en otro de aguas altas un poco más ancho, que a su vez se encuentre inscrito dentro de otro de avenidas más ancho aún. En nuestro país han sido utilizados en forma muy discreta en ríos que no siempre tienen la característica de ser trenzados y algunas veces esa utilización ha implicado fracasos importantes porque ha fallado el empotramiento en el banco o la socavación de fondo ha sido mayor que la esperada, sin embargo algunos experimentos han sido aceptablemente exitosos. Figura 1
Ejemplo de utilización exitosa de Espigones de grava recubiertos de gaviones tipo colchoneta (Confluencia de los ríos Barbilla y Chirripó)
En los Estados Unidos Unidos fue desarrollada desarrollada una estación estación experimental experimental para investigar investigar el comportamiento de espigones desde 1988, donde se han estudiado 11 modelos físicos
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para diferentes propósitos. Esto ha generado una gran experiencia y un caudal de información suficiente para poder utilizarlos efectivamente. Los espigones son útiles cuando se quieren obtener los siguientes resultados: • • • • • •
Protección frente a las inundaciones junto a otras obras. Protección de las márgenes. Sedimentación en las márgenes erosionadas. Fijación de un cauce estable. Mejorar las condiciones de desagüe. Formación de un canal navegable.
Los espigones son en esencia diques transversales implantados en la orilla con una pendiente moderada desde el anclaje hasta el extremo inferior en el río, el efecto perseguido es alejar el flujo principal de las aguas del talud natural en dirección al centro del canal, así como desplazar el cauce más hondo en dirección también al centro del río.
La elevación es determinada analizando la profundidad alcanzada por el evento de diseño y ella definirá el porcentaje de eventos interceptados por lo que deberá ser en el anclaje al menos la misma del banco natural del río en el sitio donde se practica cada espigón; la elevación en el extremo deberá estar comprendida entre un 40 y 50 % de la elevación total de la carga promedio de agua de los eventos anuales. Cuando se practican en ríos navegables se debe tener mucho cuidado a la hora de ubicarlos para que no ofrezcan ningún peligro a la navegación. Figura 2 Anclaje
Banco Natural
Espigón Nivel de agua de diseño Nivel promedio anual de aguas altas
Nivel promedio anual de aguas bajas
Fondo del canal
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El ángulo de orientación se mide entre la cara de aguas arriba del espigón y la cuerda que une los puntos de intersección de los ejes longitudinales de este espigón y el espigón ubicado inmediatamente aguas arriba. El ángulo medido en esa forma debe tener un valor intermedio entre 50 y 85 grados. Deben en todo caso pro economía y funcionalidad ser perpendiculares al flujo. Figura 3 R = radio de curvatura
E L
L = longitud del espigón S = separación entre espigones β = ángulo de orientación
R
E = empotramiento A = ancho del canal β
A
S
Al definir un cauce principal como en la figura 3 y en la imagen adjunta y tratar de darle al río un trazado nuevo, si se acierta con el grado de curvatura, para lo cual es conveniente tomar en cuenta las propuestas geométricas de Fargué, no es necesario espigonar el lado interno de la curva.
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Cuando la curva es demasiado cerrada se hace necesario suavizarla reduciendo su curvatura, esto es posible conseguirlo utilizando una adecuada combinación de espigones sumergibles, que impidan la erosión de orilla y diques longitudinales que confinen el río durante las altas avenidas.
El talud transversal al eje central del espigón se recomienda que sea mayor al ángulo de reposo del material empleado en su construcción y el tamaño de la partícula que lo conforma debe ser como mínimo el D100 del material presente en área inmediata. El nivel a lo largo del eje longitudinal debe ser una decisión ingenieril basada en las cargas de agua que la estructura debe soportar.
La longitud del espigón no debe exceder 1/3 del ancho del canal, sin embargo en el caso de los ríos de morfología no trenzada se recomienda que esa longitud no sea mayor a ¼. Típicamente se ubican ( 10% < L < 25% ) del ancho del canal.
Idealmente debería colocarse un espigón corto donde la prolongación de la línea central del canal interseca la línea del banco, y los demás espigones deberían ubicarse aguas debajo de ese espigón corto a una distancia de separación uno de otro. En todo caso la ubicación de los espigones será siempre una decisión legítimamente ingenieril, el proyectista deberá dibujar la línea de borde de agua proyectada y a partir de ella el diseño de planta de los espigones. Se debe tomar en cuenta que la orilla cóncava es en general la que guía la corriente.
De acuerdo a experimentos realizados en ríos en varios lugares del mundo la separación entre espigones es función del radio de curvatura del meandro, el ancho del canal y la longitud de los mismos. De esta manera Lagrone propone la siguiente fórmula de cálculo.
Saele también propone el siguiente modelo
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Cuando el radio de la curva es mayor cinco veces el ancho mayor entonces:
y la separación
es
Cuando el radio de curvatura R es menor que 5 veces el ancho A y la separación menor que entonces:
es
La profundidad del empotramiento no debe ser menor a 1,5 veces la altura total del banco donde se ubica el espigón. Flujo Separación 20° ángulo de expansión Espigón
L
S*Tan 20°
Línea del banco Empotramiento
E
Según Saele para espigones pequeños la longitud mínima de empotramiento debe ser de 2,5 m o 4 veces el diámetro del D100 del espigón. Otro criterio es del obtener una nueva línea de orilla de tal manera que se promueva la sedimentación entre espigones para formarla. La longitud de empotramiento o anclaje debe por economía, ser lo más corto posible, es por lo tanto una decisión ingenieril que se toma dependiendo de las bondades del suelo donde el anclaje se construye. Los espigones pueden construirse sin anclaje y luego de la temporada de lluvias reparar aquellos que fallaron, generalmente ubicados entre los primeros de aguas arriba. Estadísticamente fallan alrededor del 4% de todos los espigones construidos y generalmente lo hacen durante el primer período de avenidas que enfrentan.
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Borde erosionado
Borde deseado
θ
Dirección del flujo
S = L * Cot θ
El ancho mínimo de la corona de los espigones varía de entre 1 y 4 metros o entre dos y tres veces el diámetro de D100 . Es razonable pensar en anchos de corona de espigón que permitan el paso de las máquinas durante el proceso constructivo o durante la vida útil para darles mantenimiento, sobre todo en aquellos casos en que la longitud de la estructura es considerable y el único acceso para construcción y mantenimiento es sobre la corona misma.
La cantidad, longitud y separación entre espigones responden a un diseño de conjunto, en donde las decisiones ingenieriles definirán buena parte de ese conjunto.
Barra natural
Situación típica en los espigones del proyecto del sistema fluvial del río Matina, sobre todo en el sector de Estrada.
Línea del banco
Espigones
S Borde deseado del agua de Línea del banco
Dique longitudinal 6
Típicamente se construirán tantos espigones como sea necesario para cubrir el área afectada y dos o tres más, aguas arriba del primer espigón diseñado y de longitud variable para hacer la transición de la ribera natural a los espigones.
La gradiente lateral es también una decisión ingenieril, pero debe ser menor que el ángulo de fricción del material utilizado en al construcción. La gradiente longitudinal debe ser igual en todos en los espigones de una misma batería, y resulta ser producto de las elevaciones de diseño para los diferentes niveles de agua considerados junto con al longitud de los espigones.
Los métodos y materiales de construcción varían dependiendo del tamaño del río y del espigón, la profundidad y la velocidad del agua; aguas profundas y veloces requerirán de grandes bloques de piedra sobre todo en las áreas más expuestas de los espigones. •
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Las partículas deben ser preferiblemente angulares y no más de un 30% de ellas pueden exceder en longitud al 2,5 de su espesor. Ninguna partícula debe exceder en 3,5 veces su espesor. La piedra debe ser bien graduada, pero solo una pequeña cantidad no mayor al 35% del material puede ser menor al diámetro crítico de partícula. Esto debe cumplirse sobre todo en aquellas partes de los espigones que sufren en forma directa el embate del flujo de agua, ya sea durante el proceso constructivo o durante la vida del espigón. El material para la construcción de espigones debe ser preferiblemente piedra de cantera, bloques de hormigón, o algún otro material similar. Esto si se pretende obtener una larga duración en servicio de la obra. Sin embargo la experiencia nos dice que bolones de río y cantos rodados resultan más fáciles de manipular que partículas angulares y dan prestaciones de calidad similar a los segundos. Los materiales a utilizar deben ser clasificados utilizando modelos para flujo viscoso turbulento, normalmente esos modelos arrojan resultados un 20 o 25 % superiores a los modelos para flujo viscoso no turbulento. Existen algunos otros materiales de factoría para construir espigones, tales como gaviones, colchones reno, gaviones de bolsa, bolsacreto, pilotes anclados en el suelo, dolos de concreto, pacas de llantas, etc. El ingeniero deberá por lo tanto elegir cual es el que mejor se adapta a las condiciones del río en cuestión, en una buena combinación de funcionalidad y precio. La elección de gaviones en todas sus versiones funcionales cuando no existen bolones adecuados a corta distancia, es desde el punto de vista de la economía 7
una buena opción, sobre todo una elección mixta de gaviones y relleno granular con tamaños de partícula que no requieran de geomalla, ante un proyecto con este perfil debe tomarse en cuenta el mantenimiento anual que requerirán durante la estación de estiaje a fin de enfrentar las lluvias en condiciones de integridad física.
Las normas propuestas en esta guía fueron desarrolladas en otras condiciones geológicas, climáticas, geomorfológicas y con ríos de características hidráulicas muy diferentes; en nuestro país los aluviones por donde discurren los ríos de llanura tienen condiciones mecánicas que facilitan la erosión, por lo que es importante desarrollar un programa de investigación sobre el uso de espigones que venga a modificar en lo necesario los modelos de cálculo y las ideas aquí recopiladas. La observación del comportamiento en los espigones de sistema fluvial del río Matina es un ejemplo muy exitoso ya que ellos fueron diseñados utilizando el marco teórico de esta guía, y aunque no es el único ejemplo documentado, si es el más clásico de ellos y donde la observancia de sus efectos es más noria.
Ejemplo de cómo no debe ser construido un espigón. No tiene gradiente longitudinal y la separación (≈200m) es mucho mayor que la que debería ser en razón de la longitud del mismo que es aproximadamente 15 m. Además probablemente la figura que se requería no era esa, pues no hay socavación en la ribera si no más bien desbordamiento.
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Espigones construidos en la ribera derecha (Panameña) del río Sixaola, nótese la socavación que está ocurriendo entre espigones producto de una combinación incorrecta de separación y longitud. Posiblemente tampoco fue tomado en cuenta el radio de curvatura del meandro en el cálculo de los mismos.
Espigones construidos en la ribera izquierda del río Matina; recién ha ocurrido un evento importante y puede notarse la depositación de sedimentos en la cara de aguas abajo de los espigones. Aún así estos espigones requieren de un poco más de altura y longitud para cubrir eventos con un mayor período de retorno.
Espigones construidos en la ribera izquierda del río Banano; el objetivo era alejar el flujo de la ribera sin embargo el anclaje falló y el flujo los penetró por el anclaje lo cual aumentó el problema de socavación en la margen izquierda
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Espigones construidos en la ribera derecha del río Zent con el objetivo de alejar el flujo de la ribera, y posibilitar la sedimentación para restituir los valores del banco y evitar la erosión en el mismo.
203.04 excavación no clasificada. 203.08 excavación de préstamo. 203.10 construcción de pedraplenes sin control de densidad y sin la observancia del contenido de humedad. 203.11 aceptación. 706.04 conformación de la superficie de fundación. 706.05 ( b) suministro y colocación de bloques articulados. 706.08 condiciones específicas para el recibo y tolerancias.
203 (2) 203 (3)
Excavación común Excavación no clasificada
Metro cúbico Metro cúbico
203 (4) 203 (6)
Excavación en fangos o escombros Excavación en canales
Metro cúbico Metro cúbico
203 (7) 203 (8)
Excavación de préstamo caso 1 Excavación de préstamo caso 2
Metro cúbico Metro cúbico
205 (1) 205 (4)
Excavación para estructuras Excavación ordenada debajo de la cota de planos
Metro cúbico Metro cúbico
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706.05 (b) Suministro y colocación de bloques articulados.
Metro cuadrado
706.05 (b) Suministro y colocación de gaviones.
Metro cúbico
Bridge Scour and Stream Instability Countermeasures en: Hydraulic Engineering Circular N° 23, publication N° HI 97-030, Julio 1997 Maza Álvarez José, 1999, Manual de ingeniería de ríos, Editorial UNAM. Martín, Juan, 2003. Ingeniería de Ríos. Mc Graw Hill. Novak P. y otros, 2001, Estructuras Hidráulicas, Mc Graw Hill. Especificaciones Generales para Caminos Carreteras y Puentes,. CR 2002 Informes del comportamiento de los espigones del sistema fluvial del río Matina, Ing. Jorge Álvarez M, 2005 y 2006, Dirección de obras Fluviales. Especificaciones para la construcción del proyecto Citalá, El Salvador, 1999, EURO ESTUDIOS.
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