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HIDRAULICA FLUVIAL

PROTECCION DE CAUCES

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 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. 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 toda o al menos una parte de la creciente generada en la parte alta de la cuenca tributaria y posteriormente 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 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 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 o bien formarse a base de 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: Confinan el agua dentro del 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. 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 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 ensayo hidrostático; el peso específico más común es de 2.65 T/m3.  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: D50/d50