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Gerardo Fracassi Gerardo Fracassi

Defensas Defensas ribereñas ribereñas concon gaviones y soluciones geosintéticos Maccaferri

Fracassi, Gerardo (Traductor) Defensas ribereñas con gaviones y geosintéticos/ Proteção de rios com soluções Maccaferri. Traductor: Gerardo Fracassi. 1a. edición. Bogotá: Ediciones de la U, 2019. 336 p. ; 24 cm. Incluye referencias bibliográficas e índice alfabético ISBN 978-958-762-978-1 e-ISBN 978-958-762-979-8 1. Ingeniería 2. Hidráulica 3. Estabilización 4. Protección contra la erosión 5. Manejo de cursos de aguas I. Tít. 627 cd 24 ed.

Edición original publicada por © Oficina de Textos (Brasil) Edición en español autorizada a Ediciones de la U para todo el mundo.

Título original en portugués: Proteção de rios com soluções Maccaferri Primera edición: Brasil, 2019 Edición Colombia: marzo de 2019 ISBN 978-958-762-978-1

© Maccaferri do Brasil, Av. José Benassi, 2601 - Fazenda Grande, Jundiaí - SP, 13201-970, Brazil, tel. (11) 4525-5000 www.maccaferri.com.br e-mail: [email protected] © Oficina de Textos, Rua Cubatão, 798 CEP 04013-003 São Paulo Brasil tel. (11) 3085-7933 www.ofitexto.com.br e-mail: [email protected] © Del traductor: Gerardo Fracassi, E-mail: [email protected] © Ediciones de la U - Carrera 27 #27-43 - Tel. (+57-1) 3203510 - 3203499 www.edicionesdelau.com - E-mail: [email protected] Bogotá, Colombia

Carátula: Malu Vallim

Diseño y diagramación Maria Lúcia Rigon Correcciones Liliana Canossa Impresión: DGP Editores SAS Calle 63 #70D-34, Pbx. (57+1) 7217756 Impreso y hecho en Colombia Printed and made in Colombia No está permitida la reproducción total o parcial de este libro, ni su tratamiento informático, ni la transmisión de ninguna forma o por cualquier medio, ya sea electrónico, mecánico, por fotocopia, por registro y otros medios, sin el permiso previo y por escrito de los titulares del Copyright.

Sumario

Introducción................................................................................................................................5 1 Historia de los gaviones..................................................................................................7 1.1

Las primeras obras fluviales significativas...........................................................10

2 La morfología fluvial.....................................................................................................16 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

Clasificación de los cursos de agua..........................................................................16 Equilibrio...........................................................................................................................28 Grados de libertad.........................................................................................................30 Erosión..............................................................................................................................37 Transporte sólido...........................................................................................................46 Datos necesarios para el diseño de obras fluviales...........................................53

3 Las intervenciones en un curso de agua............................................................59 3.1 3.2

Tipos y finalidades de las soluciones posibles.....................................................60 Tipo de soluciones.........................................................................................................61

4 Las soluciones usuales y sus aplicaciones......................................................64 4.1

Tipo de soluciones.........................................................................................................68

5 Espigones..................................................................................................................................93 5.1

Características de los espigones..............................................................................94

5.2 5.3 5.4

Dimensionamiento de los espigones.......................................................................97 Espigones en gaviones...............................................................................................122 Espigones permeables construidos con troncos, mallas y cables de acero .... 123

6 Bioingeniería........................................................................................................................125 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6

Beneficios de la bioingeniería para el diseño......................................................129 Consideraciones de diseño.......................................................................................130 Técnicas..........................................................................................................................131 Operaciones para la revegetación..........................................................................152 Protección de las orillas mediante técnicas de ingeniería ambiental ................. 158 Obras de consolidación de la orilla - protecciones del pie..............................159

6.7

Infraestructura verde................................................................................................161

7 Investigaciones..................................................................................................................183 7.1 7.2

Comportamiento de los colchones Reno®...........................................................183 Comportamiento ambiental de las obras en gaviones y colchones Reno®..211

8 Métodos de cálculo........................................................................................................217 8.1 8.2 8.3

Dimensionamiento de los revestimientos...........................................................217 Dimensionamiento del revestimiento con relación al movimiento de las olas.. 248 Dimensionamiento de la sección transversal de los espigones....................249

9 Sugerencias para el diseño de  algunos tipos de estructuras

en gaviones...........................................................................................................................251 9.1 Sección y relación altura/base ................................................................................251 9.2 Estabilidad al vuelco, deslizamiento, presión en la base, presión en los distintos niveles..........................................................................................................252 9.3 Fundación.......................................................................................................................252 9.4 Uso del geotextil.........................................................................................................258 9.5 Durabilidad.....................................................................................................................259 9.6 Empotramiento............................................................................................................269 9.7 Contrafuertes y dentellones....................................................................................270 9.8 Colocación en agua......................................................................................................272 9.9 Adaptación de los gaviones caja y colchones Reno® a la sección de la estructura................................................................................................................. 276 9.10 Tipo de piedras para rellenar los gaviones..........................................................277 9.11 Social...............................................................................................................................281

10 Casos históricos................................................................................................................285 10.1 Río Los Antiguos (Argentina)...................................................................................285 10.2 Río Jolencia (Bolivia)...................................................................................................287 10.3 Santa Cruz (Bolivia).....................................................................................................289 10.4 Río Pauto (Colombia)..................................................................................................291 10.5 Río Naranjal (Ecuador)................................................................................................294 10.6 Río Lempa (El Salvador).............................................................................................296 10.7 Río Little Wekiva (Seminole, Florida, Estados Unidos)....................................298 10.8 Río Cañete (Perú)....................................................................................................... 300 10.9 Río Haina (República Dominicana)..........................................................................301 10.10 Río Blanco (República Dominicana)....................................................................... 304 10.11 Río Inkongweni (Sudáfrica)...................................................................................... 306 10.12 Río Azul (Chubut, Argentina)....................................................................................307 10.13 Río Pescado (Salta, Argentina)................................................................................309 10.14 Río Chimoré (Cochabamba, Bolivia)........................................................................311 10.15 Río Bermejo (Tarija, Bolivia)......................................................................................313 10.16 Río Lempa (Usulután, El Salvador).........................................................................316 10.17 Río Paz (Ahuachapán, El Salvador).........................................................................318 10.18 Río Challuayacu (San Martín, Perú)........................................................................320 10.19 Río Huayabamba (Huicungo, Perú).........................................................................322 10.20 Río Huallaga (San Martín, Perú) .............................................................................323 10.21 Río Huallaga (Picota, San Martín, Perú)...............................................................326

Índice de los símbolos usados............................................................ 329 Referencias bibliográficas.................................................................. 333

62

Defensas ribereñas con gaviones y geosintéticos

Tabla 3.1 (continuación) Gama de SPT

Tipo de suelo

Arcilla limosa poco arenosa (terciario)

Arcilla arenosa poco limosa

Turba/arcilla orgánica

Limo arenoso poco arcilloso (residual)

Módulo de elasticidad (t/m2)

Peso específico (t/m3) Natural

Saturado

Ángulo de fricción efectivo (°)

Cohesión efectiva (t/m2)

0-2

100

1,7

1,8

20

0,75

3-5

100-250

1,8

1,9

23

1,5

6-10

250-500

1,9

1,9

24

2,0

11-19

500-1.000

1,9

1,9

24

3,0

20-30

3.000-10.000

2,0

2,0

25

4,0

≥ 30

10.000-15.000

2,0

2,0

25

5,0

0-2

500

1,5

1,7

15

1,0

3-5

500-1.500

1,7

1,8

15

2,0

6-10

1500-2.000

1,8

1,9

18

3,5

11-19

2.000-3.500

1,9

1,9

20

5,0

≥ 20

3.500-5.000

2,0

2,0

25

6,5

0-1

40-100

1,1

1,1

15

0,5

2-5

100-150

1,2

1,2

15

1,0

5-8

8.000

1,8

1,9

25

1,5

9-18

1.000

1,9

2,0

26

2,0

19-41

15.000

2,0

2,0

27

3,0

≥ 41

20.000

2,1

2,1

28

5,0

Fuente: Joppert (2007).

• Permeabilidad: deben permitir el flujo del agua desde el río hacia el terreno y desde el terreno hacia el río para no provocar alteraciones del nivel de la capa freática en relación a la situación existente. • Flexibilidad y monoliticidad: deben poder absorber eventuales erosiones o asentamientos sin perder su efectividad y continuidad. • Durabilidad: su vida útil debe ser la que se considera habitualmente en este tipo de obras. • Integración ambiental: deben integrarse al medio ambiente alterando lo menos posible las condiciones de la flora y fauna existentes.

3.2.2

Muros longitudinales

Los muros longitudinales tienen una doble función: proteger la margen de los efectos erosivos del flujo y contener el empuje del suelo de ésta. Es por esto que deben ser verificados no solamente desde el punto de vista hidráulico, sino también desde el punto de vista geotécnico.

Las intervenciones en un curso de agua

Uno de los cuidados que deben ser tomados en el diseño es definir correctamente la cota de la fundación, porque de esta dependerá el buen comportamiento de la estructura. Deberá, por lo tanto, ser considerado no solamente cuál puede ser la máxima erosión prevista durante las crecidas, sino también el comportamiento del río a largo plazo; o sea, si está en proceso de erosión o de sedimentación generalizada. En el caso de los cursos de agua naturales, los muros deben necesariamente presentar la siguiente característica: • Resistencia a los empujes del terreno: en el cálculo deben ser considerados los empujes en época lluviosa, cuando la capa freática está más elevada. Las otras características necesarias de los muros -resistencia a la tensión de arrastre del agua, permeabilidad, flexibilidad y monoliticidad, durabilidad e integración ambiental- son las mismas de los revestimientos.

3.2.3

Diques longitudinales

En este caso, los diques deben crear una barrera poco permeable para confinar las aguas del río y proteger las áreas detrás o, eventualmente, reducir el ancho del curso de agua. Deben ser calculados para resistir el empuje del agua en las crecidas máximas. También, en este caso, uno de los cuidados que deben ser tomados en el diseño es definir correctamente la cota de la fundación, ya que de esta dependerá el buen comportamiento de las estructuras. Deberá considerarse no solamente cuál puede ser la máxima erosión prevista durante las crecidas máximas, sino también el comportamiento del río a largo plazo; o sea, si este está en proceso de erosión o sedimentación generalizada. Además, deberán ser dimensionados de tal manera que nunca sean superados por el agua; caso contrario, también deberá ser prevista una protección de la fundación en el lado posterior para evitar la socavación por la caída del agua que sobrepase el dique. En el caso de los cursos de agua naturales, los diques longitudinales deben necesariamente presentar la siguiente característica: • Permeabilidad: deben ser lo suficientemente impermeables como para evitar que grandes cantidades de agua del río pasen a través de ellos y, al mismo tiempo, permitir que el agua de la lluvia caída detrás de la estructura no quede estancada y pueda alcanzar el río. De esta manera se evitará también el aumento de las cargas hidrostáticas sobre la obra y el sifonamiento del terreno de fundación durante las crecidas. Las otras características de los diques longitudinales -resistencia a la tensión de arrastre del agua, flexibilidad y monoliticidad, durabilidad e integración ambiental- son las mismas de los revestimientos.

63

4

Las soluciones usuales y sus aplicaciones

A continuación, las alternativas que serán examinadas. • Los colchones Reno® y las geomantas reforzadas para los revestimientos de las márgenes de ríos y canales. • Los gaviones caja y los geotubos para las protecciones longitudinales gruesas, los diques longitudinales y los espigones. Para el caso de las protecciones longitudinales y diques en gaviones caja, en la fundación puede ser usado el gavión tipo saco (cilíndrico), si esta debe ser construida en aguas profundas; en caso de que sean necesarias protecciones contra la erosión, la fundación puede ser protegida con colchones Reno®. Para las protecciones longitudinales, también son usadas soluciones mixtas de gaviones caja en la parte inferior y colchones Reno® y geomantas reforzadas en la superior. Antes de adentrarnos en este tema, consideramos conveniente recordar algunos datos sobre la distribución de la velocidad del flujo en un curso de agua y comparar el comportamiento de los distintos materiales, naturales y artificiales, que pueden constituir un cauce (Tablas 4.1 a 4.3). Tabla 4.1 Velocidades medias máximas admisibles del agua en cursos de agua Tipo de suelo natural

Velocidad media máxima admisible (m/s)

Arcilla blanda o muy menuda

0,2

Arena pura muy fina o muy ligera

0,3

Arena suelta muy ligera o fango

0,4

Arena gruesa o suelo arenoso

0,5

Suelo arenoso medio y lodo de buena calidad

0,7

Lodo arenoso, grava pequeña

0,8

65

Las soluciones usuales y sus aplicaciones

Tabla 4.1 (continuación) Tipo de suelo natural

Velocidad media máxima admisible (m/s)

Lodo medio o suelo aluvial

0,9

Lodo firme, légamo arcilloso

1,0

Grava firme o arcilla

1,1

Suelo arcilloso duro, suelo de grava común, o arcilla y grava

1,4

Piedra machacada y arcilla

1,5

Grava gruesa, guijarros

1,8

Conglomerados, grava cementada, pizarra blanda

2,0

Roca blanda, camadas de piedras, camada dura

2,4

Roca dura

4

Tipos de revestimientos artificiales Hormigón no armado

3,0-6,0 (≤ 2,5*)

Hormigón prefabricado

2,0

Piedras

1,6-1,8

Bloques de hormigón adheridos a un geotextil

2,0

Ladrillos

3,0

Membrana de plástico sumergida

0,6-0,9

Hormigón o metal liso

1,5-2,0

Metal ondulado

1,2-1,8

Madera

0,9-1,5

Revestimiento en gaviones

3,0-5,5**

Colchones Reno®

2,5-4,2**

*Recomendación del U.S. Bureau of Reclamation. **Dependiendo de la duración y frecuencia de las crecidas.

Tabla 4.2 Valores del coeficiente de rugosidad n en cursos de agua naturales (s/m –1/3) Tipo de canal y descripción

n mínimo

n normal

n máximo

Cursos de agua menores (ancho de la superficie libre en crecida < 30 m) Cursos de agua en planicie 1. Limpio, recto, con el caudal máximo y sin montículos ni pozas profundas

0,025

0,030

0,033

2. Igual al anterior, pero con mayor presencia de piedras y maleza

0,030

0,035

0,040

3. Limpio, serpenteante, con algunas pozas y bancos de arena

0,033

0,040

0,045

4. Igual al anterior, pero con algunos matorrales y piedras

0,035

0,045

0,050

5. Igual al anterior, pero con niveles bajos, pendientes y secciones más ineficientes

0,040

0,048

0,055

66

Defensas ribereñas con gaviones y geosintéticos

Tabla 4.2 (continuación) Cursos de agua en planicie 6. Igual al 4, pero con más piedras

0,040

0,050

0,060

7. Tramos lentos con malezas y pozas profundas

0,045

0,070

0,080

8. Tramos con muchas malezas, pozas profundas y canales de crecientes con muchos árboles y arbustos bajos

0,075

0,100

0,150

Torrentes de montaña sin vegetación en el cauce, orillas generalmente empinadas, árboles y matorrales a lo largo de las orillas sumergidas en niveles altos 9. Fondo: grava, guijarros y algunas rocas

0,030

0,040

0,050

10. Fondo: guijarros y rocas grandes

0,040

0,050

0,070

11. Con pasto corto

0,025

0,030

0,035

12. Con pasto alto

0,030

0,035

0,050

13. Sin cultivo

0,020

0,030

0,040

14. Cultivos en hileras maduros

0,025

0,035

0,045

15. Campos de cultivo maduros

0,030

0,040

0,050

16. Matorrales esparcidos, mucha maleza

0,035

0,050

0,070

17. Pocos matorrales y árboles, en invierno

0,035

0,050

0,060

18. Pocos matorrales y árboles, en verano

0,040

0,060

0,080

19. Matorrales medios a densos, en invierno

0,045

0,070

0,110

20. Matorrales medios a densos, en verano

0,070

0,100

0,160

0,110

0,150

0,200

22. Terreno limpio, con troncos sin retoños

0,030

0,040

0,050

23. Igual al anterior, pero con una gran cantidad de retoños

0,050

0,060

0,080

24. Gran cantidad de árboles, algunos troncos caídos, poco crecimiento de matorrales y nivel del agua por debajo de las ramas

0,80

0,100

0,120

25. Igual al anterior, pero con nivel del agua por encima de las ramas

0,100

0,120

0,160

Planicies de inundación Pastizales sin matorrales

Áreas cultivadas

Matorrales

Árboles 21. Sauces densos, rectos y en verano

Cursos de agua mayores (ancho de la superficie del agua en crecida > 30 m) – el valor n es inferior al de los cursos de agua pequeños con características similares debido a que las orillas ofrecen una resistencia menos efectiva 26. Sección regular sin cantos rodados ni matorrales

0,025

–

0,60

27. Sección irregular y rugosa

0,035

–

0,100

Fuente: Ven Te Chow (2004).

Las soluciones usuales y sus aplicaciones

Tabla 4.3 Valores del coeficiente de rugosidad n en cursos de agua artificiales (s/m–1/3) Tipo de canal y descripción

n mínimo

n normal

n máximo

Cemento Superficie pulida

0,010

0,011

0,013

Mortero

0,011

0,013

0,015

Terminado con llana metálica

0,011

0,013

0,015

Terminado con llana de madera

0,013

0,015

0,016

Pulido, con gravas en el fondo

0,015

0,017

0,020

Concreto

Sin pulir

0,014

0,017

0,020

Lanzado, sección buena

0,016

0,019

0,023

Lanzado, sección ondulada

0,018

0,022

0,025

Sobre roca bien excavada

0,017

0,020

–

Sobre roca irregularmente excavada

0,022

0,027

–

Fondo de concreto terminado con llana de madera y con lados de Piedra labrada, en mortero

0,015

0,017

0,020

Piedra sin seleccionar, sobre mortero

0,017

0,020

0,024

Mampostería de piedra cementada, recubierta

0,016

0,020

0,024

Mampostería de piedra cementada

0,020

0,025

0,030

Piedra suelta o rip-rap

0,020

0,030

0,035

Barnizado o laqueado

0,011

0,013

0,015

En mortero de cemento

0,012

0,015

0,018

–

–

–

0,017

0,025

0,030

Ladrillo

Mampostería Piedra partida cementada Piedra suelta

0,023

0,032

0,035

Bloques de piedra labrados

0,013

0,015

0,017

Fuente: Ven Te Chow (2004).

En la superficie la velocidad del agua es un 10% a un 20% superior a la velocidad media de la sección mojada y la máxima velocidad registrada supera entre 25% y 45% a la velocidad media calculada entre las dos márgenes. Cuando el régimen del río es normal, con un caudal medio, la velocidad suele ser inferior a 1 m/s en los cursos de agua de pendiente suave. En los ríos de gran caudal y de pendiente acentuada, la velocidad suele ser de 1,5 m/s a 2 m/s. Durante las crecidas excepcionales la velocidad puede llegar a 4 m/s en los ríos más caudalosos y raramente hasta 5 m/s a 10 m/s en algunos afluentes.

67

124

Defensas ribereñas con gaviones y geosintéticos

piedras, cables o barras de acero extendidas entre los troncos, y mallas metálicas fijadas a estos para formar una barrera que asegure el material arrastrado por el río durante las crecidas. Son soluciones no definitivas que requieren constante manutención. Esta solución es muy usada en Bolivia (Fig. 5.32).

Fig. 5.32 Espigón permeable en malla de doble torsión, troncos y cables de acero

6 A morfologia Bioingeniería do rio

Los cursos de agua, debido a la gran variedad de especies de flora y fauna que albergan, constituyen uno de los ecosistemas más valiosos para la vida humana. En las últimas décadas, y en muchas regiones, y casos, la importancia de los ríos como fuente de recursos, de acercamiento y disfrute del medio ambiente fue menospreciada y el desarrollo económico ha sometido a los ecosistemas fluviales a presiones que han generado, y continúan haciéndolo, un gran deterioro ecológico y ambiental. Por esta razón, y con el propósito de mejorar las condiciones hidromorfológicas de los cauces de los cursos de agua, especialmente los de pequeñas dimensiones, han empezado a ser introducidas nuevas tecnologías con el fin de recuperar la dinámica fluvial y de la biota, y estimular la resiliencia de los sistemas fluviales, especialmente para la protección y preservación de las márgenes. La presencia de vegetación en las orillas permite aumentar la cantidad y calidad del agua que llega al curso de agua teniendo una función primordial; de aquí la necesidad de que sea mantenida y, si fuera necesario, reconstituida (Fig. 6.1). Como consecuencia, especialmente en los países del hemisferio norte, en los últimos años empezó a ser introducido el concepto de bioingeniería o ecoingeniería o ingeniería naturalista. La bioingeniería, en la hidráulica fluvial, es la disciplina que utiliza estas metodologías y tecnologías para encarar problemas relativos al medio ambiente valiéndose de soluciones “naturales” puesto que usan materiales y productos de origen vegetal y que interfieran lo mínimo posible en el entorno. En general, no se dispone de mucha información relativa al seguimiento, comportamiento en el tiempo y evaluaciones de los resultados a mediano plazo de estas soluciones, razón por la cual en algunos países europeos están siendo realizados estudios para definir la eficacia de las diferentes técnicas usadas de modo que puedan ser utilizadas en el futuro con más seguridad y confianza.

126

Defensas ribereñas con gaviones y geosintéticos

Disminuye la velocidad del agua y mitiga las inundaciones Evita la erosión del suelo y la sedimentación en los ríos y embalses

Retiene pesticidas y otros contaminantes, evitando que caigan en el agua

Río Evita la compactación y el escurrimiento del agua y mantiene la capacidad de infiltración en la capa freática

Suelo

Capa freática Fig. 6.1

Funciones de la vegetación ribereña

Entre las técnicas usadas actualmente podemos mencionar: • Fajinas: obra hidráulica longitudinal para la estabilización inmediata del pie y la revegetación de riberas de ríos, lagos y lagunas con arbustos propios de la ribera. Habitualmente se utilizan sauces para la colocación de fajinas vivas; también se pueden realizar a partir de especies con capacidad de reproducción vegetativa. Pueden a su vez ser agrupadas en diversas tipologías, según su disposición espacial en la margen: de haces de ramas, de matorral escalonado, de cobertura de ramas, de empalizada trenzada. Aconsejadas en cursos con velocidad inferior a 1,5 m/s, son generalmente combinadas con otras técnicas de defensa. • Capa o colchón de arbustos: ramas vivas cortadas en capas y alternadas con camadas de suelo para la construcción de la superficie reforzada de la margen. • Entramado vivo o empalizada: muro de gravedad formado por una estructura celular de troncos de madera colocados longitudinal y transversalmente al talud en varios planos horizontales, y que se rellena con tierra vegetal y material vegetal vivo con el objetivo de que el futuro desarrollo de la vegetación suplante la estructura de troncos. Se emplea como muro de contención en la estabilización de pendientes de hasta 60°. Aconsejada en márgenes de cursos de agua sujetas a erosión y en cursos de agua con transporte sólido y velocidades del orden de hasta 2,5 m/s.

Bioingeniería

• Estaquillado: empleo de material vivo, habitualmente salicáceas, en forma de estacas, recolectado en las proximidades del lugar de uso. La estaca (o esqueje) es un fragmento de tallo con yemas de consistencia leñosa, separada de un árbol o de un arbusto. El proceso consiste en introducir la estaca en el suelo de la margen para que arraigue y forme una nueva planta. • Plantación: especies leñosas arbóreas y arbustivas autóctonas son plantadas para proteger la margen del flujo del río. • Rollo estructurado:estructura cilíndrica realizada en fibra de coco y sujetada mediante una malla sintética o cuerda de fibra natural, que es colocada de manera escalonada en taludes de márgenes de cursos de agua. Entre los rollos se intercalan arbustos para aumentar la consolidación entre los rollos y el suelo con un sistema de raíces para revegetar y asegurar la regeneración de la margen. Tiene elevada flexibilidad y adaptación a la geometría del terreno, y logra estabilizar taludes con pendientes de hasta 60°. La estructura arbustiva, una vez desarrollada, puede soportar por poco tiempo velocidades de hasta 4 m/s. • Biomanta y geomanta o turf reinforcement mesh (TRM): estructura reticular de composición orgánica o inorgánica utilizada para la protección del suelo frente a la erosión superficial. Puede ser vegetada con semillas antes o después de la instalación. Aconsejada para taludes con pendientes de menos de 45°, con desarrollos de talud inferiores a 4 m y velocidades máximas de flujo de 1,5 m/s. Dependiendo del tipo de materia prima empleada para fabricar la manta y el tiempo de exposición a los rayos UV, entre otros factores, su longevidad puede variar de pocos meses a algunos años. • Sistemas de suelo reforzado con vegetación o vegetated reinforced soil slopes (VRSS): estructuras de retención de suelo hechas de malla de alambre de doble torsión o de material polimérico con alta resistencia a la tracción que son envueltas alrededor del suelo. Son instaladas con ramas vivas cortadas y/o plantas de raíces en la cara frontal. • Manta prevegetada: estera de fibras de coco o manta geosintética que fue vegetada con plantas acuáticas emergentes y raíces desarrolladas antes de la instalación. • Eco-Log: estructura cilíndrica de malla de alambre de doble torsión, forrada con una estera de fibras de coco y rellenada con una mezcla de piedras y suelo para que la vegetación crezca en ella. Esta estructura se instala con material vegetal y se usa para el control de la erosión. • MacSoil® (ya descrito en el párrafo “Gaviones MacSoil®”, p. 84): estructura rellenada con suelo y construida con cajas de malla de alambre de doble torsión, cuya cara frontal es inclinada a 45° o 60° y tejida junto a una geomanta tipo

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128

Defensas ribereñas con gaviones y geosintéticos

MacMat® para evitar la fuga de finos. En la parte más externa de la estructura puede ser usado como relleno suelo vegetal para acelerar el rápido crecimiento de la vegetación. Es usada para el control de la erosión. • Terramesh® Verde (ya descrito en el párrafo “Sistema Terramesh® y Terramesh® Verde”, p. 86): estructura de retención de suelo producida con malla de alambre de doble torsión, cuya cara externa puede ser inclinada a 45°, 60° o 70° respecto de la horizontal; es reforzada con un panel de malla electrosoldada y forrada con una estera de fibra de coco o con una manta geosintética tipo MacMat®. Es rellenada con tierra para favorecer el crecimiento de la vegetación. La malla de alambre se prolonga atrás formando el anclaje que, al ser colocado entre camadas de suelo, permitirá conformar un bloque estructuralmente reforzado. • Elementos inertes: protección de los taludes mediante la colocación de elementos pétreos sueltos procedentes, cuando sea posible, del propio cauce. Su función principal es evitar la destrucción del talud por la acción de la corriente. Pueden soportar velocidades medias a bajas que dependen del diámetro de los elementos. • Gavión caja y colchón Reno® (ya descritos en los párrafos “Gaviones caja”, p. 77, y “Colchones Reno®”, p. 68, respectivamente): estructuras monolíticas y flexibles formadas por cajas preensambladas de malla de alambre de doble torsión en forma de paralelepípedo, amarradas entre sí y rellenadas con piedras. Pueden ser utilizadas para muros, diques y revestimientos a fin de formar obras continuas de protección. Con este método se consigue un drenaje natural del talud y se evita una posible erosión. Aconsejado para cualquier tipo de margen y velocidades de entre 3 m/s y 4 m/s. Para resolver problemas de erosión o estabilidad, uno de los métodos para elegir la mejor solución desde el punto de vista ambiental, entre las anteriormente mencionadas, es el que usa el concepto de nivel mínimo de energía. El nivel mínimo de energía toma en consideración una amplia variedad de soluciones. De acuerdo con este concepto, se considera el grado de intervención para resolver un problema de erosión o de estabilidad, que puede ir desde el nivel cero, o sea, cuando no hay ninguna intervención, hasta un nivel más alto, que demanda elementos estructurales. El nivel mínimo de energía requiere el nivel más bajo de intervención para alcanzar la solución óptima. Considérese el siguiente ejemplo: si la intervención considerada correcta es un revestimiento con una estera de fibra de coco, no será apropiada la utilización de una solución con un mayor nivel de energía como, por ejemplo, una estructura de muro de contención (Fig. 6.2).

Bioingeniería

Biomanta de fibra de coco

Colchón Reno® vegetal

Bajo

Rollo estructurado

Terramesh® Verde

Gavión caja

Alto

Fig. 6.2

Progresión del nivel de energía

6.1 Beneficios de la bioingeniería para el diseño • Las prácticas de bioingeniería son apropiadas para áreas ambiental y estéticamente sensibles, tales como parques, bosques y cauces de cursos de agua, donde sean críticos los valores de recreación, hábitat de la fauna y calidad del agua, entre otros. • Los sistemas de bioingeniería pueden ser diseñados para soportar eventos fuertes inmediatamente después de la instalación. En este caso, aunque la vegetación pueda morir, los elementos estructurales del sistema siguen desempeñando un importante papel protector. • Proporcionan protección contra la erosión y crean condiciones propicias para el establecimiento de plantas nativas y de pequeños seres vivos. • Ayudan a disminuir la velocidad del agua cerca de la orilla, reduciendo así su poder erosivo. • Ofrecen una alternativa a los muros de contención verticales de hormigón y bloques, cuyas características no se encuadran en la bioingeniería. • Mejoran las condiciones para la colonización natural y el establecimiento de plantas de la comunidad vegetal circundante. • Secan lugares excesivamente húmedos a través de la transpiración, debido a la vegetación que crece en ellos. • Drenan a la superficie y pueden afectar positivamente la dirección del flujo de filtración. • Refuerzan el suelo cuando desarrollan sus raíces, añadiendo una resistencia significativa al deslizamiento superficial y al desplazamiento por cizallamiento en caso de pequeñas pendientes.

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Investigaciones

Flujo

Colchón Reno®

Base impermeable o saturada

Geotextil

Fig. 7.30 Esquema del flujo del agua en el interior de las bolsas de los colchones Reno®

fuera superior a la velocidad admisible de las partículas del suelo, deberá ser previsto el uso de un filtro para reducir ulteriormente la velocidad. El filtro puede ser de gravas, arena o, más fácilmente, un geotextil no tejido. En el Departamento de Agua e Ingeniería Sanitaria de la Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo (USP) fueron realizados varios estudios relativos a la protección de fondos y márgenes de canales con la utilización de colchones Reno® y de geomantas. En uno de ellos (Tamashiro, 2004), realizado en escala 1:1 fue analizada la variación de velocidad del agua dentro de un colchón Reno® y por debajo del geotextil colocado debajo del mismo (Fig. 7.31).

3 mm

Geotextil

Placa de acrílico Inyector

Electrodo

Fig. 7.31 Recorrido del agua a través del geotextil y dispositivo de medición de la velocidad

Para la realización del ensayo fue medida la velocidad del flujo de agua debajo del geotextil cronometrando el tiempo en que una solución salina (aplicada con un inyector) sensibiliza dos electrodos colocados a distancias predefinidas. Los detalles de la posición de los inyectores y de los electrodos durante los ensayos son mostrados en la Fig. 7.32. Medir los tiempos en que la solución salina demora entre los dos electrodos permite calcular la velocidad del agua por debajo de geotextil. Los ensayos fueron realizados con diferentes caudales y, para efectos de comparación, fueron calculadas la velocidad media del flujo y la velocidad en el fondo del canal.

205

Defensas ribereñas con gaviones y geosintéticos

Perfil longitudinal

Planta 6,95

Módulo 2

Módulo 1 2,94

Módulo 3

2,45

1,56

Corte A-A

Corte B-B 0,20 0,20

Corte A

3 mm

206

Corte B

Inyector Electrodo Dirección del flujo Placa de acrílico Fig. 7.32 Posición de los inyectores y los electrodos

Al considerar un flujo uniforme, la velocidad media fue calculada por la relación entre el caudal y el área mojada. La velocidad en el fondo del canal fue medida con la utilización de micromolinetes inmediatamente arriba del geotextil. De esta forma fue posible calcular todos los parámetros hidráulicos del canal. A partir de los datos recabados en cada ensayo fueron obtenidos los resultados indicados en la Fig. 7.33, para la velocidad media (Q/S), la velocidad en el fondo del canal (molinete) y la velocidad abajo del geotextil (sal). Es posible así observar que la velocidad del agua entre el extradós y el intradós del geotextil sufre una reducción de entre el 70% y el 75%, que en la mayoría de los casos es suficiente para evitar la erosión del fondo.

V [cm/s]

Investigaciones

65,00 60,00 55,00 50,00 45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 0

20 Sal

Micro-Molinete

40 Media (Q/S)

60

80

100 Q [m³/h]

Fig. 7.33 Resultados obtenidos

7.1.6

Ensayos para la definición del comportamiento de los colchones Reno® cuando son sometidos a la acción de las olas provocadas por el pasaje de embarcaciones

En la primera mitad de la década de 1980, el Delft Hydraulics Laboratory, en colaboración con el Delft Soil Mechanics Laboratory (Holanda), realizó en el Hartel Canal, en las proximidades de Rotterdam, una serie de pruebas sobre diferentes tipos de revestimientos de márgenes sometidos a las solicitaciones provocadas por el pasaje de embarcaciones. Los revestimientos en examen (colchones Reno®, grava y bitumen, colchones de geotextiles rellenados con arena, bloques prefabricados de concreto unidos por cables de acero y bloques prefabricados de concreto instalados uno a la vez) recubrían, cada uno, un área de 200 m2 de la orilla, cuya pendiente era de 1(V):4(H) (Fig. 7.34A). Las pruebas formaban parte de un programa experimental del Delft Hydraulics Laboratory, iniciado el año anterior, con piedras sueltas y bloques de roca moldeados, unidos con argamasa y sueltos. El tramo del canal en el cual fueron realizados los ensayos está ubicado a aproximadamente 20 km del mar, por lo cual es muy grande la influencia de las mareas. Consecuentemente, los ensayos se llevaban a cabo en diferentes horarios para que el tirante del agua pudiera variar de – 0,40 m a + 1,20 m con relación a la cota media del mar. Las embarcaciones usadas en los ensayos eran de tres tipos y los pasajes se realizaban cada una hora. Las máximas alturas de ola registradas fueron

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Defensas ribereñas con gaviones y geosintéticos

de 0,80 m. Fueron registrados también el nivel del agua, la altura de la ola y la depresión posterior al pasaje de la embarcación, la velocidad de retorno de la ola sobre el revestimiento y la diferencia de presión entre el extradós y el intradós del revestimiento. La finalidad de las pruebas era la evaluación del comportamiento de cada tipo de revestimiento al run-up y run-down, el coeficiente de reflexión y la estabilidad al deslizamiento y al levantamiento. Los colchones Reno® usados eran en malla tipo 6 × 8, producidos con alambre de 2,2 mm de diámetro (Fig. 7.34B). Estos fueron apoyados sobre un geotextil no tejido, a su vez colocado sobre una camada de grava. El comportamiento de los colchones Reno® fue considerado satisfactorio y adecuado a los estándares requeridos para canales navegables, sea en términos de estabilidad como de amortiguación de la energía de las olas.

Fig. 7.34 Canal Hartel: (A) vista de los distintos revestimientos ensayados y (B) colchones Reno® durante el ensayo

7.1.7

Ensayos para la definición del comportamiento de los colchones Reno® cuando sometidos a la acción de las olas

C.T. Brown realizó una investigación de laboratorio sobre el uso de los colchones Reno® y gaviones caja para revestimientos de costas marítimas y encontró que el deslizamiento es la principal causa de colapso de los colchones Reno® aplicados sobre márgenes con inclinaciones mayores que 1(V):2(H), en tanto que el colapso por fluctuación es predominantemente para colchones Reno® aplicados sobre márgenes con pequeñas inclinaciones. Fueron desarrolladas dos ecuaciones para determinar el espesor necesario τm de los colchones Reno® para protección de márgenes. Para inclinaciones superiores a 1:3,5:

(7.5)

Investigaciones

donde: τm = espesor mínimo del colchón Reno®; HS = altura de la ola de proyecto; V = porcentaje de vacíos en las piedras de relleno; γr = peso específico relativo del elemento; α = ángulo de inclinación de la margen. Para inclinaciones inferiores a 1:3,5: (7.6)

Si comparamos estos resultados con los valores del rip-rap calculados, por ejemplo, con la fórmula desarrollada por Hudson -del U.S. Army Corps of Engineers de Vicksburg- para determinar la estabilidad de los elementos de estructuras de protección en piedras: (7.7)

donde: W = peso de un elemento de protección; γs = peso específico do elemento; Hs = altura de la ola de proyecto; KD = coeficiente de estabilidad variable de 2 a 4,5 para las piedras de cantera; γr = peso específico relativo del elemento; α = inclinación de la estructura con la horizontal. Se verifica que el uso de un revestimiento en rip-rap requiere mucho más material del que necesita un revestimiento en colchones Reno®. Se debe recordar que el espesor de un revestimiento en enrocado es del orden de 1,5 a 2 veces el valor de la dimensión media de las piedras dm. Por ejemplo, para un revestimiento de inclinación de 1(V):2(H) y olas de diseño de 1 m, el espesor necesario para los colchones Reno® es de aproximadamente 0,23 m, mientras que el espesor necesario para un enrocado es de 0,45-0,60 m. El Sogreah Ingenieurs Conseils (Grenoble, Francia) realizó, entre julio de 1982 y octubre de 1983, un programa de ensayos y pesquisas para determinar la eficiencia de los colchones Reno® usados como revestimiento de márgenes contra los efectos de la acción de las olas. Los ensayos fueron realizados en escala 1:5 y consideraron los siguientes parámetros (datos en escala real):

209

Defensas ribereñas con gaviones y geosintéticos

• Altura de la ola: hasta 2,20 m. • Inclinación de la margen: 1:3, 1:2 y 1:1,5. • Espesor de los colchones Reno®: 0,15 m a 0,25 m. • Período de la ola: de 2,7 s a 5,15 s. Los ensayos permitieron la definición de las curvas-límite de estabilidad de acuerdo con la inclinación de la margen y su permeabilidad. En la Fig. 7.35 están relacionadas tales curvas para colchones Reno® de 0,15 m de espesor en escala real. Escala en modelo 1:5 - Colchón Reno® - espesor de 0,03 m 0,50 Altura de la ola incidente [m]

210

0,40 d e

0,30 0,20

A

d

e

0,10 B 0

1:1,5

1:2 Pendiente de la orilla

A) Fondo permeable

d) Destrucción

B) Fondo impermeable

e) Límite de estabilidad

1:3

Fig. 7.35 Altura de la ola incidente en función de la inclinación de la margen

El Laboratorio de Hidráulica Aplicada del Instituto Nacional de Ciencia y Técnica Hídricas (INCyTH), en Buenos Aires (Argentina), realizó, entre 1987 y 1989, un programa de ensayos y pesquisas para determinar la eficiencia de los colchones Reno® usados como revestimiento de márgenes contra los efectos de la acción de las olas causadas por el viento y la trepada de las olas. Los ensayos fueron realizados en escala 1:16 y consideraron los siguientes parámetros (en escala real): • Altura de la ola: hasta 2,53 m. • Inclinación de la margen: 1(V):3(H), 1(V):2(H) y 1(V):1,5(H). • Espesor de los colchones Reno®: 0,17 m, 0,30 m y 0,50 m. • Período de la ola: aleatorio. • Terreno de la margen: permeable y impermeable.

Casos históricos

Fig. 10.17 (cont.) (D) secciones; (E-H) obra terminada

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320

Defensas ribereñas con gaviones y geosintéticos

10.18 Río Challuayacu (San Martín, Perú) Soluciones: protección de márgenes con espigones. Productos: gavión caja, colchón Reno®.

10.18.1 Descripción del problema El río Challuayacu está ubicado en el distrito de Pólvora, provincia de Tocache, la cual se encuentra en la cuenca alta del río Huallaga, al sur de la región de San Martín. El principal problema de este río radica en que sus laderas se vieron afectadas debido a su acción erosiva y enérgica de la corriente.

10.18.2 Solución El Proyecto Especial Alto Huallaga, una entidad dedicada a apoyar en construcciones a los pueblos más alejados del Perú con el fin de mejorar la calidad de vida de las poblaciones, decidió atender este problema debido a su importancia y urgencia. El beneficio de dar trabajo a mano de obra no calificada del distrito, el bajo costo total de la solución y su excelente performance técnica propició que se eligiera construir espigones conformados por muro de gaviones de tres metros de alto. Los espigones fueron distribuidos en cuatro kilómetros del recorrido del río, con un espaciamiento de 60 m, 80 m y 120 m, con su respectiva plataforma antisocavante de colchones Reno®. La Fig. 10.18 presenta algunas imágenes de las obras. Nombre del cliente

Proyecto Especial Alto Huallaga

Constructora

Proyecto Especial Alto Huallaga

Proyecto y consultoría

Proyecto Especial Alto Huallaga

Productos y cantidades utilizados

Gaviones y colchones Reno®: aproximadamente 11.000 m3

Fecha de la obra

Inicio de construcción: deciembre de 2005 Finalización: septiembre de 2006

Fig. 10.18 Río Challuayacu: (A-B) durante la construcción

Casos históricos

Fig. 10.18 (cont.) (C-D) durante la construcción; (E) sección transversal típica; (F-G) obra terminada

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Defensas ribereñas con gaviones y geosintéticos

10.19 Río Huayabamba (Huicungo, Perú) Soluciones: protección de márgenes con espigones. Productos: colchón Reno®, geotextil no tejido.

10.19.1 Descripción del problema El río Huayabamba está ubicado en el distrito de Huicungo, provincia de Mariscal Cáceres, cuya capital, Juanjui, se encuentra a orillas del río Huallaga, en el sur del departamento de San Martín. El principal problema de este río radica en que sus laderas se vieron afectadas debido a la acción erosiva de su enérgica corriente.

10.19.2 Solución La Municipalidad distrital de Huicungo solicitó apoyo a la empresa Hidroconsult E.I.R.L. que, después de haberse familiarizado con las soluciones en gaviones, decidió trabajar junto al Departamento Técnico de Maccaferri de Perú en la elaboración del diseño. El proyecto consta de cinco espigones cuyas longitudes oscilan entre los 25  m y los 120  m, con un núcleo de material suelto contenido por un revestimiento de colchones Reno®. Un factor importante fue el bajo costo total de la solución y su excelente performance técnica. La Fig. 10.19 presenta algunas imágenes de las obras.

Fig. 10.19 Río Huayabamba: (A-C) durante la construcción

Casos históricos

Fig. 10.19 (cont.) (D) secciones; (E-G) obra terminada; (H) después de 17 años (foto: Google Maps)

Nombre del cliente

Municipalidad Distrital de Huicungo

Constructora

Municipalidad Distrital de Huicungo

Proyecto y consultoría

Hidroconsult E.I.R.L.

Productos y cantidades utilizados

Colchones Reno® plastificados Geotextil no tejido MacTex® N40.1

Fecha de la obra

Inicio de construcción: 1999 Finalización: 1999

10.20 Río Huallaga (San Martín, Perú) Soluciones: protección de márgenes con espigones. Productos: colchón Reno®, geotextil no tejido.

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Defensas ribereñas con gaviones y geosintéticos

10.20.1 Descripción del problema El río Huallaga bordea la ciudad de Juanjui, provincia de Mariscal Cáceres, en el sur del distrito de San Martín. El principal problema de este río radica en que sus laderas se vieron afectadas debido a la acción erosiva de su enérgica corriente. La velocidad del agua que presenta el río Huallaga en sus máximas crecientes y la gran cantidad de material que arrastra erosiona las márgenes, afectando también los cultivos de las chacras cercanas y los caseríos aledaños.

10.20.2 Solución Debido al peligro que corría la población del distrito de Campanilla, la Municipalidad se vio en la necesidad de solicitar apoyo a la empresa Hidroconsult E.I.R.L. para la solución del problema. Esta empresa, a su vez, decidió trabajar junto con el Departamento Técnico de Maccaferri de Perú en la elaboración del diseño. Fue determinada la construcción de espigones por el bajo costo total de la solución y por su excelente desempeño técnico, así como por el importante factor de no necesitar mano de obra calificada. Se decidió construir ocho espigones deflectores de flujo, de sección trapezoidal, conformados por un núcleo de roca pesada de φ ≥ 1,00 m, revestidos con colchones Reno®, cuyas longitudes oscilan entre 35 m y 50 m. La Fig. 10.20 presenta algunas imágenes de las obras.

Nombre del cliente

Municipalidad Provincial de Juanjui

Constructora

Municipalidad Provincial de Juanjui

Proyecto y consultoría

Hidroconsult E.I.R.L.

Productos y cantidades utilizados

Colchones Reno® plastificados Geotextil no tejido MacTex® N40.1

Fecha de la obra

Inicio de construcción: 2010 Finalización: 2010

Fig. 10.20 Río Huallaga: (A-B) durante la construcción