Geotecnia para el trópico andino http://www.bdigital.unal.edu.co/53560/ 298 Figura 7.1 Muchos problemas asociados a cauces naturales se vinculan con los volúmenes de sólidos movilizados por la corriente y en la intensidad de la socavación del lecho por la corriente. (Carlos E Escobar P). 7- CORRECCIÓN DE CAUCES TORRENCIALES 7.1 Introducción. La Zona Andina Colombiana aloja el 80% de la población del país, cuenta con la mayor cobertura en infraestructura; en ella se establecen ciudades y poblaciones; sus laderas y valles tienen áreas destinadas a explotaciones agropecuarias, actividades que generan impactos severos en los componentes físico y biótico reflejados en el incremento de las aguas de escorrentía, la invasión, el cambio o la interrupción de drenajes naturales con efectos como el incremento de la carga de lavado y de acarreo, movimientos en masa y sedimentación de cauces, todos afectan infraestructura, ciudades y zonas de cultivos. Los proyectos lineales de montaña cruzan con frecuencia cauces torrenciales, afectados por socavación o sedimentación, que resultan afectando y en muchas ocasiones destruyen estructuras del proyecto con pérdidas económicas difíciles de cuantificar. La figura 7.1 presenta problemas en una vía por la actividad de un torrente inestable. En forma simultánea los proyectos de ingeniería alteran, en muchas ocasiones, la dinámica de los cauces torrenciales y aceleran la socavación o la sedimentación del lecho arreando problemas sobre sus estructuras. La ciencia relacionada con el estudio de cauces torrenciales es relativamente nueva, hace falta investigación vinculada con la dinámica de corrientes en ambientes tropicales, y materiales de origen volcánico, con el objetivo de atender problemas por socavación o sedimentación de cauces, las variables que gobiernan la acción hidráulica, el transporte y la sedimentación de sólidos, entre otros. El estudio de los cauces torrenciales tiene como objetivo plantear las acciones que permitan corregir en forma eficiente los problemas relacionados con la dinámica torrencial, principalmente la relacionada con los caudales que fluyen por un cauce. Se pretende
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Figura 7.1 Muchos problemas asociados a cauces naturales se vinculan con los volúmenes de sólidos movilizados por la corriente y en la intensidad de la socavación del lecho por la corriente. (Carlos E
Escobar P).
7- CORRECCIÓN DE CAUCES TORRENCIALES
7.1 Introducción.
La Zona Andina Colombiana aloja el 80% de la población del país, cuenta con la mayor
cobertura en infraestructura; en ella se establecen ciudades y poblaciones; sus laderas y valles tienen áreas destinadas a explotaciones agropecuarias, actividades que generan impactos severos en los componentes físico y biótico reflejados en el incremento de las aguas
de escorrentía, la invasión, el cambio o la interrupción de drenajes naturales con efectos como el incremento de la carga de lavado y de acarreo, movimientos en masa y sedimentación de cauces, todos afectan infraestructura, ciudades y zonas de cultivos.
Los proyectos lineales de montaña cruzan con frecuencia cauces torrenciales,
afectados por socavación o sedimentación, que resultan afectando y en muchas
ocasiones destruyen estructuras del proyecto con pérdidas económicas difíciles
de cuantificar. La figura 7.1 presenta problemas en una vía por la actividad de un torrente
inestable.
En forma simultánea los proyectos de ingeniería
alteran, en muchas ocasiones, la dinámica de los cauces torrenciales y aceleran la
socavación o la sedimentación del lecho arreando problemas sobre sus estructuras.
La ciencia relacionada con el estudio de cauces torrenciales es relativamente nueva, hace falta investigación vinculada con la dinámica de corrientes en ambientes tropicales, y
materiales de origen volcánico, con el objetivo de atender problemas por socavación o sedimentación de cauces, las variables que gobiernan la acción hidráulica, el transporte y la sedimentación de sólidos, entre otros.
El estudio de los cauces torrenciales tiene como objetivo plantear las acciones que permitan corregir en forma eficiente los problemas relacionados con la dinámica torrencial, principalmente la relacionada con los caudales que fluyen por un cauce. Se pretende
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presentar en este capítulo los principios básicos de la corrección de cauces torrenciales y expresar las experiencias que sobre el tema se tienen en varias partes de nuestro país.
7.2 EL TORRENTE
El torrente se identifica como un lecho de un cauce natural que tiene unas características definidas:
Sus pendientes son altas e irregulares.
Los caudales son muy variables y son frecuentes avenidas son súbitas
Se presenta carga de sedimentos en las aguas: el material transportado por la corriente es
por lo general grueso
La cuenca tributaria es de extensión reducida y por lo general deforestada.
Los trabajos de restauración de los cauces torrenciales se enfocan a realizar acciones en
laderas y taludes, por medio de prácticas de control de erosión y regulación de caudales al hacer el manejo de las aguas de escorrentía y establecer vegetación, y en los cauces y drenajes naturales se construyen obras de corrección de los procesos de erosión severa. El
tratamiento de una parte influencia la otra.
7.2.1 Las Laderas
Las laderas deforestadas o desprovistas de vegetación generan grandes volúmenes de sedimentos (carga de lavado), originados en la erosión pluvial, laminar, en surcos y los movimientos en masa; todos estimulados por el impacto de las gotas de lluvia, la energía de
las aguas de escorrentía y la erosión fluvial (lineal) en un lecho erodable e inestable.
Los tratamientos en las laderas se soportan en las obras mecánicas de conservación de suelos, como perfilado de taludes, instalación de canales de corona, a media ladera y
acequias, todos con el fin de fraccionar la pendiente y desviar el agua lluvia que sobrepasa la capacidad de infiltración del suelo. Estas obras son la garantía para la estabilidad de las otras medidas.
Las prácticas de conservación están orientadas a proteger los suelos de laderas desprovistas de vegetación, por lo general de pendientes fuertes, con el establecimiento de la cobertura vegetal adecuada que estimule el arraigo de plantas de establecimiento y crecimiento rápido,
herbáceas, rasantes, colonizadoras, que mejoran la capacidad de infiltración, protegen el suelo de los elementos del clima que los pueden alterar y mejoran la estructura del suelo.
La vegetación debe brindar protección al suelo del impacto de la lluvia, del intemperismo y a la vez aporte la materia orgánica abundante que mejora las condiciones edafológicas del
sustrato y estimulan el arraigo de otras especies vegetales que ejercen control sobre los elementos del clima que pueden afectar el suelo como las temperaturas elevadas o los vientos fuertes que secan el suelo.
Los tratamientos más comunes son el establecimiento de vegetación con abonos verdes, los empradizados, los emplastos, la siembra de plántulas, entre otros: su aplicación en cada caso
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depende de las condiciones locales, de la calidad del suelo, la disponibilidad del material vegetal, la mano de obra y la disponibilidad de insumos.
Cuando se trata de recuperar áreas desprovistas de vegetación se recomienda realizar el
establecimiento de coberturas rasantes que garanticen el 100% de cubrimiento al suelo para amortiguar las gotas de lluvia cerca de la superficie, lográndose la disipación de energía. Los árboles no cumplen con eficiencia la función de protegen el suelo de las variaciones del clima ni del impacto de la lluvia; esto se logra con las coberturas rastreras que son eficientes para
disipar la energía del agua a nivel de superficie del suelo.
La vegetación establecida conserva los recursos que hacen posible la evolución vegetativa de los estratos rasantes a los arbustivos y a los arbóreos lográndose la conservación del suelo, la
regulación de las aguas y del clima.
Las laderas deforestadas son tratadas con el establecimiento de bosques de especies nativas eficientes en mejorar las condiciones locales de temperatura, humedad relativa, luminosidad,
vientos; son reguladores de caudales, retiran de circulación la carga de lavado y estimulan la presencia de flora y fauna que fortalecen los ecosistemas.
Las masas forestales, según J.M. Gandullo (1990), generan un microclima, que él llama
ecoclima, en comparación con el de un sitio con vegetación rasante es: menos luminoso, con reducción hasta el 90%; menos caluroso, con disminución de unos 4°C en la temperatura media anual; menos ventoso y más húmedo. Además, los bosques tienen una influencia
marcada en el origen de las lluvias convectivas y orográficas, en la intercepción y en las lluvias horizontales (neblina).
Las lluvias orográficas muy frecuentes en la zona Andina Colombiana, son influenciadas por la
vegetación en dos aspectos: los bosques incrementan la altura efectiva de la ladera y en consecuencia los desniveles que deben remontar las nubes, lo que equivale a un incremento en la precipitación, y el efecto de fricción de las copas irregulares de los árboles disipa al
energía y disminuye la velocidad del viento.
La menor luminosidad induce cambios en la composición de las especies rasantes y arbustivas estimulando la aparición del sotobosque, con el incremento de hojarasca y humus
encargados de regular las aguas y filtrar los sedimentos.
Las masas boscosas estimulan la infiltración debido a la presencia de mayores obstáculos de tallos y hojarasca que disminuyen la velocidad de las aguas de escorrentía, aumentan su
recorrido y disipan la energía de la corriente; las raíces por su parte aumentan los canículos en el suelo y la posibilidad de infiltración.
7.2.2 Cauces torrenciales
El compendio físico de la cuenca, el clima y la vegetación definen las características fluviales y torrenciales del curso de aguas que la drena, con un flujo de agua y sedimentos encargados de modelar el cauce a través de procesos de erosión, socavación, transporte y
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Figura 7.2. Cauce de socavación. El lecho está conformado por cantos y bloques que son los síntomas de la alta torrencialidad. (Carlos E
Escobar P).
La principal dificultad para el tratamiento de cauces se origina en las características del lecho en las pendientes medias y la presencia de estructuras que están determinadas por factores fuertemente interrelacionados como la sección hidráulica, los caudales líquidos y los caudales
sólidos. Los caudales líquidos determinan los caudales sólidos y la sección hidráulica; el caudal sólido a su vez, impone variaciones en la sección hidráulica y en el caudal líquido, al disipar la energía.
7.2.2.1 El lecho.
El lecho del cauce puede estar conformado por suelo cohesivo (arcillas y limos), donde las fuerzas que evitan el movimiento del suelo se deben a la cohesión desarrollada por las
partículas, porque su peso no ejerce ninguna resistencia. Cuando la partícula es desprendida por el movimiento del agua, desaparecen las fuerzas de cohesión y la partícula es mantenida con facilidad en el agua. Al cesar el movimiento muchas de ellas quedan en suspensión.
En los lechos conformados por materiales no cohesivos (arenas, gravas, cantos y bloques) el peso de las partículas es la fuerza principal que se opone al movimiento. Cuando el material es acarreado por la corriente encuentra estas fuerzas resistentes y cuando cesa la acción del
agua, las partículas se detienen, caen y se depositan.
Las principales características que interesan en el material granular son las referentes a
las partículas en sí: el peso específico, tamaño, forma y velocidad de caída dentro del agua.
En cuanto al tamaño de las partículas se pueden determinar diámetros representativos en la curva granulométrica, útiles para el
análisis de los sedimentos y del lecho:
El diámetro característico d90 (Meyer Peter)
o d85 (Simmons y Richardson) y d65
(Einstein), permite caracterizar la
rugosidad del contorno.
El d50 (Meyer Peter) y d35 (Einstein)
permiten caracterizar la movilidad.
Los lechos formados por roca (contorno fijo) ejercen control vertical y horizontal: en estos lecos la corriente requiere mayor trabajo para
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a. Perfil longitudinal y nivel de base de erosión.
Como consecuencia del trabajo de un río, este evoluciona el perfil longitudinal del lecho ajustado al nivel de base de erosión, y está definido por una curva continua que forma la
línea de fondo de la corriente desde su cabecera hasta su desembocadura. Si bien el perfil longitudinal de una corriente joven (recién formada), coincide con el perfil superficial irregular del terreno, en una corriente bien establecida es una curva cóncava hacia arriba que tiende a ser una hipérbola. Esto resulta del ajuste de cada parte del perfil a las condiciones
de la corriente en cada tramo.
En su curso superior el caudal de la corriente es bajo, pero debido a la pendiente alta de la cuenca, el gradiente del cauce es alto; su carga de sedimentos no es muy grande por lo que
su energía se consume en profundizar el cauce. En el curso bajo el caudal es mucho mayor; por esta razón y debido a que su canal es más eficiente y su carga es de grano más fino, la corriente mueve su carga sobre un gradiente menor y la erosión de fondo es mínima. En
puntos intermedios se presentan condiciones intermedias: la pendiente se hace más suave hacia aguas abajo, mientras que, se incrementa gradualmente hacia aguas arriba.
Con el paso del tiempo, cuando la corriente corta en el fondo hacia el nivel de base, el perfil
longitudinal es gradualmente menos pendiente en su conjunto.
b. Ajustes al Nivel de base.
El nivel de base es el punto más bajo al cual una corriente puede erosionar su cauce, se puede controlar temporalmente por accidentes tales como un lago, la presencia de rocas muy
resistentes en el fondo del lecho o por el incremento del nivel de la corriente principal, donde entrega un tributario.
Si por alguna razón este nivel se eleva o desciende, la corriente ajusta su perfil longitudinal. En la Figura 7.3 se puede apreciar el ajuste del canal por la construcción y el retiro de un dique. La construcción eleva el nivel de base del río y al imponer una velocidad menor aguas
arriba, se presenta el depósito de sedimentos en esta sección del canal y la erosión aguas abajo; el retiro del dique incrementa la velocidad de la corriente y acelera la erosión de los sedimentos que se habían depositado, y estimula el depósito de sedimentos en la sección
que se había erosionado abajo del dique. (Leett y Hudson, op. cit.).
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c. Cascadas y rápidos.
Se presentan en ciertos puntos donde las pendientes cambian abruptamente debido a la
presencia en el lecho de rocas resistentes a la erosión, alternadas con rocas débiles en el perfil, o por curvas del cauce. Considerando la magnitud del tiempo geológico, estas irregularidades "tarde o temprano" son niveladas.
7.2.2.2 El caudal.
El flujo de agua
concentrado en los canales de drenaje, se expresa como caudal, es
decir, como el volumen de agua que pasa a través de una sección
dada del canal, en la unidad de tiempo.
Según lo exponen
Longwell et al (1950) el caudal está controlado por dos factores: el área
de la sección transversal del canal y la velocidad de flujo de la corriente.
La velocidad de flujo a su turno depende de:
a) La pendiente longitudinal del canal,
b) El volumen de agua, expresado como "caudal"
c) La carga sólida acarreada,
d) La naturaleza del lecho (rugosidad y erodabilidad)
e) las dimensiones y la forma del canal.
Lago Dique
Pendiente de la corriente original
A
Deposito a lo largo del lecho de la corriente aguas arriba del lago
Pendiente de la nueva corriente
Depositos en lago
Canal de erosión aguas
abajo del dique Pendiente inicial
Erosión de los depósitos fluviales y del canal
Dique y lago
destruidos Depósitos en la sección
erosionada del canal
Restablecimiento de la pendiente de la corriente original
B
C
a. Cambio en las condiciones del canal impuesto por la construcción de la presa.
b. Ajuste del canal al nuevo nivel de base. Se presenta depósito aguas arriba de la presa debido a la disminución de la velocidad de la corriente. c. Reajuste del canal por el retiro del dique originado por el trabajo de la corriente
sobre los sedimentos, debido al incremento de la velocidad.
Figura 7.3 Ajuste del canal por construcción y retiro de una presa. Tomado de Leet et al. (op. cit.)
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A continuación se
analiza la interacción de estos factores.
Caudal y velocidad.
El caudal puede expresarse en función de las dimensiones del canal y de la velocidad de flujo mediante la siguiente expresión:
AVQ
Durante la creciente de un río, éste es más ancho y su nivel más alto, a la vez que supuestamente más profundo, con lo cual se presenta un ajuste del canal. Ajustes del mismo
tipo se presentan en época de estiaje.
A este respecto Lett y Hudson (1974), presentan una serie de consideraciones interesantes, basadas en registros experimentales de Leopold y y Maddock, sobre la relación entre el
caudal y las dimensiones del canal y velocidad de flujo.
Se investigó primero lo qué ocurre cuando el caudal aumenta en una sección de una corriente. En este caso se comprobó que, con el aumento del mismo, el ancho, la
profundidad y la velocidad se incrementan en forma proporcional, tal como se aprecia en la Figura 7.4.
Se estudiaron después, los cambios que operan en varios sitios a lo largo del mismo cauce.
Por intuición se sabe que, hacia aguas abajo, el caudal y consecuentemente el ancho y la profundidad del cauce de la corriente aumentan, debido a la mayor cantidad de agua que aportan las corrientes tributarias.
Figura 7.4 La variación del nivel de la corriente induce variaciones en el lecho del cauce. Los niveles máximos estimulan mayor socavación y a los niveles de estiaje le corresponden niveles de menor socavación.
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Se pudo establecer que, con el incremento del caudal hacia aguas abajo, según datos tomados de 3 sitios de aforo, para una condición particular de los flujos de avenidas y estiaje, la profundidad, el ancho y aunque nos sorprenda un poco, también la velocidad, se
incrementan proporcionalmente, a pesar de la disminución de la pendiente. Respecto a esta última afirmación, se debe tener en cuenta que la velocidad debe incrementarse hacia aguas
abajo, dado que se requiere manejar mayor caudal.
Analicemos ahora cómo influye en la velocidad
el incremento de fricción por el mayor perímetro mojado, cuando se incrementa el nivel del agua en la corriente de un río o canal.
Por lo general, el ancho del canal es mayor que la profundidad y en la condición de flujo de agua, las paredes y el fondo que integran el
perímetro mojado del canal, oponen resistencia de fricción.
West (1995), establece que, cuando se
incrementa la profundidad en una corriente, el incremento del perímetro mojado es menor, en forma proporciona que el incremento del área
de la sección mojada.
En la Figura 7.5 se puede apreciar cómo, en una sección transversal
fija, el nivel del agua antes (a) y después (b) por un incremento de caudal, se incrementa el perímetro
mojado en menor proporción que el incremento del área de la sección.
7.2.2.3 Los Sedimentos.
El material sólido que es transportado por la corriente recibe
el nombre de sedimento. En ingeniería se suelen dividir los sedimentos en dos grupos, según
su origen: la carga de lavado que proviene de las laderas tributarias del cauce; está gobernada por el
suministro por la erosión hídrica de
Figura 7.5 En las figuras a y b, el incremento del perímetro mojado es casi de 16% mientras que el incremento del área de la sección transversal se acerca al 100%.
Figura 7.6 En cauces torrenciales predominan bloques en los acarreos. (Fotografía Carlos E Escobar)
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finos y arenas y es independiente de las condiciones hidráulicas de la corriente. La figura 7.6 presenta el cauce del río San Eugenio. En el lecho son notorios cantos y bloques que moviliza la corriente durante las
crecientes.
La carga del material del lecho corresponde a los materiales del lecho del
cauce, está determinada por la capacidad de transporte del flujo,
estando estrechamente relacionada con el caudal líquido. Estos materiales
pueden ser transportados tanto en acarreo como en suspensión.
La carga total de sedimentos es la suma de la carga de lavado y la
carga del material del lecho.
7.2.2.4 El Trabajo de las Corrientes.
El agua que circula por las redes de drenaje, realiza cuatro tipos de trabajo diferentes:
1) desalojo y tratamiento de las partículas acarreadas,
2) modificaciones en el relieve,
3) transporte de los materiales desalojados,
4) sedimentación de estos materiales a lo largo del valle, o en lagos y mares.
Se pueden distinguir 4 modalidades de erosión fluvial: acción hidráulica, atrición, corrasión o
abrasión y corrosión.
a. Acción hidráulica.
Es la fuerza misma del agua, capaz de desalojar partículas de suelos y arrancar bloques y
fragmentos grandes de roca, del fondo o paredes de un cauce, dejando expuestas superficies ásperas, que poco a poco se van desgastando y suavizando por abrasión. El material retirado del lecho, es incorporado gradualmente a la carga sólida, incrementándose con ello, el poder
abrasivo de la corriente.
b. Atrición
Solución
Alta
velocidad
baja
turbulencia
Velocidad y
turbulencia
intermedias
Carga suspendida
Velocidad
baja, alta
turbulencia
Los sedimentos transportados que enturbian el agua, constituyen la carga suspendida; en tanto que, los fragmentos mayores que son arrastrados por el piso del
lecho, conforman la carga de fondo.
Figura 7.7. Modalidades de transporte de detritos con la velocidad de la corriente.
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Es la fragmentación y desintegración de los bloques de roca al chocar entre sí y con el lecho, mientras son arrastrados por la corriente.
c. Corrasión o abrasión
La corrasión o efecto lija es el desgaste de las rocas causado por el impacto de los granitos de arena arrastrados por el viento o el desgaste mecánico entre los bloques acarreados por la corriente y el contorno del lecho, o entre los fragmentos mismos que se mueven a velocidades diferentes, cuando los minerales más duros actúan sobre los menos
competentes.
Por lo general todas las corrientes acarrean fragmentos y bloques de roca producidos, bien por la acción hidráulica a lo largo de los cauces mayores o sus tributarios, o bien, por el
aporte directo desde las laderas. La abrasión opera entonces conjuntamente con la acción hidráulica, en el desgaste y redondeado de los fragmentos acarreados. Está testimoniada por la presencia en el fondo del cauce de oquedades cilíndricas que pueden alcanzar algunos
metros de diámetro y profundidad variable, y que son excavados por los fragmentos de roca, que trabajan en esos huecos como una broca gigantesca.
d. Corrosión.
La corrosión se define como el deterioro de un material a consecuencia de un ataque electroquímico por su entorno. Esta que es la modalidad de erosión fluvial más agresiva, se
debe a la acción disolvente del agua de los cauces naturales, la cual por lo general está cargada de ácidos y óxidos. Las rocas disueltas por esta acción son luego transportadas en estado de disolución.
1. 7.2.2.5 Transporte y Depósito.
Las corrientes de los cauces naturales, transportan su carga de tres maneras diferentes: en estado de solución, en suspensión y por tracción. En este último caso los fragmentos de roca se desplazan saltando, rodando, o por jalamiento, de manera más o menos intermitente. La
carga se distribuye entonces en tres porciones: carga disuelta, carga suspendida y carga de fondo. Las sustancias transportadas en solución provienen del agua subsuperficial y otra parte directamente del escurrimiento, pero solo una porción pequeña del material disuelto
que se encuentra en la corriente de agua, es disuelto por la corriente misma. Las partículas más pequeñas y livianas se mueven más fácil y rápidamente (carga suspendida), mientras las más grandes se desplazan rodando sobre el lecho en forma más lenta y menos continua que
las partículas que viajan en suspensión (carga de fondo). (Figura 7.7).
a. Desalojo y tratamiento de las partículas acarreadas.
La capacidad del agua para desalojar las partículas de suelo y los fragmentos rocosos del
lecho de una corriente, constituye una primera tarea selectiva que depende de la velocidad con la cual, la corriente puede separar partículas de diferente tamaño. En la gráfica muy conocida de la Figura 7.8, se aprecia cómo, con una velocidad de 30 cm/seg, el agua de una corriente puede separar del lecho las partículas de arena fina, mientras que para desalojar
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partículas más finas o más gruesas, se requiere velocidad más alta; esto debido a que las más gruesas tienen mayor masa y las más finas mayor cohesión.
También se puede observar que, tratándose de un mismo tamaño de partícula, cuando la
velocidad de la corriente decrece, aumenta la tendencia a la sedimentación; pero, si aumenta el tamaño de la partícula, disminuye el poder de transporte del agua. Así por ejemplo: una partícula de 0.02 mm es desalojada de su lecho, cuando la velocidad de la corriente supera una velocidad aproximada de 50 cm/seg; la corriente puede transportarla, mientras la
velocidad se conserve en el rango de 50 cm/seg a 0.15 cm/seg y se deposita por debajo de esta última velocidad.
Si la velocidad de la corriente decrece lentamente, las partículas más grandes y pesadas se
detienen y sedimentan, mientras las partículas pequeñas siguen su movimiento provocando una clasificación por tamaños y densidades. Solo rara vez la velocidad de la corriente se detiene tan repentinamente que las partículas de diferente tamaño se depositen juntas, pero
puede ocurrir cuando una corriente emerge de la zona montañosa a la zona plana formán-dose entonces un abanico aluvial.
Se denomina "capacidad" al modelado del canal por una corriente. El modelado ocurre en
las tres dimensiones: lateral cuando el lecho del cauce migra lateralmente, vertical cuando el lecho profundiza y remontante cuando migra hacia la parte alta de la cuenca. Los dos últimos modelados son más frecuentes en cauces torrenciales y el primero en cauces de llanura.
Por su parte la "competencia" se refiere al tamaño más grande de fragmentos que es capaz de transportar una corriente y depende de la velocidad, de la densidad y del caudal de la corriente, siendo máximo durante las avenidas.
Se ha calculado que la competencia varía con la sexta potencia de la velocidad y la capacidad con la tercera potencia de la velocidad.
b. Relación de la Velocidad con la Erosión y el Transporte
La velocidad de la corriente se incrementa cuando aumenta el caudal durante avenidas; el incremento puede no ser pe-riódico o establecido en términos
exactos, lo que hace muy difícil la aplicación de expresiones matemáticas.
El incremento en la velocidad de una corriente aumenta su capaci-dad para erosionar su lecho y transportar una carga. En teoría,
según lo expuesto por Logwell et. al. (1950), bajo condiciones ideales, si se dobla la velocidad:
1. Se incrementa cerca de 4
veces el poder abrasivo.
2. Se incrementar el diámetro del
Figura 7.8. Velocidades críticas de la corriente para el inicio del movimiento, transporte de sedimentos en función de su tamaño.
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fragmento más grande de roca que la corriente puede arrastrar a lo largo de su cauce por
lo menos 4 veces.
3. Se incrementa enormemente la capacidad de transportar fragmentos de roca de un
tamaño dado.
El aumento de la velocidad puede deberse al incremento de la pendiente o del caudal. Si la pendiente se incrementa 4 veces la velocidad casi se doblada. Un incremento mayor a este se puede presentar en las laderas de pendientes fuertes de nuestras montañas. Cuando
montañas con laderas pendientes y prolongadas son erosionadas por aguas de escurrimiento, pueden
presentarse graves procesos erosivos si estas están desprovistas de vegetación.
En caso de las avenidas torrenciales el incremento del caudal, supera muchas veces el doble de la velocidad de la
corriente. Durante las avenidas torrenciales que se presentan en los ríos de montaña, los incrementos de
velocidad pueden ser hasta de 20 veces; es decir cerca de 10 veces más que en condiciones normales de
precipitación.
Tal incremento de la velocidad resulta del incremento del caudal solamente, dejando en claro el por qué muchas corrientes alcanzan su más alto poder erosivo y de transporte durante las
avenidas, y la mayoría de su depósito ocurre cuando las crecientes se calman. Por ejemplo en la India (Ghona), durante una gran avenida ocurrida en 1895, la cual duró 4 horas, el agua transportó tal cantidad de gravas, que a lo largo de 20 kilómetros de su curso la
corriente dejó un depósito continuo con espesor entre 15 y 80 metros, lo cual habría sido imposible en condiciones normales de flujo, (Longwell, et. al., op. cit).
c. Ajuste del canal y la carga por el caudal.
Las fluctuaciones del caudal, obligan una serie de cambios o ajustes en las dimensiones del canal y en la pendiente, tal como se expone a continuación.
El incremento del caudal durante una avenida, aumenta la velocidad y por tanto la fuerza
tractiva de una corriente, así como el diámetro y el volumen total de los fragmentos de roca que pueden ser transportados. El canal es profundizado proporcional a su ancho, haciéndose más eficiente.
Más de las dos terceras partes del incremento del área de la sección transversal del canal, se
debe a la profundización del mismo. (West, 1995). (Figura 7.9).
a. Caudal normal b. Al aumentar el caudal se incrementa la velocidad y se profundiza el cauce. c. El caudal ha disminuido con lo cual se reduce la velocidad y se deposita nuevamente material en el cauce.
Figura 7.9 Modificaciones en la sección transversal de un cauce por los cambios de caudal. Tomado de West, 1995.
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El material desalojado durante la avenida es transportado junto con la carga sólida que arrastra la corriente, y se deposita aguas abajo, selectivamente según el tamaño de los fragmentos, tan pronto como la energía de la avenida se reduce.
De esta forma, una corriente de creciente erosiona su canal, y lo llena parcialmente con fragmentos de roca cuando la creciente cede. En algunos ríos grandes son movidas y posteriormente sustituidas por sedimentos nuevos, capas con espesor de 30 metros, o más en cada avenida.
Además, a causa de la profundización del lecho, el fondo del canal se rebaja y la pendiente disminuye temporalmente, debido a que el nivel de base no se reduce. Esto reduce la velocidad de flujo y con ello el incremento del caudal, hasta un punto en que la erosión cesa.
Sin embargo, como el caudal no se reduce súbitamente, siempre queda un exceso de carga que se deposita, provocando la agradación del canal y consiguiente incremento del gradiente promedio, facilitando el transporte de la carga remanente de aguas arriba.
Así, por erosión y depósito, la corriente ajusta continuamente su pendiente, mientras ella pueda transportar la carga disponible. Tal ajuste ocurre con cada inundación pero también puede ocurrir con cambios mayores en las condiciones de la corriente como por ejemplo por
la construcción de una presa.
Las fluctuaciones en el sistema por avenidas y estiaje usualmente estacionales y los delicados ajustes del canal que ellos conllevan, constituyen el régimen de la corriente el cual denomina
su comportamiento habitual durante todo el año.
d. Perfil de Equilibrio.
Según se ha explicado, existe un ajuste mutuo entre erosión y depósito, con respecto a la
carga que es transportada.
Se sabe que en las corrientes jóvenes o de alta montaña, predomina la erosión y la profundización del cauce sobre el depósito. Esto conlleva una reducción de la pendiente, a
expensas de la profundización del cauce y de la erosión remontante en la cabecera, y un incremento del volumen de la carga a movilizar exige la energía que produce socavamiento, la cual se utiliza temporalmente para arrastrar el exceso de carga.
Por este mecanismo la corriente ajusta el gradiente a su carga, y trata de establecer un balance entre la energía disponible y el trabajo requerido para transportar la carga. En otras palabras el perfil longitudinal se aproxima a un "perfil de equilibrio". Sin embargo las
variaciones frecuentes en el caudal y otros factores impiden que alguna vez se alcance este equilibrio.
De todas maneras, la tendencia a lograrlo es permanente y la corriente elimina gradualmente las irregularidades del perfil debidas a cascadas, rápidos y otras irregularidades suavizándola
de algún modo, y cuando se ha logrado un perfil "próximo a la condición de equilibrio", se dice que el perfil se ha nivelado.
A causa de que las condiciones de energía y carga requeridas para alcanzar ese perfil casi
equilibrado, pueden lograrse en algunas partes del perfil más pronto que en otras, y la nivelación se logra en unos sitios más pronto que en otros.
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311
La situación descrita es aplicable solo a cauces aluviales; en el caso de corrientes que fluyen sobre roca sana, estas, pocas veces llegan a nivelarse, a causa de que su carga es pequeña y
gran parte de su energía es dedicada a desgastar su lecho rocoso. A menos que ocurra un cambio en el régimen de una corriente, ésta conserva su condición de nivelación
indefinidamente mientras que muy lentamente reduce su gradiente.
A nivel de una cuenca de drenaje, las corrientes
afluentes tributan en la corriente principal al mismo nivel de sus orillas, a pesar de la mayor capacidad que tiene la corriente principal para
erosionar el fondo, como consecuencia de su mayor caudal y cuando por alguna razón, desciende el nivel de base local, se incrementa
la pendiente de los tributarios, lo cual les permite ajustarse al trabajo de la corriente principal, a pesar de sus caudales más
reducidos.
El incremento de la pendiente de los tributarios, originalmente más pendientes que la corriente
principal, aumenta su erosión de fondo, en respuesta a la profundización de la corriente principal, lo cual origina valles tributarios
angostos y profundos. Esto es muy evidente en la mayor parte de los ríos interandinos, cuyos afluentes en consecuencia son de carácter torrencial.
Cuando una parte de la corriente principal alcanza la condición de nivelación, los tributarios locales también lo alcanzan respecto a esta corriente principal. Cualquier cambio normal a largo plazo en la pendiente, el caudal o la carga, (períodos normales de invierno o verano),
altera la condición de nivelación debido al cambio en la tasa de erosión.
Por otro lado, corrientes relativamente niveladas pueden evolucionar a corrientes de agradación, debido al incremento en la carga, ocasionada por mal uso del suelo, el sobrepastoreo o la deforestación o por cualquier otro motivo que intempestivamente adicione
gran cantidad de carga en ella, con peligro de inundaciones.
Cambios más lentos de larga duración y efectos no perceptibles históricamente, ocurren por razones geológicas tales como el descongelamiento de casquetes polares, los ajustes del
relieve ante el desplazamiento provocados por fallas geológicas. En uno u otro caso, las corrientes reinician su tarea niveladora, tardando más o menos tiempo en lograrlo según el caso.
Figura 7.10 El cauce en proceso de socavación severa, se profundizó y formó una zanja muy profunda. La profundización del lecho moviliza el material del pie de las laderas, haciéndolas susceptibles a la inestabilidad por movimientos en masa. (Carlos E Escobar P).
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7.3 LA CORRECCIÓN DE TORRENTES.
Para realizar las acciones intensivas (mecánicas) y extensivas (establecimiento de vegetación) en la corrección de cauces torrenciales es necesario identificarlo a partir de una clasificación
cualitativa en:
Cauces de socavación.
Cauces de transporte.
7.3.1 Cauce de socavación.
Se identifica porque el caudal líquido es contaminado con la carga de lavado y del material del lecho, y adquiere mayor energía. El flujo contaminado socava el cauce, lo profundiza, lo
amplía y acelera los procesos de degradación de las laderas, en las formas de erosión hídrica y movimientos en masa. La ausencia de coberturas vegetales trae como consecuencia crecientes que involucran grandes caudales, durante los aguaceros. La figura 7.10 presenta el cauce principal de la cárcava El Tablazo, afectado por socavación severa.
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Figura 7.11 Pendiente de compensación.
a. Canalizaciones. La corrección más común en los tramos iniciales de cauces urbanos y de
proyectos de ingeniería, consiste en el revestimiento del lecho con canales, obteniendo una sección artificial en concreto, en piedra pegada o en gaviones, controlando la profundización del cauce, al conducir las aguas en forma ordenada, y permitiendo el paso de la corriente y
de los sedimentos sin ocasionar daños.
b. Diques de consolidación. La solución a los problemas de socavación en cauces de montaña, consiste en reducir la fuerza erosiva de la corriente disminuyendo la velocidad del
agua, a través de pendientes longitudinales menores y secciones más amplias del cauce. Esta disminución se logra al realizar una serie de saltos de fondo, con obras transversales hasta lograr un tratamiento en forma de escalas. La nueva pendiente del cauce se denomina “pendiente de compensación”. Figura 7.11.
La corrección tiene como finalidad controlar los procesos en el lecho, evitando que se incorporen sólidos en la corriente. La acción de las aguas sobre el lecho, está ligada a la tensión tractiva que ejerce la corriente sobre el contorno móvil del canal que lo limita. Esta
tensión tractiva arranca y transporta los materiales en la forma de acarreos, viene dada por:
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: Peso Unitario del agua (Ton/m3)
R: Radio hidráulico (m)
i: Pendiente del cauce (Tanto por uno)
A la tensión tractiva se opone la resistencia que ofrecen los materiales al arranque y
transporte (peso, inercia, fricción, etc.). Esta resistencia se evalúa mediante la tensión tractiva existente en la descarga, en el momento de iniciarse el movimiento de la masa de los materiales y suele denominarse tensión crítica.
50dfmo
(7.2)
En donde:
o: Tensión crítica (Ton/m2).
: Coeficiente
m: Peso unitario del material (Ton/m3)
f: Peso unitario del fluido (Ton/m3)
d50: Diámetro característico (m)
La pendiente de compensación se puede obtener:
Comparando el comportamiento del cauce a tratar, con otros cauces ecológicamente
similares.
Sobre la base de la
velocidad límite de
transporte de los acarreos
con dimensiones de
diámetro (d).
Sobre la base de un gran
número de observaciones
en combinación con la
experiencia del
proyectista.
Comprobación de la pendiente de compensación.
Una forma de determinar, en forma aproximada, la pendiente de compensación de un cauce,
se logra a partir de la velocidad límite de arrastre de los materiales por el agua.
Figura 7.12 Dique abierto diseñado para retener material de roca
y madera. Aguas arriba cuenta con una plaza de depósitos.
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315
34
234
310
)(
Q
nBUVie
(7.3)
En donde
ie: Pendiente estable o de equilibrio
U: Velocidad máxima permisible a la cual empieza la erosión.
V: Relación entre la velocidad media y la velocidad en el fondo del cauce (varía entre 1,3 y 1,5)
B: Perímetro mojado que puede considerarse igual al ancho del cauce.
n: Coeficiente de rugosidad del río.
Q: Caudal de diseño.
La velocidad máxima permisible a la cual empieza la erosión, se obtiene a partir de los ábacos de las figuras 7.13, para suelos cohesivos y 7.14 para suelos granulares.
7.3.2 Cauce de transporte.
Se distingue porque la carga que baja por el cauce, pasa gracias a la energía de la corriente líquida permitiendo el transporte del material al valle. El lecho tiende a elevarse por la acumulación de sedimentos, divaga en forma caótica presentando procesos de trabajo sobre el lecho inestable. La figura 7.15 muestra un tramo de un cauce de transporte en proceso de
sedimentación y socavación de las orillas.
Problemas. Es indicador de una
cuenca altamente degradada siendo urgente el tratamiento de las laderas con labores de
carácter extensivo (acciones biológicas). Los materiales acumulados en el lecho, no
consolidados, se pueden incorporar al caudal provocando flujos de lodos. La acumulación
de sedimentos a lo largo del cauce ocasiona en forma simultánea problemas por
sedimentación y socavación de orilla que afecta infraestructuras y zonas de cultivos.
Figura 7.13 Velocidad permisible para suelos cohesivos.
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Figura 7.15 Cauce de transporte. El incremento de finos por deshielo del casquete polar del nevado del Ruiz generó la sedimentación del cauce y su colmatación, afectando el puente de la vía del parque natural Los Nevados. (Carlos E Escobar P).
Soluciones: Los tratamientos en las laderas incluyen acciones mecánicas como movimientos de tierra, acequias o canales a media ladera y la siembra de vegetación en las áreas desprovistas de esta. Con las coberturas vegetales se mejora la respuesta hidrológica de las laderas, al ampliar las áreas de
bosque, los cambios del uso del suelo y prácticas de conservación de suelos, entre otros. Las labores
extensivas son económicas y su respuesta requiere tiempos más largos.
Las estructuras en los tramos de cauces estrechos y profundos, son diques cerrados que retienen el
material en el lecho, permitiendo el control del poder erosivo del caudal sólido, al fijar el nivel de la línea de
drenaje, evitando su socavación lateral y permite el establecimiento de coberturas vegetales, eficientes
en la fijación de las orillas del depósito.
Los tratamientos con diques de retención tipo abierto, como el presentado en la figura 7.12,
permiten la regulación de los caudales líquidos y sólidos, retienen en forma temporal el
Figura 7.14 Velocidad permisible para suelos granulares.
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317
Figura 7.16 Cauce sometido a erosión severa por socavación de finos que escurren por el lecho del cauce. El proceso llevó al colapso del terraplén de la vía. (Carlos E Escobar P).
material de arrastre, retiran de circulación los tamaños grandes, contribuyen a disminuir el poder erosivo de la corriente y protegen la infraestructura localizada en la parte baja del cauce, de daños por inundaciones por flujos de lodos.
Estos diques están dotados en su costado aguas arriba de una plaza de depósito, localizada en los tramos amplios del cauce o en los conos aluviales y su función es retener los tamaños grandes y disminuir el poder erosivo de las aguas. Con frecuencia, necesitan labores de mantenimiento.
En los cauces muy anchos se construyen protecciones de orilla con tratamientos de espolones, enrocados, coberturas vegetales o diques longitudinales. Estas
soluciones son recomendadas en tramos de cauces afectados por socavación lateral. El requisito indispensable es que
el ancho del cauce permita establecer obras sin modificar la profundidad de la lámina de agua.
Los cauces que atraviesan áreas urbanas se corrigen con la construcción de muros longitudinales dotados de rastrillos,
canalización de fondo móvil donde se logra en forma simultánea, el control lateral del cauce y se conserva la
pendiente de compensación.
7.4 CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE CORRECCIÓN DE CAUCES.
Se pretende incluir algunas consideraciones a tomar en el momento de realizar los estudios y diseños de una
corrección, con el fin de lograr soluciones funcionales durante la construcción y operación de un proyecto.
Hacer la zonificación que permita identificar los drenajes por las características de sus lechos:
haciendo diferencias de aquellos que son altamente afectados por erosión, de los que presentan susceptibilidad media y de los resistentes a la erosión; aquellos drenajes que cruzan zonas inestables y otros que son invadidos por depósitos. Además se identifican en
cada cauce los tramos de socavación y de sedimentación.
Las modificaciones que sufre el patrón del drenaje natural permiten identificar los drenajes sometidos a dinámicas por el incremento o disminución de caudales. Los cauces que son
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318
Figura 7.17 Las laderas son inestables, represan el cauce y estimulan la socavación severa. La corriente adquiere la capacidad de movilizar sólidos de gran tamaño. (Carlos E Escobar P).
cortados por la excavación de un talud nuevo o aquellos que son alterados por sedimentos originados en actividades propias de construcción de un proyecto de ingeniería; los drenajes con cuencas deforestadas y aquellos que son modificados por depósitos de disposición. La
figura 7.16 presenta un cauce con erosión severa por la circulación de la corriente por encima del terraplén de una vía del parque Los Nevados.
Estas y otras situaciones se incluyen en los inventarios de las modificaciones del patrón del drenaje natural, con el fin de englobar el fenómeno torrencial dentro de los planes de manejo
ambiental de un proyecto y plantear las obras y labores necesarias para disminuir los impactos y conservar estable el drenaje natural bajo las nuevas condiciones impuestas por un proyecto.
Además el inventario del estado de los drenajes permite programar la intensidad de los tratamientos y la secuencia de las labores, así como en el tipo de medida a implementar.
Los problemas en cauces torrenciales están íntimamente relacionados con el incremento de
los caudales líquidos, la producción, el transporte de sólidos y al cambio del perfil longitudinal del cauce. En los tramos de cauces en la influencia de infraestructura, es posible que se estimule la socavación de fondo y lateral, se amplíen las áreas desprovistas de vegetación y
se incrementen las aguas de escorrentías, hasta alterar la dinámica del cauce.
El cauce erosionado permite el incremento del
caudal sólido y dota a la corriente de mayor poder erosivo, socava y desestabiliza las laderas, involucra en el flujo nuevas masas de
suelo, de rocas y de madera, las cuales son transportadas ocasionando problemas en estructuras, viviendas y cultivos localizados en
las cercanías del cauce. La figura 7.17 presenta un cauce inestable en el pie de dos laderas afectadas por movimientos en masa. Los sólidos
de gran tamaño quedan susceptibles a movilizarse e incorporarse en el caudal sólido
La socavación de fondo se controla con la
construcción de diques de consolidación. Este tratamiento en forma de gradas permite disminuir la fuerza erosiva de la corriente, se amplía la sección transversal del cauces por el
aterramiento que ocurre en este, se disminuye la altura y los ángulos de inclinación de laderas y taludes que forman el cauce, incrementando
la estabilidad hasta disminuir la dinámica erosiva. La corrección permite retener sedimentos en el lecho del cauce o en el fondo
de una cárcava, y simultáneamente se retira un porcentaje de caudal sólido de circulación;
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319
además de disminuir las pendientes de los cauces tributarios. El fin primordial es alcanzar el equilibrio necesario para el arraigo y establecimiento de la vegetación reguladora del medio y soporte del equilibrio dinámico del sistema.
La figura 7.18 presenta una síntesis de las acciones que se pueden seguir para el control del transporte sólido y líquido en cauces torrenciales, de acuerdo a la dinámica erosiva en laderas y cauces, las características de los caudales líquidos y sólidos y su localización respecto a infraestructura que pueda ser afectada.
Control del transporte solido
Selección de madera
Selección de material
Consolidación del cauce
Estabilidad del cauce
Selección de solidos
Tratamiento del cauce
Regulación del transporte solido
Regulación del caudal
Rotura de un flujo de lodos
Tomado de: Per una Difensa del Territorio. 1992
Figura 7.18 Acciones para el control de cauces torrenciales.
Las obras de corrección pueden ser de carácter permanente o temporal. Las primeras son el soporte del sistema de corrección, son sólidas, costosas y son el soporte de todo el tratamiento. Las de carácter temporal controlan la inestabilidad durante el tiempo necesario
para el establecimiento de la vegetación, como el caso de los trinchos. Al retirar solidos de circulación, mejorar la calidad del agua y regular los caudales se hace el control de la erosión.
Para adoptar el el tipo de solución es necesario investigar la dinámica del proceso, su
intensidad y magnitud, las condiciones y el estado de los drenajes y de las laderas.
El proyecto para la corrección de un cauce torrencial requiere de la localización correcta de las estructuras, ligada a la comprensión del fenómeno torrencial, a la elección adecuada del tipo de dique a utilizar para corregir el problema y al análisis de alternativas económicas con
énfasis en los aspectos de construcción, de transporte y disponibilidad de los materiales. Por otro lado el análisis de los caudales, las fuerzas actuantes y las características geomecánicas de los suelos son los insumos para el dimensionado de las estructuras.
7.5 DISEÑOS DE DIQUES PARA LA CORRECCIÓN DE TORRENTES.
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320
El dique es una estructura de poca altura, construida en un cauce torrencial, localizada en forma transversal a la corriente. Su finalidad es corregir los problemas de socavación, mediante el control de la torrencialidad de la corriente. Con el dique se establece un nuevo
nivel del cauce y se orienta la corriente en forma conveniente para controlar la socavación de fondo y de las márgenes en curvas del cauce o por la sedimentación y trabajo del agua en los depósitos que conforman el nuevo lecho. La figura 7.19 presenta la corrección con diques de consolidación.
7.5.1 Tipos de dique:
a. Según el método de cálculo se diseñan:
Diques de gravedad
Diques en arco
Diques en tierra
Diques autosoportados en concreto reforzado
Diques con interceptor horizontal
Dique como lastre o a contrafuerte.
b. Según su funcionalidad se acostumbra diseñar:
Diques planos
Diques abiertos.
7.5.2 Dimensionado del Dique de Gravedad:
El dique de gravedad es el más utilizado en
nuestro medio debido a las características de nuestros cauces, el tipo de problemas a tratar, las condiciones de los lechos y de las laderas y la
facilidad de construcción al utilizar materiales del lecho.
a. Estabilidad del dique
Para el dimensionado del dique se consideran dos grupos de fuerzas que intervienen en su estabilidad.
Las fuerzas desfavorables a la estabilidad son:
El empuje hidrostático sobre el paramento
aguas arriba
Empuje de aterramiento
Empuje hidráulico sobre la base del dique
Figura 7.19 Corrección de un cauce torrencial con diques en gaviones. (Carlos E Escobar)
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321
Empuje debido al principio de Arquímedes
Empuje de hielo
El choque de cuerpos flotantes
El efecto del vacío entre el agua y el paramento aguas abajo
El rozamiento del agua contra el escarpe.
Las fuerzas favorables a la estabilidad son:
El peso del material que constituye el dique
La componente vertical de los sedimentos y del agua en el paramento aguas arriba
El peso del agua sobre el vertedero
La fuerza del agua contra el paramento aguas abajo
La cohesión del material.
Los cálculos de estabilidad son semejantes a los realizados para muros de gravedad; se verifica la seguridad contra el volcamiento, el deslizamiento y la capacidad portante del suelo
de la fundación.
El llenado del vaso del dique se presenta en tres etapas reconocidas, de valiosa identificación para realizar las consideraciones necesarias al estimar las cargas actuantes y determinar los
períodos más críticos en su estabilidad. Estas son: el llenado del vaso, el aterramiento y relleno, y la consolidación y establecimiento del nuevo lecho.
La primera etapa es la más crítica debido a que en ocasiones los empujes hidrostáticos y por
los cuerpos flotantes sobre el paramento aguas arriba de la estructura actúan desde la fundación de la estructura. Estos se pueden disminuir incrementando la cantidad o capacidad de los mechinales, o mediante un relleno en el trasdós del dique.
Durante la etapa del aterramiento se presenta la condición de empuje por suelos sumergidos. Estos empujes se disipan con la presencia de los mechinales o la colocación de drenajes subterráneos que permitan el control de las presiones de poros sobre la estructura.
Los diques en gaviones son permeables a través del cuerpo, traen peligro de erosión interna de llenos conformados por materiales mal gradados, predominantemente finos. Para corregir este problema se recomienda la instalación de una tela de geotextil no tejido en el
paramento aguas arriba, con el fin de retener finos y lograr la estabilidad.
La principal fuerza que contribuye a la estabilidad es el peso propio de la estructura. En los cálculos de los diques en concreto se utiliza un peso específico de 2,30 ton/m³. Los diques en
gaviones de calculan asumiendo un peso unitario 1.80 ton/m³.
Otras fuerzas favorables a la estabilidad son el peso del agua y del terreno sobre la base del dique, en la cara aguas arriba y el peso del agua sobre el vertedero de la estructura. Aguas
abajo del dique actúa, contra el paramento, un empuje pasivo por el suelo de depósito y el empuje por el agua. Estas últimas fuerzas no se consideran en el momento del cálculo, con el fin de prever eventuales socavaciones de la estructura. Cuando el dique dispone de un enrocado o el tirante de aguas abajo es importante, se hace necesario considerar estas
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322
fuerzas en los cálculos. La figura 7.20 presenta la configuración de las fuerzas que intervienen en un dique.
1. Empuje del terreno
2. Entre 1 y 10 veces el empuje hidrostático, cuando se considera flujos veloces.
3. Entre 0,5 y 2 veces el empuje hidrostático, homogéneo en la altura.
4. Empuje del terraplén aguas abajo del dique.
5. Peso del terreno aguas arriba del dique.
6. El peso del agua en el vertedero.
7. El peso de la estructura.
Figura 7.20 Configuración de las fuerzas sobre un dique.
Figura 7.21 Dique de consolidación.
La localización de un dique depende de las condiciones físicas del suelo de cimentación, de sección transversal del cauce y de la magnitud de los caudales líquidos y sólidos que se presentan. Estas variables gobiernan el cálculo de la estructura, además de la elección del
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323
perfil más conveniente de la estructura y las estructuras adicionadas como enrocado o contradique.
b. Perfil Transversal del Dique:
El perfil se refiere a la selección de la forma del cuerpo o vástago de la estructura, el cual está soportado en una base encargada de garantizar su estabilidad y transmitir al suelo los
esfuerzos.
La elección del perfil parte de la sección que sufra menores daños en el parámetro aguas abajo, por los materiales transportados por la corriente, y sobre la evaluación económica,
principalmente en obras de poca altura. De todos modos las soluciones dependen de los métodos utilizados en el dimensionado de la estructura, en la configuración de las fuerzas elegidas y en el espesor de la corona del dique. Las figuras 7.21 y 7.22 presentan diques de
consolidación.
Figura 7.22 Dique en mampostería y enrocado de fondo
De los análisis de los resultados obtenidos por experiencias resulta que, excepto para el caso
de diques bajos, menores de dos metros, es conveniente diseñar diques con paramentos agua arriba vertical y aguas abajo inclinado, con un valor intermedio de 1:5 (H:V).
En el diseño de obras de corrección de cauces torrenciales es necesario hacer la evaluación
económica de la solución la cual debe incluir, además del tipo de estructura y su dimensionado, otras variables como la vida útil de la solución, el mantenimiento, la maquinaria y mano de obra necesarios para su construcción.
c. Espesor de la corona.
El espesor adecuado de la coronación permite defender la estructura de desgastes o roturas por impactos de piedras o materiales que bajan por el cauce.
El espesor de la coronación está relacionado con la altura del dique, por lo general es mayor
a 80 centímetros. La coronación se construye con materiales resistentes al desgaste y en lo posible el vertedero se nivela convenientemente.
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Figura 7.23 Vertedero trapezoidal. (Carlos E Escobar P).
d. Vertedero.
Los diques están provistos en la parte superior del vástago
de un vertedero encargado de evacuar los caudales. Puede tener forma rectangular, trapezoidal o
semicircular y sus dimensiones dependen de las necesidades del proyecto, de
los caudales a manejar o del control que se quiera sobre los caudales. El vertido se
puede realizar de dos formas: en caída libre despegándose la lámina del
paramento aguas abajo de la estructura o adosándose al paramento mediante el diseño de un perfil hidrodinámico.
El dimensionado del vertedero se soporta en los caudales máximos que atiende el cauce,
para darle la suficiente capacidad al vertedero, principalmente cuando se trata de diques en tierra, mampostería o gaviones.
Un vertedero insuficiente obliga al paso de la creciente por encima de los hombros de la
estructura, que con mayor poder erosivo sobre zonas desprotegidas ocasiona la socavación que por lo general hace fallar la estructura.
El vertedero como el presentado en la Figura 7.23 se dimensiona hallando la altura de la
lámina de agua, para un caudal total Q en un vertedero rectangular, considerando el dique aterrado y con caída libre, el escurrimiento alcanza una altura h. Siendo q
0 el caudal por
unidad de longitud del vertedero, se tiene:
hq
g
o
2
3
(7.4)
En donde:
q0: Caudal por unidad de ancho. m³ seg¯¹
h: Altura de la lámina de agua. m
g: Aceleración de la gravedad. m seg¯²
Considerando un dique sin aterrar, con caída libre se puede utilizar la fórmula.
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325
hQ
1.705L
23
(7.5)
En donde L es la longitud del vertedero.
e. Mechinales:
Son los huecos de desagüe dejados en el cuerpo del dique o vástago. Tienen la misión de aliviar el efecto de las presiones hidrostáticas sobre el vástago, permitiendo el flujo de una parte de la corriente y evitando así que el vaso formado por la construcción del dique se llene
de agua, además de permitir el escurrimiento del agua durante el llenado, evitando las presiones de poro sobre la estructura.
Para calcular el caudal que pasa por el orificio se considera una luz circular. Si h es la
profundidad al centro del orificio y d es el diámetro, el caudal será.
Q CP
4d 2gh
U
2 (7.6)
En donde Cu= entre 0.6 y 0.8
La distancia entre los orificios sobre una misma hilera no debe ser inferior a 15 veces el diámetro. Los orificios se ordenan a tres bolillos y la separación entre hileras no deberá ser
inferior a 7.5 veces el diámetro del orificio.
f. Contradique y platea:
Para evitar daños por socavación del dique en la descarga del vertedero, es necesario
disponer de una zona de amortiguación de la energía cinética, mediante la construcción de un contradique. La figura 7.24 presenta la distancia entre el dique y el contradique.
Para lechos de suelos finos, arenas y gravas o en cauces con arrastres de sedimentos de
tamaño medio (gravas), se recomienda la construcción de un enrocado en la descarga del vertedero. El cuenco entre el dique y el contradique deberá contar con una longitud suficiente para disipar la caída del agua y permitir la transformación de la corriente rápida a
corriente lenta a través del resalto hidráulico.
Una fórmula empírica muy usada para determinar la distancia a la estructura de disipación es aquella propuesta por ANGHERHOLZER
d v 2gh 2z
gh
(7.7)
En donde:
d: Longitud a la obra de amortiguación (m)
V: Velocidad del agua sobre el vertedero (m seg¯¹)
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326
Figura 7.25 El enrocado de fondo protege el dique de la socavación en la descarga del vertedero. (Carlos E Escobar P).
z: Altura de la caída libre, considerada igual a la altura del dique (m)
Figura 7.24 Contradique y platea
Para calcular la altura del contradique se debe tener en cuenta que ambos vertederos tienen las mismas dimensiones, puesto que el caudal que debe pasar es el mismo.
La altura h, aguas arriba del dique, será igual respecto al fondo del vertedero. Debido a que
la altura de agua respecto al fondo deberá ser un poco mayor de h2, el contradique tendrá un desarrollo vertical igual a:
Z 1.2 h hC 2 (7.8)
La platea generalmente está formada por un enrocado de grandes piedras unidas con concreto y resistentes al impacto del agua y de los materiales
que caen desde el vertedero del dique principal. La figura 7.25 presenta un enrocado de fondo.
Se deben tener en cuenta algunos cuidados durante
la construcción de los diques:
El dique se ancla en los taludes con el fin de evitar la socavación lateral.
Su dirección es decisiva en la orientación de la corriente por el eje del cauce.
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327
Son los elementos de protección del cauce contra el efecto por socavación en la descarga del vertedero. Su función es evitar que las aguas vertidas, con velocidades mayores a la del cauce, por causa de a aceleración producida por el escalón en la corriente a que da lugar la
estructura del dique. Esta protección se logra al instalar, en la zona de la descarga del vertedero, donde se presenta la turbulencia, un enrocado conformado por materiales resistentes a la erosión, bien por su tamaño o ligados con concreto. El enrocado ligado con concreto presenta buena resistencia, los espesores deben ser mayores a 0,40 m, alta
rugosidad y el ancho debe garantizar que la lámina de agua o la turbulencia no generen socavación y conflicto en la vecindad de la estructura.
Los enrocados pueden ser horizontales o inclinados, con relación al cauce tratado, aguas abajo del dique a proteger.
i. Los enrocados horizontales son calculados a partir de la siguiente fórmula (F. López
Cárdenas del Ll. Corrección de Torrentes y estabilización de Cauces Pag 121)
4
1
4
2
22
12
2
1
11
4
11
vv
qc
vvg
qcL
(7.9)
En donde:
L1 (m) Longitud del enrocado (en caso de vertederos de caída recta, debe contarse a partir del punto de alcance de la lámina al pie del dique)
C (m1/2/s) Coeficiente de Chezi correspondiente a los materiales del enrocado. Si es superficie rugosa puede hacerse C=20; en caso de concreto liso C=50.
q (m2/seg) Caudal de cálculo, por unidad de ancho.
V1 (m/seg) Velocidad de descarga en el pie del dique
V2 (m/seg) Velocidad en régimen uniforme en el tramo libre aguas abajo.
ii. Cuando el enrocado es inclinado con la misma pendiente del cauce (adecuado para
pendientes fuertes), la relación matemática derivada de las ecuaciones de
régimen variado resulta muy compleja, por lo que basándose en estas ecuaciones,
se ha obtenido por regresión una relación más simple, muy aproximada, a partir
de coeficientes de rozamiento del Manning en el enrocado de 0,05 y 0,04 en el
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329
enrocados se emplean cuando los sólidos que acarrea el cauce presentan tamaños de gravas. Cuando el cauce transporta bloques, no son recomendables los enrocados debido a fallas por el impacto, después de la caída.
7.5.3 Tipos de dique según el material de construcción.
a. Trinchos
Los trinchos son estructuras de carácter temporal encargadas de ejercer el control de fondo
de una cárcava o un drenaje que atiende aguas de escorrentía, durante el tiempo necesario para el arraigo y establecimiento de la cobertura vegetal. Es fundamental su adecuada localización y el correcto dimensionado del vertedero con el fin de controlar los procesos de
sedimentación y socavación que se generan por su presencia.
i. Trinchos de pared simple en madera o en guadua:
Son barreras construidas en madera, localizadas normales a la línea del drenaje. Se utilizan
para corregir surcos, cárcavas de poca profundidad y tramos iniciales de líneas de drenaje. Su carácter temporal en un tratamiento permite su proyección para controlar la erosión mientras se establece la vegetación, que es, en últimas, la que estabiliza el área de
tratamiento. Su altura máxima recomendable a la base del vertedero es de 40 centímetros. Intercalados con los elementos verticales se acostumbra instalar estacas de árboles nacederos. Se proyecta para el tiempo necesario de la vegetación del área de tratamiento y
se dispone un vertedero central.
El trincho está construido con elementos horizontales, que pueden ser de madera o guadua, soportados por elementos verticales anclados mínimo 100 centímetros de profundidad,
separados entre sí un metro. Los elementos horizontales son amarrados a los verticales con alambre galvanizado figura 7.27.
Se nivela el terreno por medio de una zanja que coincide con la estructura con el fin de
construir un trincho regular; se excavan hoyos separados un metro que sirven para hincar los elementos verticales, los cuales serán bien asegurados con un relleno bien apisonado. Posteriormente se colocan uno a uno los elementos horizontales amarrados a los verticales
con alambre galvanizado. Paralelo a la construcción se realiza el lleno de suelo en capas horizontales, el cual queda con un desnivel por la línea a máxima pendiente de mínimo 4 por ciento. Se coloca un enrocado ligado con concreto en el área de la descarga del vertedero,
aguas abajo del trincho, para evitar la socavación del lecho.
Cuando no se realiza el relleno, se protege el trincho con una tela de costal de fique para evitar la pérdida de finos a través del trincho y lograr la colmatación del vaso.
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Figura 7.27 Trincho de pared simple en madera
ii. Trincho de pared doble.
Consiste en la construcción de dos trinchos de pared simple paralelos, separados 50 centímetros, localizados transversales a la línea de drenaje rellenos con suelo bien apisonado y dotados con vertedero. Los trinchos se construyen en forma similar a los trinchos de pared
simple. La figura 7.28 presenta el corte de un trincho de pared doble. Aguas abajo del vertedero se construye el enrocado.
Para la construcción del trincho de pared doble se nivela el terreno por medio de una zanja
que coincide con el ancho de la estructura con el fin de conseguir un trincho regular. Se construyen dos trinchos de pared simple, y a medida que se colocan los elementos horizontales, se realiza el relleno entre los trinchos en capas horizontales bien apisonadas, se
colocan amarres en forma de templetes atortonados, a los tercios de la altura de los trinchos. Se coloca un enrocado ligado con concreto en la zona de la descarga del vertedero, aguas abajo del trincho.
Figura 7.28 Trincho de pared doble sección por el eje del cauce.
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iii. Trincho en V.
Es la construcción de dos trinchos de pared simple uno a continuación del otro, localizados
en posición convergente a 60 grados respecto al eje de la línea del drenaje a cada lado. Los elementos horizontales cuentan con una inclinación hacia el centro del drenaje de
mínimo 25%.
Estos elementos van soportados por elementos verticales separados 50 centímetros
hasta conseguir la altura del trincho, cuidando de hincar dos maderos verticales en el inicio de cada trincho. La altura del trincho, es de 40
centímetros. La figura 7.29 presenta un esquema de los trinchos en V.
Se nivela el terreno por medio de una zanja
que coincide con los alineamientos y la pendiente de la estructura con ancho de 30 centímetros, con el fin de conseguir una
estructura estable y segura. Se construyen los dos trinchos de pared simple, orientados con la línea del drenaje.
iv. Trincho mixto, construido con piedra acomodada y madera:
Se utilizan para corregir surcos cárcavas de poca profundidad y líneas de drenaje. La decisión
de construir trinchos combinados depende de la disponibilidad de los materiales en la zona. Su finalidad es confinar piedras con material leñoso, para permitir la vegetación y lograr la recuperación de una cárcava.
b. Dique en tierra.
Se utiliza para retener suelo en cauces de aluvión con pocas piedras, donde no hay afloramientos rocosos. Se utilizan para retener suelos en rellenos hidráulicos o para
almacenar agua cuando predominan suelos finos. Es indispensable un vertedero con suficiente capacidad hidráulica que evite desbordamientos por la estructura, por lo general revestido en concreto. En rellenos hidráulicos es recomendable el dimensionado de los filtros, encargados de acelerar los procesos de consolidación.
c. Diques en piedra acomodada en seco:
Se utilizan cuando el terreno de cimentación es de mala calidad. Tiene la ventaja de anular el peligro de las subpresiones, inconveniente cuando la roca de cimentación está muy
fracturada. Son utilizados en líneas de drenaje y cauces secundarios con bajos caudales y alta producción de sedimentos.
Figura 7.29 Trincho en V para corrección de drenajes
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Figura 7.31. Diques en gaviones para tratamiento de cauces. (Carlos E Escobar P).
Figura 7.30 Tratamiento de un cauce con diques en piedra ligada con concreto. (Carlos E Escobar P).
d. Diques en piedra ligada con concreto.
En cauces permanentes contaminados con aguas negras. Son estructuras con alturas hasta de diez
metros. En nuestro medio son frecuentes alturas hasta de tres metros. Estas estructuras se pueden remplazar por diques en concreto ciclópeo o en concreto simple. Se prefieren cuando las condiciones
de resistencia de los suelos de fundación sea aceptable y presente buena consolidación. La figura 7.30 presenta un tratamiento de cauces con diques
en piedra ligada con concreto.
e. Dique en gaviones.
Son estructuras utilizadas en cauces con alto aporte
de sedimentos. Recomendadas para corregir cauces poco contaminados con aguas negras. El vertedero es por lo general rectangular y se reviste con
concreto con el fin de conseguir mayor vida útil de la estructura. La ventaja de estos diques radica en su permeabilidad y la flexibilidad de la estructura
además de la economía cuando se corrigen cauces de difícil acceso conformados por lechos rocosos. La figura 7.31 presenta una corrección de cauces con
diques en gaviones.
f. Dique en concreto reforzado.
Es la estructura principal dentro de la corrección de
cauces. Su localización debe ser cuidadosa y las obras complementarias de protección, bien diseñadas con el fin de garantizar su estabilidad
frente a fenómenos de socavación.
El concreto reforzado es utilizado en estructuras sometidas a altos empujes por flujos, como los
diques abiertos o los diques principales en una corrección de torrentes.
g. Dique con estructuras metálicas y elementos prefabricados.
Son diques de retención tipo abierto. Su uso más común es el de retener los sobre tamaños como bloques o madera en cuencas reforestadas. Estos
diques son localizados aguas arriba de estructuras especiales como los box culvert o puentes. Están dotados de una plaza de depósitos que alberga los
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Figura 7.32 El enrocado en piedra ligada con concreto protege el lecho de los procesos de socavación severa. (Fotografía Carlos E Escobar P).
de excesos para evacuar el caudal, al momento de llenada la plaza de depósito. Estos diques requieren mantenimiento sistemático para habilitar la plaza después de llenada. De ahí la necesidad de construir una vía de acceso de maquinaria y equipo para realizar los
mantenimientos.
7.6 ESTRUCTURAS COMPLEMENTARIAS
a. Control de fondo:
El control de fondo se consigue con la
construcción de azudes y su propósito es el fijar el lecho del cauce en un nivel predeterminado por la presencia de
estructuras y viviendas.
Se construyen excavando una zanja que coincide con una sección transversal del
cauce y haciendo el vaciado de piedras de buen tamaño embebidas en concreto. La profundidad varía de acuerdo con el tipo de
material del lecho, la pendiente y la profundidad a la que se encuentre el lecho estable.
c. Enrocados:
Los enrocados son elementos de protección de fondo cuando se prevén flujos
turbulentos o cuando se requiere proteger el pie de una estructura, como diques o en entregas de alcantarillados y canales de
todo tipo a cauces naturales.
El espesor del enrocado y la calidad del concreto que liga las piedras dependen del
grado de seguridad que requiera la protección. Comúnmente los enrocados se utilizan para completar la disipación de
energía de las entregas, por la rugosidad de su superficie. Es conveniente agregar al final de los enrocados un dentellón construido en el mismo material (piedra - concreto), para evitar que la socavación aguas abajo del enrocado deje sin apoyo la placa. La figura 7.32 presenta un enrocado de fondo.
ENLACES:
Diccionario básico de Geotecnia. Fabián Hoyos Patiño (2012)
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mediante un fallo de acción popular en favor del río Bogotá, el Tribunal Administrativo de
Cundinamarca les requirió a las autoridades ambientales replantear la política de protección
del patrimonio natural, ordenándoles prevenir la catástrofe ecológica del río, sus quebradas y
afluentes, y emprender una dura tarea que puede tardar una generación hasta lograr la
recuperación de tan solo 354 kilómetros de este cuerpo de agua de la sabana.
[Ref: La Patria. Manizales, 2017.08.08] Imágenes: El caudaloso Atrato, tributario del Golfo
del Darién: Mercado en Quibdó (Fascinating Humanity); Poblados de la cuenca
(Geoactivismo.org), y Topografía del Chocó Biogeográfico (Wikipedia).
***
Deuda histórica con el Pacífico Colombiano
RESUMEN: Las causas de la perenne crisis humanitaria y ambiental del Pacífico Colombiano, donde miles de ciudadanos han estado reclamando la atención de demandas legítimas relacionadas con derechos fundamentales, parten no sólo de la expoliación de su riqueza minero-forestal, de las consecuencias de un modelo de desarrollo caracterizado por una economía extractiva y de enclave, de la destrucción de su biodiversidad y del desaprovechado potencial de su patrimonio natural y cultural. Al igual que en el Territorio del Atrato, el Estado debe extender el Plan de Acción requerido para la protección y recuperación de todo el Pacífico Colombiano con el propósito de neutralizar y erradicar la minería ilegal, la deforestación, la violencia, la pobreza y otras problemáticas socioambientales.