L A I V U L F A C I L U A R D I H
S E C U A C E D N O I C C E T O R P
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
Nombre del profesor: Ing. Francisco Nicolás Nájera Blanco Presenta: Vázquez López Erik Alejandro Zapata Trujillo Oscar Ramírez Camacho Alejandro Salas Cruz Edgar
PROTECCIÓN DE CAUCES ÍNDICE
I.
Introducción
II. Protección externa o fuera del cauce II.1 Presas pequeñas II.2 Presas rompe picos II.3 Balsas reguladoras
III. Protección interna o en el cauce III.1 Escolleras III.2 Espigones III.3 Gaviones III.4 Bordos III.4.1 Fallas III.4.2 Control de fallas III.5 Barreras naturales III.6 Formación del cauce III.7 Dragado
Bibliografía
I. INTRODUCCION
E
s bien conocido que desde los tiempos más remotos el hombre ha tendido a asentarse en las riberas de los ríos, de forma que las primeras grandes civilizaciones se han desarrollado en los valles adyacentes a cauces fluviales importantes. Esta realidad histórica es fruto de la fertilidad de las llanuras aluviales y de su fácil acceso, que las hacen susceptibles de ser cultivadas y explotadas eficientemente; además, los propios ríos eran fuente de alimentos y agua, a la vez que servían como un eficaz medio de comunicación. En todos estos lugares, con el fin de proteger a los habitantes y bienes de las zonas afectadas, se ejecutaron numerosas obras –desde presas y encauzamientos hasta cauces de derivación de avenidas –, pero lo cierto es que ha sido solamente en la última mitad del siglo XX cuando se han realizado acciones realmente efectivas, debido, probablemente, a la ausencia previa de procedimientos constructivos suficientemente potentes y, sobre todo, al hecho de que los medios económicos que es necesario emplear tienen una dimensión tal que solamente pueden ser movilizados por el Estado, al considerar estas obras de interés general. El objetivo fundamental de las obras de protección que se realizan en los cauces es impedir la erosión de sus márgenes originada por la excesiva velocidad del agua, que tiende a arrastrar el material ribereño; es evidente que si este proceso se produce en situaciones de régimen hidráulico normal, mayor será el peligro de erosión durante las avenidas e inundaciones. Se incluyen en este grupo únicamente obras localizadas, como son, por ejemplo, la protección de curvas, obras de cruce o zonas de materiales débiles, cuyo colapso acarrearía la inundación de los tramos adyacentes, porque cuando es preciso proteger todo un tramo del río se recurre a la corrección de su régimen mediante los procedimientos ya analizados y/o los encauzamientos totales. Dado que, como se ha dicho, este método se aplica en puntos localizados, es especialmente especialmente interesante para proteger algunas poblaciones y, singularmente, las vías de comunicación. Conviene tener en cuenta que en un cauce natural siempre se producirán erosiones en determinados puntos; sin embargo, esto no significa que sea preciso proceder a su protección, a menos que el fenómeno de
degradación consiguiente sea muy rápido, pueda producir cambios en el régimen hidráulico del río o el problema afecte a puntos singulares (puentes, obras de toma, etc.) que no admitan erosión alguna. En definitiva, puede establecerse que estas obras de protección tienen por objeto evitar la erosión de zonas localizadas mediante obras singulares y partiendo del supuesto de que no es posible, al menos económicamente, eliminar el problema disminuyendo la velocidad del agua. agu a. Los métodos constructivos que se utilizan no son, en general, de gran sofisticación técnica y se basan en el empleo masivo de materiales que se puedan encontrar in situ; solamente cuando el punto a proteger es una obra costosa, o de gran importancia desde el punto de vista del servicio público (puentes, derivaciones, etc.), se emplean los materiales y técnicas constructivas más desarrollados y no es raro, en estos casos, acudir al empleo de pantallas de tablestacas metálicas, pantallas continuas construidas mediante empleo de lodos tixotrópicos, pantallas de pilotes secantes, tierra armada, plásticos especiales o geo-compuestos, etc. En el caso más común, es decir, cuando se trata de proteger una curva donde la velocidad del agua, para caudales medios, supera a la crítica de arrastre del material de la margen, los métodos de protección normalmente utilizados consisten en máscaras superficiales y en espigones. El carácter de obras puntuales que tienen este tipo de actividades las convierte, generalmente, en poco agresivas hacia el ambiente y de pequeña influencia sobre los ecosistemas del río. En función de la manera que es manejada la corriente, se pueden definir tres grandes tipos de obra:
Obras de regulación Obras de rectificación Obras de protección
II. PROTECCION EXTERNA O FUERA DEL CAUCE Estas acciones consisten en la construcción de obras que intercepten directamente el agua de lluvia o la que escurre por los cauces para almacenarla en un área previamente seleccionada. Este grupo de estructuras está integrado fundamentalmente por presas (de almacenamiento, rompe picos, etc.) y cauces de alivio (permanentes o temporales) que permiten almacenar temporalmente temporalmente toda o al menos una parte de la creciente generada en la parte alta de la cuenca tributaria y posteriormente descargarlas descargarlas de forma controlada. II.1 Presas pequeñas Son estructuras que pueden ser construidas de forma escalonada a lo largo del cauce, utilizadas para la corrección y estabilización de los torrentes con el fin de regular el flujo del agua y los sedimentos transportados. El poder destructivo del flujo del agua y los sedimentos que anteriormente se precipitaban pendiente abajo por el cauce natural queda muy disminuido o eliminado al ser transformado en otro de menor velocidad, que va disipando gradualmente su energía en las caídas sucesivas a lo largo del torrente en construir un sistema de presas pequeñas a lo largo del cauce se conoce también como presas de retención de sedimentos.
Fig. 1 Estabilización de un torrente con presas pequeñas escalonadas
Mediante la construcción de presas escalonadas es posible controlar la denudación, erosión y degradación que caracteriza a muchas cuencas cuencas de montaña obteniendo con el tiempo un estado de equilibrio, reforestación y estabilidad general. La construcción de presas pequeñas escalonadas a lo largo del cauce es solamente una parte muy específica de las labores y acciones que se requieren para lograr la recuperación y estabilización integral de una determinada cuenca por lo que deben combinarse con la utilización de técnicas biológicas y la ejecución de otros trabajos en las cuencas y en los cauces. Estas presas deben ser construidas preferentemente aguas abajo de ampliaciones de valle torrencial, para contar así con una u na mayor capacidad de almacenamiento de sólidos.
Fig. 2 Presa de retención de sedimentos
Consideraciones generales Es recomendable que al seleccionar el periodo de retorno de la avenida para diseñar este tipo de obras se considere la aportación de sedimentos de la cuenca tributaria, con la finalidad de conseguir un buen funcionamiento durante la vida útil de la obra (comúnmente el Tr≥50
años) y no se presenten problemas relacionados con una disminución significativa en la capacidad estimada durante la etapa del proyecto.
Debido a que son estructuras relativamente bajas, pueden diseñarse considerando descargas por encima del cuerpo de la cortina, por lo que esta debe ser de concreto concreto o bien formarse a base de gaviones. gaviones.
Fig. 3 Esquema de una presa retenedora de azolves
II.2 Presas rompe picos El objetivo de este tipo de estructura es regular las avenidas que se generen a lo largo del cauce sobre el que están construidas. Normalmente se emplean en corrientes pequeñas y su principal característica es la poca altura de su cortina y consecuentemente su reducida capacidad de almacenamiento. De acuerdo con las características antes mencionadas, la ventaja más clara se observa en los costos relativamente bajos, haciendo factible la proyección de sistemas en cascada (cuando la capacidad de regulación sea relativamente grande y se advierta la necesidad de construir dos o más presas, o bien cuando la topografía de la zona en cuestión sea demasiado plana y sea inevitable usar varias estructuras); sin embargo, el control de la crecida se lleva a cabo reteniendo por corto tiempo los volúmenes embalsados sin posibilitar el aprovechamiento de los mismos.
Fig. 3 Disposición de presas rompe picos
Consideraciones de diseño
Cortina: Generalmente, funciona como cortina vertedora, por lo que debe ser de concreto o mampostería, su diseño sigue las especificaciones tradicionales de estabilidad de una cortina convencional y su altura está en función de la avenida de diseño y de la topografía (que define la capacidad del embalse). Si por condiciones topográficas no es posible la construcción de una presa para regular las avenidas esperadas, será necesario pensar en dos o más, cuya capacidad cumpla las condiciones requeridas. Cimentación: Al igual que en cualquier cortina convencional, las condiciones geológicas marcan la pauta respecto a la construcción de la estructura, por lo que su desplante deberá realizarse preferentemente en roca; en caso adverso, será necesario relocalizar el sitio del proyecto.
Fig. 4 Alternativa para el arreglo de presas rompe picos
Vertedor: Puede colocarse en la parte baja de la cortina (como conductos), en la parte superior como vertedor o diseñarse una combinación de ambas. En cualquier caso se diseña para desalojar la avenida máxima esperada, en general, esto no tiene mucha importancia ya que los materiales mismos con los que está construida la cortina permiten el paso del agua por encima del cuerpo de la misma sin causar daños de consideración.
Fig. 5 Alternativas para obra de excedencias de presas rompe picos
Una desventaja de este tipo de estructuras es el probable incremento del hidrograma de la avenida, aguas abajo del sitio de la obra, aunque es difícil, no debe descartarse que se presenta esta condición: la mayor amplificación del hidrograma sucede cuando coinciden el gasto máximo de la avenida regulada por la presa y el de la avenida que escurre por algún afluente. II.3 Balsas reguladoras Las balsas suelen ser tronco-piramidales inversas. Su geometría se define conocida la morfología del terreno, el material de impermeabilización a disponer. El objetivo principal de la balsa es equilibrar la oferta con la demanda de agua, ya sea para riego, abastecimiento o control del flujo de un cauce. Para realizar esta función las balsas son las obras que más fáciles resultan para construir por la iniciativa privada, al tener menos coste que la presa. Debido a esto su construcción se ha difundido mucho por todo el mundo. Para conseguir la impermeabilidad de la balsa se puede usar: Materiales naturales como la arcilla. Será necesario disponer de tongadas de arcilla. Es el mejor material si existe en las proximidades. A veces se usa otro material en los taludes que sea más resistente. Materiales artificiales:
Aglomerado asfáltico: Su coste es alto. Se usa en taludes de 1/1'80 o incluso 1/1'60. Pantalla de hormigón armado Láminas sintéticas delgadas: Son las más usadas y estudiadas. Son un conjunto de productos derivados de los polímeros sintéticos que se conocen más comúnmente como geosintéticos.
Fig. 6 Balsa hidráulica utilizada para sistema de riego
III. PROTECCION INTERNA O EN EL CAUCE Obras de rectificación: Su función es facilitar la conducción rápida del agua por su cauce, dragando ríos para conservar o incrementar su capacidad, algunas de las estructuras que forman parte de este grupo de obras son: la rectificación de los cauces (por medio de la canalización o el entubamiento de los ríos), o bien el incremento de la pendiente (mediante el corte de meandros). Obras de protección: protección: Confinan el agua dentro del cauce cauce del río (bordos longitudinales a lo largo del río) o bien evitar que la inundación alcance poblaciones o zonas de importancia (bordos perimetrales). III.1 Escolleras La escollera es uno de los materiales más utilizados en ingeniería fluvial. La escollera (o enrocado) es la unidad formada por agrupación de elementos pétreos naturales, generalmente procedente de cantera. Los elementos o escollos se colocan sin ligante, de manera que la unidad no es monolítica. Su estabilidad se debe al peso propio de los escollos y a su imbricación. Con escolleras se pueden formar estructuras independientes cuyo funcionamiento es por gravedad, como por ejemplo espigones o traviesas, así como también a veces diques longitudinales. Lógicamente son estructuras permeables y de poca resistencia ya que no existe monolitismo. Por esa última razón, el mayor uso de la escollera no es como estructura independiente sino como revestimiento, protección o defensa de otra estructura, como es el caso de un dique longitudinal de tierras impermeable o la orilla de un cauce cualquiera. La escollera se utiliza mucho como protección local ante un riesgo especial de erosión.
Una de las ventajas de la escollera es su flexibilidad como conjunto o agrupación. Esta virtud se manifiesta por ejemplo ante un descenso del fondo del cauce por erosión o ante el asiento en un dique. Estas acciones pueden no conducir a un fallo de protección de escollera porque los elementos se reacomodan, se desplazan un poco, y el conjunto bascula o se ataluza para adaptarse a las nuevas condiciones. En una obra monolítica un descenso de la cimentación o un asiento pueden llevar a una rotura. Una inconveniencia de la escollera es que su superficie macro rugosa engendra turbulencia. Por su origen en cantera la granulometría de la escollera no es uniforme. Además, para imbricación y funcionamiento conjunto es conveniente una cierta variedad de tamaños. Desde un peso del orden del 5 kg se prefiere determinar el tamaño por peso en lugar de hacerlo por tamizado. t amizado. La granulometría exigida a una escollera suele expresarse como un huso granulométrico o franja de tolerancia, dado en peso, donde P es el peso característico obtenido del cálculo del tamaño. Tal huso granulométrico asegura una permeabilidad alta de la escollera, es decir la ausencia de presiones intersticiales. Se pueden llamar escolleras pesadas a las formadas por unidades de más de 300 kg de eso y escolleras ligeras a las menores. Las escolleras mayores de 6000 kg son infrecuentes en obras fluviales. Por otra parte, la adaptación de un proyecto al material asequible de una cantera puede significar un gran ahorro. Así, antes de proyectar una escollera, conviene conocer las canteras y el producto que pueden dar, sobre todo si es una gran unidad de obra.
Fig. 7 Uso granulometrico de una escollera
La roca debe cumplir ciertas características intrínsecas intrínsecas susceptibles de un plan de ensayos de control de calidad. Las propiedades importantes son:
La densidad de la roca, pues la cualidad esencial de cada elemento es su peso; se puede determinar por un u n ensayo hidrostático; el peso específico más común es de 2.65 T/m 3. La fragilidad o susceptibilidad a la rotura por lugares débiles, pues durante la puesta en obra sufrirá golpes; se puede realizar un ensayo de caída, soltando el escollo desde 3m de altura sobre otros bloques cúbicos que descansan en grava, o bien un ensayo no destructivo. La resistencia a la meteorización, muy importante para la integridad y durabilidad de la escollera.
Es importante la forma, pues debe evitarse los elementos planos. Un criterio es que el índice de planicie (a+b)/2c, con a, b y c los tres ejes de elipsoide, debe ser menor o igual que 2.
Fig. 8 Forma del escolto
En el proyecto de una protección de escollera hay que prestar atención a la cimentación. Una protección puede fallar por mal dimensionamiento (peso escaso) pero quizás es más frecuente que falle derrumbándose, por haber quedado descalzada debido a la erosión del lecho junto al talud. Un talud de escollera debe continuar enterrado en el cauce hasta la profundidad adecuada frente a la erosión. Esta profundidad se estima según los métodos de cálculo de erosión potencial, tomando en cuenta al menos la erosión general y la erosión en curva. Una buena cimentación es un pie de escollera, cuya extensión estaría en consonancia con la erosión calculada, usando un ángulo de reposo del material (30 a 40° para arenas
y gravas). En regiones en que el suelo tiene muy poca capacidad portante ha sido necesaria la cimentación profunda de la escollera, por ejemplo con pantallas o pilotes. Cuando el cauce es desbordable conviene reforzar también la cabeza para evitar daños.
Fig. 9 Características de una protección de escollera. La cifra 0.27y seria sin considerar erosión general y para una recta de un cauce principal (acción permanente de las aguas)
Está comprobado que la efectividad de una protección de escollera depende en gran medida del espesor o grosor de la protección. Como criterio práctico una escollera debe estar formada por al menos dos capas de elementos. La escollera necesita un filtro para impedir la migración y pérdida de material del substrato bajo la acción hidrodinámica. La pérdida del substrato significara que la escollera se iría hundiendo, por ejemplo en el fondo de un río, perdiendo así su utilidad. Se pueden usar filtros granulares o sintéticos, pero en este caso cuidando de evitar el punzonamiento por los vértices o aristas del escollo. En el caso granular, se deben aplicar las llamadas “condiciones de filtro” a las granulometrías de las dos parejas de materiales: el lecho natural y el filtro granular (más grueso) por un lado, y el filtro granular y la escollera por otro. Estas condiciones se describen: D 50/d50<40, 5
III.2 Espigones Los espigones son diques no longitudinales sino transversales a la corriente, implantados en la orilla y con una ligera pendiente de su coronación hacia el eje o centro del cauce. Su efecto es desplazar las aguas y el más hondo hacia el centro. Normalmente son más bajos que las orillas del cauce principal, de modo que quedan sumergidos bajo las aguas altas. Pueden ser permeables (abiertos) o impermeables (cerrados). La circulación de las aguas altas es un tanto dificultada por los espigones. Por ello puede haber una cierta de capacidad hidráulica, pero al mismo tiempo se tiene como beneficio la tendencia a la sedimentación de finos en los espacios entre espigones, que reduce poco a poco la anchura del rio y forma un cauce principal estable y único (no trenzado). Esta cualidad de los espigones de promover la sedimentación solo se cumple si el rio es de pequeña pendiente y transporta abundante material solido en suspensión. Como obra gradual, los espigones se pueden prolongar, así como intercalar otros nuevos según sea el afecto conseguido.
Fig. 10 Planta y sección de la implantación de espigones en el cauce principal de un rio trenzado
Mediante espigones puede conseguirse también formar un cauce de d e aguas bajas inscrito en uno de aguas altas más ancho y uno de aguas altas
inscrito en uno de avenidas más ancho. En este caso la orilla del cauce menor no está fijada por medio de una obra longitudinal resistente sino solo por puntos, pero a cambio la tendencia a la sedimentación fuera del cauce menor aumenta. Los mismos resultados pueden conseguirse combinando obras longitudinales y transversales sumergibles, sucesivamente o también simultáneamente y también se extienden a la rectificación de curvas demasiado angulosas y la restauración de márgenes destruidas. Al conjunto de estas prácticas se le conoce como método de Girardorf.
Fig. 11 Fijación de un cauce menor inscrito en uno mayor por medio de espigones
Fig. 12 Ejemplos de posibles combinaciones de diques longitudinales y espigones
Al definir un cauce principal se busca darle al río un trazado de suaves curvas alternadas. alternadas. Si se acierta acierta con estas curvas, curvas, las obras en la orilla interior o convexa no son necesarias. En este sentido, podemos decir que en general la orilla cóncava es la guiadora de la corriente. Si no lo es, porque la margen se separa de la corriente, tampoco los espigones o los diques longitudinales en la margen serían efectivos para guiar, pero si otros “convergentes” que la acompañen y la guíen . En esta función las obras se pueden llamar deflectores.
Fig. 13 Uso de espigones y diques longitudinales para formar suaves curvas alteradas alteradas
III.3 Gaviones Los gaviones consisten en un recipiente, normalmente en paralelepípedo, de alambre relleno de cantos. Su antecedente son los cestones hechos de fajinas y rellenos de guijarros. En los lugares que no existe o es caro conseguir roca, esta es la manera más ingeniosa de aprovechar el material de gravera, formando unidades de mayor peso. Con los gaviones se construyen estructuras capaces de resistir por gravedad, formadas por hiladas de paralelepípedos apoyas unas con otras. La dimensión típica y estandarizada del gavión es de 1 m x 1m en sección transversal y de 1 a 4 metros de longitud. Estas se llaman gaviones de cuerpo. Los gaviones de altura de 0.50m se llaman gaviones de base porque se utilizan como cimentación, zócalo o base del conjunto. La tercera modalidad de gaviones, de solo 0.20 o 0.30 m de altura, llamados también corazas o gaviones de revestimiento, se emplean en alineaciones de recubrimiento o revestimiento sin carácter de estructura de gravedad. g ravedad. Los gaviones son elementos permeables. Para evitar la pérdida el substrato y el hundimiento del gavión es preciso un filtro. La fábrica de gaviones es una estructura moderadamente flexible que puede adaptarse a pequeñas erosiones del cauce o asientos del substrato. Para la profundidad de la cimentación de la fábrica de gaviones y para el filtro se puede seguir los mismos criterios del apartado anterior.
Fig. 14 Características de una protección con gaviones, combinando sus tres modalidades
El espesor del gavión de coraza debe ser aproximadamente 2 D 50, siendo D50 el tamaño del material contenido en el. Para dimensionar el espesor se calcula la tensión critica del material D50 y se admite que la malla del gavión tiene el efecto de duplicar la tensión critica ( ) necesaria para arrastrar la partícula. La coraza todavía admite una velocidad del orden de un 20% mayor, una vez superado el criterio anterior, porque el material se mueve deformando la malla. Para esta resistencia complementaria son muy útiles unos diafragmas perpendiculares a la dirección de la corriente.
Fig. 15 Gavión de coraza con diafragmas y corte longitudinal de un gavión deformado
El recipiente del gavión es una malla de alambre galvanizado. El alambre puede tener un recubrimiento de PVC para mayor protección. Las amenazas para el alambre son la corrosión en aguas agresivas y la abrasión en aguas con transporte de arena, así como el vandalismo. En obras de gaviones de habla de una vida (por ejemplo de 25 años) pues no es una obra permanente, pero tampoco una obra temporal. El alambre se trenza en mallas hexagonales con triple torsión, de 6 a 12 cm de paso de
malla, trenzado con la propiedad de no deshilacharse en caso de corte de un alambre.
Fig. 16 Malla de un gavión
III.4 Bordos
Fig. 17 Terminología de los bordos
Generalmente son terraplenes, de arcilla cuyo objetivo es proteger vidas humanas y zonas de interés social o industrial contra las sobreelevaciones del nivel del agua en el cauce de inundación. Su diseño es semejante al de pequeñas cortinas de tierra, pero la principal diferencia es que los bordos retienen agua solo por los periodos cortos de tiempo (días o cuando mucho semanas). Consideraciones generales Su alineamiento debe seguir la configuración de la zona por proteger, debe tomarse que los drenes o cualquier tipo de excavación no deberá practicarse al pie de sus taludes, ya que incrementa la posibilidad de inestabilidades del mismo.
Es importante tener presente que así como el bordo es una barrera que evita el desbordamiento del río al impedir el paso del agua que esté hacia las zonas protegidas, también representa un obstáculo para el desalojo del agua que cae dentro de la zona protegida, motivo por el que es necesario contar con un sistema de drenaje capaz de evitar que dicha zona se inunde por la lluvia que cae en ella. Este tipo de estructuras puede clasificarse de acuerdo con la forma de proteger la zona de interés en: bordos longitudinales o perimetrales. Los problemas que se enfrentan durante su diseño y construcción varían de un proyecto a otro; no obstante, un diseño adecuado requiere de una serie de estudios y actividades que se mencionan a continuación:
Estudios geológicos. Su finalidad es conocer las condiciones geológicas del terreno para identificar los posibles problemas para enfrentar durante el diseño, construcción y operación de la estructura o bien relocalizar trazos de trayectorias alternativas. Estudio preliminar de las condiciones del sitio. Con este estudio se identifican los posibles bancos de materiales para explotarlos durante la construcción de la obra. Exploración final. El objetivo es definir de manera más precisa el perfil estratigráfico del subsuelo por donde será desplantado el bordo, además de proporcionar información detallada referente a las áreas del préstamo. Se lleva a cabo una primera estimación de la geometría de las secciones transversales de los terraplenes así como las condiciones de la cimentación. Propuesta de secciones típicas. Se definen longitudes de tramos con altura similar, condiciones de desplante afines y el mismo material de relleno con la finalidad de trazar una sección representativa de cada tramo. Flujo subterráneo y a través del terraplén. Para cada sección transversal se llevara a cabo el estudio del flujo (por debajo y a
través de esta), la estabilidad de sus taludes y los posibles asentamientos.
Identificación de zonas problemáticas. Se identifican cuales son las zonas que requieran un tratamiento especial para mejorar las condiciones de desplante de los bordos. Definición de secciones típicas. Una vez realizados los análisis anteriores se definen las secciones típicas para cada tramo. Volúmenes de obra. Una vez determinada la geometría de las secciones se procede a cuantificar el material necesario para la construcción. Zonas de préstamo. Los bancos de materiales se ubican en función de los volúmenes requeridos. Protección de terraplén. De ser necesario se diseña la protección requerida por el terraplén.
Si los estudios antes descritos se realizan durante las etapas de diseño y construcción, las posibilidades de que se presente una falla en la obra son mínimas, sin embargo, no se tiene la certeza de un diseño exitoso al 100% por lo que el URBR (United States Buerau of Reclamation) recomienda una intensa campaña tanto en campo como en laboratorio (las pruebas más importantes son las de esfuerzos, consolidación y compresión, contenido de agua e identificación de materiales) cuando se detecte cualquiera de las condiciones siguientes:
La falla del bordo ocasiona grandes pérdidas, de vidas o daños materiales. Los bordos tengan una altura mayor de 4 m. La zona de desplante es débil y compresible, el terreno muy variable a lo largo del alineamiento se tenga problemas de flujo subterráneo. El agua este en contacto con el terraplén por largos periodos de tiempo. Los bancos de préstamo sean de baja calidad o el contenido de agua sea alto.
Existan estructuras de concreto en algún sitio por donde pasara el bordo.
III.4.1 Fallas Las causas de falla más comúnmente detectadas en bordos son:
Desbordamiento del bordo. Cuando el agua pasa sobre la corona del bordo puede erosionarse el talud del lado seco e incrementarse hacia la corona, hasta producir una abertura en el terraplén. Erosión del terraplén del lado húmedo. Para que este problema se presente es necesario que el flujo se concentre y el terraplén carezca de protección. En ocasiones el río se desplaza lateralmente llegando hasta el pie del talud, por lo que de continuar la erosión la falla del talud es inevitable. Deslizamiento de taludes por saturación. Generalmente se debe a un diseño inadecuado, un mal control de calidad durante su construcción, o bien, por no tomar en cuenta las condiciones de la cimentación. Turificación. Su formación es debida a filtraciones a través del cuerpo del terraplén o su cimentación. Consiste en el establecimiento de un flujo capaz de arrastrar las partículas del material con lo que se forma un conducto que avanza de aguas abajo hacia aguas arriba. El fenómeno descrito es muy lento al principio pero se acelera conforme pasa el tiempo. Las principales causas que originan este problema son: a) deficiencia en el diseño, b) causas ajenas al diseño
Hundimiento. Se presenta debido a una compactación deficiente del terraplén o consolidación y falla de la cimentación, disminuyendo la elevación de la corona por lo que aumenta la posibilidad de que el bordo sea rebasado.
Erosión debido a la lluvia. Este problema solo se presenta ante una falta de las medidas mínimas de conservación y supervisión o bien cuando el bordo no cuenta con protección exterior (la corona no está revestida y no se coloquen bajadas de agua).
Fig. 18 Principales fallas en bordos
III.4.2 Control de fallas Una vez realizado un buen diseño y una adecuada construcción para asegurar el cumplimiento de sus objetivos, un bordo debe ser revisado frecuentemente. Dentro de este tipo de medidas se consideran las siguientes.
Nivelaciones periódicas de la corona. El objetivo de realizar esta actividad consiste en localizar oportunamente cualquier asentamiento para efectuar la re-nivelación antes de la siguiente temporada de lluvias. Revisión de los taludes. Su finalidad es observar y determinar las posibles zonas erosionadas, daños en la coraza de protección o cualquier otro problema que deba ser solucionado.
Bordos perimetrales Como se mencionó, la tendencia natural es crear un asentamiento cerca de corrientes naturales, por lo que la solución más común para proteger dichos centros de población consiste en rodearlos parcial o totalmente con bordos, dependiendo de la topografía local, la ventaja consiste en que es la solución más económica además de no alterar el nivel de los escurrimientos.
Fig. 19 Arreglo general de bordos perimetrales
Consideraciones de diseño
La altura del bordo se define con base en los niveles máximos registrados, a esa cota máxima se agrega un bordo libre de uno a dos metros, esto dependerá fundamentalmente de la confianza que se tenga en los datos, en caso de existir alguna estación de aforo, se trabajara con la información que de ella se tenga.
Una vez definida la construcción de la obra, desde el inicio de los trabajos, la corriente deberá instrumentarse (colocando algunas escalas y garantizando su aforo). El objetivo de esto es obtener valores que permitan calibrar cualquier modelo de simulación que se utilice posteriormente. posteriormente. El ancho de la corona deberá permitir el tránsito de un vehículo, lo que implica proporcionar un mínimo de 3m. Debido a que el bordo es una frontera entre el poblado y el rio, el agua de lluvia que carga dentro de la zona confinada deberá ser drenada.
Fig. 20 Alternativas para drenar áreas protegidas con bordos
La figura 20 ejemplifica las soluciones viables de drenaje, dependiendo del volumen de escurrimiento que se espere.
Volumen de escurrimiento poco considerable. Cuando el volumen de la avenida estimado sea relativamente pequeño, deberá construirse un deposito comunicado con el rio por medio de una
tubería que pase por debajo del bordo (a una profundidad no menor de 1.5 veces el diámetro de la misma) y que cuente con una compuerta para desalojar el agua almacenada una vez que baje el nivel del rio y se cierre cuando este suba.
Volumen de escurrimiento considerable. Por otra parte, cuando el volumen estimado sea considerable, se construirá un tanque con una estación de bombeo dimensionado en función del gasto máximo esperado en cuyo caso el agua recolectada será reincorporada a la corriente.
Bordos longitudinales Como su nombre indica son estructuras que se construyen a lo largo de los márgenes de la corriente y al confirmar el agua entre ellos (los bordos), protegen simultáneamente varias poblaciones así como grandes extensiones de terrenos agrícolas. Las inundaciones se evitan al confinar los escurrimientos dentro de secciones más estrechas que las naturales, por lo que se produce una sobreelevación sobreelevación del nivel del agua (con respecto a las condiciones naturales); además, al no permitir desbordamientos la avenida se traslada hacia aguas abajo. Consideraciones de diseño Como en la mayoría de obras de infraestructura el costo total de la obra es un aspecto fundamental por considerar durante su diseño, este concepto está en función de las cantidades de obra, de la disponibilidad de materiales y de la facilidad de transportación de los mismos. A continuación se mencionan los principales factores que deberán ser considerados.
Áreas de préstamo. Por principio de cuentas, el material de cualquier banco por considerar, debe reunir las características adecuadas para su utilización en la construcción de los bordos. Una vez tomado en cuenta este factor, el siguiente punto por considerar para su elección, es la facilidad de acceso y la distancia al sitio de la obra.
Gasto de diseño. Esta variable en función del periodo de retorno, que depende de la importancia de la obra y los posibles daños en caso de desbordamiento. Tabla 1. Periodo de retorno para avenidas en diferentes obras de protección
Separación entre bordos. Los bordos longitudinales se ubicaran en planta a lo largo de los márgenes procurando ser paralelos entre si y estar lo suficientemente separados para lograr la menor altura de los mismos. En caso de encontrar meandros sobre el cauce, todos ellos deberán quedar entre ambos bordos.
Fig. 21 Arreglo general utilizando bordos perimetrales
Durante la etapa de diseña deben estudiarse opciones con diferentes separaciones (resultando distintas alturas de bordo) para que al comparar el costo total de las obras contra los beneficios de cada propuesta se cuente con los elementos suficientes para realizar la selección mas adecuada (mayor separación implica menor altura y viceversa, sin embargo una mayor separación implica mayores indemnizaciones.
Longitud de los bordos. Cuando la longitud del bordo es considerable, conforme la corriente escurre a lo largo de su recorrido, se incorporar afluentes por lo que posiblemente sea necesario aumentar la altura de los bordos conforme se avance hacia agua abajo, no obstante en la mayoría de los casos la altura se mantiene casi constante sobre la planicie. Por otra parte, cualquier error del proyecto (diseño, construcción, operación, etc.) causara afectaciones, sobre todo en el tramo ubicado inmediatamente aguas abajo del término de la protección, por lo que las zonas que antes no tenían problemas de inundaciones podrían verse afectadas. En el caso cuando solo se protege un margen los daños no son tan notables ya que la zona del lado sin protección seguirá inundándose pero con niveles mayores por lo que será necesario revisar la posible inundación de nuevas zonas. Rugosidad del cauce. Este parámetro influye en gran medida en el cálculo de la altura de los bordos ya que de acuerdo con la teoría del flujo uniforme, la velocidad media es inversamente proporcional a este parámetro. Cuando el rio lleva agua todo el año no es posible
hacer nada para disminuir la rugosidad mientras que si no tiene agua durante algunos meses puede remover la vegetación que crece dentro del cauce ya que su presencia aumenta la rugosidad asimismo, debe evitarse la colocación o construcción de obstáculos que dificulten el paso del agua o en el peor de los casos, si ya existen tomarlos en cuenta durante la etapa de diseño.
Altura de los bordos. Se ha mencionado que la selección de su altura está en función de un análisis económico. Una vez definido el trazo inicial deberá obtenerse la elevación del agua antes y después de construir las obras, de acuerdo con las variantes siguientes. o o o
En condiciones naturales (sin bordos) Con bordo en un solo margen Con bordos en ambos márgenes
Drenaje de la planicie. Así como los bordos evitan el desbordamiento del rio al paso de una avenida, también son una frontera que impide que el agua llovida sobre la planicie y sus arroyos retorne al rio, por lo que un adecuado proyecto para este tipo de obras debe incluir un drenaje acorde con sus condiciones particulares.
Fig. 22 Drenaje de corrientes tributarias
Avenidas mayores a la de diseño. Puesto que el dimensionamiento de estas obras se realiza para un gasto máximo cuya estimación no deja de tener cierto grado de subjetividad (es imposible proteger al 100% la zona de interés ya que resulta excesivamente costoso), se deben establecer los procedimientos a seguir cuando se presente una crecida que sobrepase la de diseño. Más aun, deben identificarse uno o varios tramos del bordo para que en este caso necesario el agua vierta sobre ellos e incluso sea relativamente fácil romper el bordo y así el resto de d e la obra pueda soportar la crecida y solo afecten zonas en que las perdidas sean menos graves, preservando así otras muy pobladas o de alto interés económico. Por otra parte el proyectar las estructuras debe tenerse en cuenta la situación siguiente: la gente confía plenamente en que la obra soportara cualquier contingencia por lo que deja de lado las precauciones mínimas de seguridad, por lo mismo el desarrollo de la zona protegida crecerá y en caso de ocurrir una falla de la estructura la avenida se presentara con una mayor rapidez y alcanzara niveles que ocasionaran daños mayores a los esperados si no se hubiera construido la obra.
III.5 Barreras naturales La vegetación se utiliza en encauzamientos con distintas finalidades, principalmente la renaturalización del río, el uso recreativo o la revalorización paisajística del cauce también y también la protección frente a la erosión. En esta última finalidad hay que destacar que es un medio efectivo y económico. La hierba, en primer lugar, consigue una reducción de la velocidad junto al fondo, es decir una reducción de la tensión tangencial y con ello fomenta también la sedimentación del material fino. En segundo lugar las raíces vegetales en general pueden resistir un esfuerzo de tracción (a modo de armadura del suelo) mientas se ejerce un esfuerzo tangencial sobre el fondo, colaborando en impedir el arrastre. La hierba puede resistir velocidades de 1 a 2 m/seg sin gran dificultad antes de resultar arrancada y especies de mas porte mayores velocidades. Sin embargo, la hierba tolera mal la inmersión prolongada, por lo que se reserva para las
zonas altas de cauces y para las llanuras de inundación. Unas cifras características de resistencia son de 4 m/seg si la acción dura menos de una hora, pero solo 1.5 m/seg si dura dos días. La hierba puede sembrarse o pueden colocarse cepellones crecidos. Hay que segarla para impedir el crecimiento de otras especies.
Fig. 23 Papel de la hierba moderando la acción hidráulica y resistiendo tracciones
La implantación de vegetación no herbácea resulta una medida económica contra la erosión, sobre todo si no necesita mantenimiento. Esto está casi asegurado con especies nativas. En todo caso el éxito de la vegetación depende de que haya sido bien elegida para el clima y el suelo del lugar de manera que no muera ni prolifere o engendre otra vegetación indeseada. Las especies nativas pueden cumplir estas condiciones fácilmente y además el hecho de emplearlas puede acercarnos a una renaturalización. Si se busca poner vegetación arbórea hay que se consiente de la lógica pérdida de capacidad producida por la espesura del bosque de ribera. En sentido contrario la sombra de la l a vegetación arbórea impide el crecimiento de plantas acuáticas (que también crean resistencia al flujo) presentes bajo niveles de aguas permanentes, calmas y soleadas. De todos modos implantar vegetación en lugares donde es importante no perder capacidad hidráulica puede exigir de mantenimiento, limpieza o poda. Las especies de bosque como olmos, fresnos, chopos, álamos, alisos y sauces crecen rápidamente (3 a 5 años) pero en ocasiones se ha abusado de ellas en la renaturalización de ríos. El chopo da lugar a un aprovechamiento forestal muy rentable en las llanuras de inundación, casi un monocultivo en muchos lugares, que obviamente tiene poco que ver con la renaturalización, Una densidad normal en una chopera es de 40m2 por árbol.
Un inconveniente serio de los arboles es el daño que ocurre si la crecida los arranca. Al ser arrancado la erosión del suelo es aguda y el propio árbol como objeto flotante puede obstruir gravemente puentes y pasos o causar mayor inundación. Si el árbol muere ocurren los mismos problemas. En este sentido la vegetación mal elegida o no mantenida puede ser contraproducente. contraproducente. Respecto a las orillas, la vegetación arbustiva o arbórea (como juncos y sauces ofrece un medio de defensa eficaz y económico. La vegetación de orilla no es incompatible con sus defensas de escollera o defensas de gaviones, pues puede crecer en sus intersticios. En particular los sauces son las especies más apreciadas en defensa de orillas. Estas y otras especies se propagan a partir de las estacas, es decir de ramas recién cortadas de las que brotaran raíces y tallos de propiedad biológica muy interesante en defensa de orillas. Con un entramado de estacas y ramaje se forma inicialmente una orilla que al cabo de unas pocas temporadas aparecerá cubierta de vegetación aunque mientras tanto antes de brotar con fuerza, la orilla sea vulnerable. Las estacas vivas clavadas en los intersticios de escollera, gaviones y otros materiales hasta una profundidad cercana al agua sirven precisamente para revegetar esas protecciones.
Fig. 24 Protección de orilla con un entramado de d e estacas vivas
Existe una oferta creciente de productos y tecnologías de revegetación para los encauzamientos. Destacamos las mantas o alfombras prefabricadas orgánicas y la hidrosiembra. Se llaman técnicas de “bioingeniería” al conjunto de estos métodos que usan la vegetación y
materiales vivos.
III.6 Formación del cauce El método consiste en excavar en primer lugar un cauce inicial de pequeñas dimensiones, según la alineación del cauce final que se desea. A ambos lados de él, siguiendo los límites del cauce final buscado, se excavan sendas zanjas rellenadas de escollera. El cauce piloto se deja sin contemplar en sus extremos, para trabajar en exceso en él. Sin embargo, los extremos se rebajan o debilitan para que se desmoronen ante una cierta crecida (a modo de aliviaderos fusibles) o bien finalmente se excavan. El caudal circulante por la corta no llevara al principio caudal solido de fondo del rio (porque el fondo de la corta es más alto) y contara con una mayor pendiente, lo que producirá la erosión progresiva del fondo y de las orillas. orillas. La evolución de la corta es como la de un brazo brazo privilegiado que va capturando caudal y lógicamente afianzándose. Cuando el ensanchamiento alcanza el límite establecido para el cauce deseado, la escollera entra en juego desplazándose, rodando y tapizando el talud frenando el proceso y defendiendo la orilla. La escollera debe ser suficiente en volumen y tamaño para tal fin, mayor la del fondo de la zanja, destinada al lugar más solicitado.
Fig. 25 Formación del cauce de una corta por el propio rio
El ingenioso método de la zanja de escollera se emplea también en defensa de márgenes estableciendo la posición a defender, como una estrategia militar y esperando a que la erosión lateral llegue a ella. De este modo se evita que las protecciones de orilla con materiales duros se vean, manteniendo por el contrario una orilla natural, orilla a la que por otro lado se permite cierta movilidad. Esta movilidad es parte de la vitalidad geomorfológica del rio.
III.7 Dragado El dragado es la excavación de material en el fondo de un rio (en general en un cuerpo de agua). El objetivo de dragar es aumentar la profundidad del agua. Debido a que un río transporta sedimento, particularmente como transporte de fondo, el dragado debe considerarse como una medida temporal. Además si es una medida regular o sistemática y se extrae más de lo que aporta el río, no hay que olvidar que produciría un efecto sobre el equilibrio fluvial, análogo descrito anteriormente a propósitos de la extracción de áridos, es decir la erosión de fondo aguas abajo por déficit de sedimento y una erosión también aguas arriba por el mantenimiento de una cota de fondo baja. En los ríos navegables son frecuentes los dragados de mantenimiento y también los de emergencia, por ejemplo excavado una barra sumergible que está haciendo una ruta impracticable. Si el cauce no es estable y sus orillas no son resistentes, la retirada de una barra puede alterar el flujo y traer cambios en la planta del río. Otra utilidad del dragado en grandes ríos es colaborar en las obras graduales de encauzamiento reduciendo así sus tiempos. En el mismo sentido, puede ayudar a la formación de un cauce por el propio rio, acelerando el proceso. En cuanto el río tiene cierta importancia el dragado se realiza desde el agua. La tecnología del dragado es muy avanzada y excede nuestro propósito, pues frente al dragado en puertos, en costas, en alta mar o en embalses, el dragado en ríos puede ser una aplicación de menor dificultad. Los medios de dragados principales son los mecánicos y los de succión hidráulica. Entre los primeros se encuentra retroexcavadoras, excavadoras bivalvas y excavadoras de cadena de cangilones. La succión hidráulica se realiza por medio de bombas capaces de transportar agua y sedimento, con la ayuda si es preciso de una cabeza cortante o de chorro de agua. El transporte de aguas y sólidos en régimen a presión, aunque diferente, es asimilable al transporte de agua, en el sentido de que puede calcularse su pérdida de carga, potencia de bombeo necesaria, etc.
Fig. 26 Dragado de un cauce
Bibliografía Ingeniera de Rios. Juan P. Martin Vide. Barcelona, España Introducción a la hidráulica fluvial. Arturo Rocha Felices. Perú Manual de Ingeniería de Ríos “Origen y propiedad de los sedimentos”
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Instituto de Ingeniería UNAM García Flores M. y Maza Álvarez J. A. Manual de Ingeniería de Ríos “Transporte de sedimentos” Instituto de Ingeniería UNAM García Flores M. y Maza Álvarez J. A. Electronico: www.proyectosingcivil.blogspot.com Tesinas: Estabilidad de cauces y diseño de d e canales estable. Ricardo Lopez orosco. Mexico. Instituto Politecnico Nacional
