OBRAS DE DEFENSA

INTRODUCCIÓN

Todos los ríos, pero sobre todo los que escurren sobre material aluvial, sufren desplazamientos laterales en las curvas. Así, la margen exterior o cóncava de las mismas está sujeta a un proceso de erosión, mientras que la interior o convexa, a uno de sedimentación. Cuando esos desplazamientos tienen que ser controlados para evitar que el río afecte vías de comunicación, canales de riego o poblaciones, o cuando se debe reducir el ancho de los cauces para facilitar la navegación, o bien, cuando se desea que un río escurra a lo largo de un solo cauce en las zonas donde es muy divagante y tiene islas, se requiere de la construcción de obras que fijen las márgenes en forma permanente. Esto se logra mediante obras de defensa (espigones, diques y muros longitudinales). En este trabajo se muestra la forma como trabajan estas estructuras y se presentan las principales recomendaciones para lograr un diseño adecuado.Debe tenerse en mente que lo más importante en una protección marginal es la protección misma de esa obra contra la erosión local que el río va a producir contra ella. En otras palabras, el éxito de una protección es su protección.

OBRAS DE DEFENSA EN MÁRGENES DE RÍOS Y CONTRA

EROSIÓN LOCAL

EL COMPORTAMIENTO DE LOS RÍOS

Los Ríos son tienen un comportamiento impredecible, adquieren un mecanismo de autoajuste de ancho, tirante y pendiente. En su recorrido, los ríos adoptan diferentes caminos:

Este comportamiento impredecible e inestable hace que los ríos signifiquen una amenaza al generar hechos como: Peligro ante el establecimiento de poblados cerca de los

ríos Deforestación Pérdida de capacidad de retención de agua del suelo Disminución del Tc (tiempo de concentración) Arrastre de sólidos en suspensión Encauzamientos y correcciones del curso que provocan

mayor velocidad del flujo.

Como solución a este problema surge la utilización de defensas fluviales y protecciones costeras.

OBRAS DE DEFENSA

Por obras de defensa se entiende toda aquella estructura, construida dentro del cauce de un río, cuya finalidad sea encauzar, corregir o controlar el curso natural del agua.

Existen numerosos tipos de obras de defensas que, como se verá más adelante, varían mucho según el objetivo específico que tengan. En cada tramo fluvial, encada región, en cada país se usa un determinado tipo de defensas ribereñas, cuya selección proviene de un análisis en el que hay que considerar aspectos técnicos y económicos. En determinados problemas del manejo de un río, como por ejemplo la protección de márgenes, se recurre a la construcción de obras de defensa como protecciones contra el progreso de la erosión.

IMPOSICIÓN DE LÍMITES A LA MIGRACIÓN DE LOS MEANDROS

FINALIDAD

Proteger las márgenes contra erosiones

Recuperar terrenos ribereños

Controlar el transporte de sólidos

Almacenar o derivar agua

Laminar las crecidas, etc.

PROTECCIÓN CONTRA LA EROSIÓN LOCAL

La causa principal de la falla y destrucción de los recubrimientos marginales es la erosión que se produce al pie de los mismos, por lo que el éxito de un recubrimiento depende de su protección contra esa erosión local, la cual se puede deber a la erosión general del cauce o a la erosión en curvas, se muestra como valuar la profundidad de la erosión en curvas. Cuando una margen está protegida y no puede desplazarse lateralmente, la erosión en curvas aumenta, debido principalmente a que la margen interior de la curva, sujeta a sedimentación, se sigue desplazando hacia el interior del río, hasta que se alcanza un nuevo estado de equilibrio.

Existen varios procedimientos para evitar que un recubrimiento sea socavado. Entre ellos se mencionan tres:

A) Desplantar la protección a una profundidad tal que no sea afectada por la erosión general. Con carácter aproximado se debe profundizar la protección cuando menos 1.5 m; esta recomendación es útil en ríos pequeños cuyo ancho no sea mayor de 30 m. En ríos mayores las socavaciones indicadas deben ser calculadas y se debe de dragar o excavar el fondo hasta alcanzar las elevaciones obtenidas. Esta protección se realiza con facilidad en ríos que no llevan agua durante algunos meses del año.

B) Excavar una trinchera al pie del recubrimiento. Dicha trinchera se rellena con material pétreo que no pueda ser arrastrado por la corriente. Si se produce erosión y el fondo desciende se producirá un deslizamiento y reacomodo de algunos elementos de la trin chera, pero el recubrimiento marginal sigue protegido. Con esta solución los volúmenes de excavación son menores. Téngase en cuenta que el lado interior de la trinchera debe tener el mismo talud que el recubrimiento y colocar sobre él el filtro correspondiente. El talud exterior es el de reposo del material del fondo. Si el río es pequeño y no dispone de datos confiables y el radio de curvatura vale r > 4B, la profundidad de la trinchera puede variar entre 1 y 1.50 m.

C) En lugar de profundizar la protección se puede colocar un delantal a base de enrocamiento sobre el fondo del cauce, con elementos que no sean arras trados por la corriente, cuyo espesor e, sea igual o mayor a 3 capas de roca y con un ancho Lp que, como mínimo, sea igual a una vez el tirante de la corriente correspondiente al gasto dominante.Al erosionarse el fondo del cauce, parte del enrocamiento del delantal se desliza hacia las zonas erosionadas y se reacomoda, pero siempre tiende a formar una coraza protegiendo el fondo. Aunque parte del delantal sea destruido, lo que se busca es que no se destruya la zona de la protección sobre la que descansa el recubrimiento.

La selección entre las opciones indicadas depende principalmente de motivos econó micos y de los equipos de construcción disponibles. En grandes ríos y cuando la protección es muy importante, normalmente la primera es adoptada, aunque es la más costosa. En ríos que llevan agua todo el año, las protecciones más económicas y fáciles de construir se logran con el delantal descrito en el punto 3.

Las soluciones de protección indicadas se deben utilizar en todos los revestimientos marginales, excepto cuando se usan cilindros de malla de alambre rellenos de grava y colocados verticalmente o se recurre a recubrimientos permeables.

LOS ESPIGONES

1. DEFINICIÓN

Los espigones son elementos que arrancan de la orilla fluvial, a la que pueden estar empotrados o no, y penetran dentro de la corriente. Esto los hace bastante vulnerables a la fuerza del agua. Un espigón o escollera es una estructura no lineal construida con bloques de mármol de dimensiones considerables, o de elementos prefabricados d de tierra llamados catrápodos, cuando la piedra se seca, son colocados dentro del agua, en ríos y arroyos o próximos a la costa marítima, con la intención de aumentar el flujo en varias direcciones determinada, aumentar el oleaje o evitar la decantación de arena.

2. PARTES DE UN ESPIGÓN

ESQUEMA TÍPICO DE UN ESPIGÓN

Una parte, a la que se llama de empotramiento o de anclaje, cuya longitud se designa como LE, que está dentro del terreno natural y sirve para evitar, o disminuir la posibilidad, de que se establezca un flujo detrás del espigón. La longitud de anclaje permite que si durante el proceso constructivo, o durante el primer tiempo de funcionamiento de los espigones, ocurre una erosión adicional, el espigón no quede separado del terreno natural constituyente de la margen.

Otra parte, que está dentro del río, a la que se le llama efectiva o de trabajo cuya longitud se designa como LT, cuya magnitud es muy importante para el éxito del sistema. La longitud total del espigón es simplemente la suma de LE y LT.

En ciertos espigones con el paso del tiempo, parte de la longitud que era originalmente de trabajo puede convertirse en longitud de empotramiento.

La “cabeza”, “punta” o “nariz”, que es el extremo del espigón y que está dentro del río. Puede ser robusta, o tener algún grado de protección, porque en sus alrededores se produce socavación. Su elevación sobre el lecho fluvial debe ser pequeña.- La cresta se desarrolla longitudinalmente, desde la orilla hasta la punta del espigón. Generalmente desciende hacia el eje del río. La cresta determina la altura del espigón, el que puede estar sumergido o no.- Fundación, en realidad es una transición entre el cuerpo del espigón (convenientemente profundizado en el fondo del río) y el lecho fluvial.

3. FUNCIONES GENERALES DE LOS ESPIGONES

Las funciones de los espigones dependen del objetivo que se busque, pero en general pueden ser las siguientes: Reducir la velocidad de la corriente cerca de la orilla. Desviar, es decir, alejar, la corriente de la orilla Prevenir la erosión de las márgenes Establecer y mantener un ancho fijado para el río Fijar las márgenes, es decir, estabilizar el cauce fluvial Controlar la migración de meandros Creación del efecto de curva en una bocatoma

4. FORMAS DE ESPIGONES

Desde el punto de vista de su forma los espigones pueden ser: Espigones rectos, o a un cierto ángulo con la orilla. La

cabeza o punta del espigón es más robusta y tiene algún sistema de protección contra la socavación que se desarrolla en sus alrededores.

Espigones en forma de L, la que actúa como protección contra la socavación.

Espigones en forma de T, la que generalmente es a 90° con respecto al espigón.

De cabeza redondeada De doble ángulo Espigones curvados, tipo “Hockey”

5. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE USO

Las ventajas generales que ofrece un sistema de defensas con espigones con respecto a una defensa continua son las siguientes: Facilidad de construcción, bajo costo, facilidad de reparación, posibilidad de usar

diversidad de materiales, posibilidad de introducir mejoras, uso de la experiencia y la mano de obra locales, construcción por etapas y no se requiere mano de obra altamente especializada.

Una desventaja manifiesta de los espigones es que constituyen elementos extraños dentro de la corriente y, por lo tanto, causan diversas formas de erosión y sedimentación en el lecho fluvial. Una de las desventajas más importantes se refiere a la socavación que se produce en los alrededores de la punta de cada espigón como consecuencia de los vórtices y corrientes secundarias.

Todo esto debe ser tenido en cuenta en el diseño. Sin embargo, el sistema tiene la ventaja de ser flexible, de poderse reparar luego de una crecida y, eventualmente, ir perfeccionando su diseño. Además es más económico. En algunos proyectos, un sistema de protección con espigones tiene frente a una defensa continua la desventaja de disminuir el área hidráulica del cauce. La ventaja de una defensa continua es que puede considerarse una estructura definitiva, en cuanto algún sistema de defensas fluviales pueda considerarse definitivo

6. TIPOS DE ESPIGONES

ESPIGONES PERMEABLES Son aquellos que permiten que el agua pase a través de ellos con pequeña velocidad, son útiles cuando se desea favorecer la sedimentación y formación de playas entre los espigones. La “permeabilidad” es una medida de la proporción de vacíos que tiene el cuerpo del espigón en la dirección de la corriente y se puede expresar como un porcentaje. Estos espigones pueden ser de alta o de baja permeabilidad. Su función es la de retardar el flujo y disminuir la velocidad cerca de las márgenes. Se les llama “retardadores”. Generalmente están más espaciados que los impermeables.

Los espigones permeables se caracterizan por lo siguiente:El agua, cargada de sedimentos finos, debe pasar a través de

ellos. El espacio comprendido entre un espigón y otro debe irse

rellenando con el depósito de los sedimentos finos en suspensión. Posteriormente, debe favorecerse el desarrollo de la vegetación.

Protegen y robustecen la orilla fluvial; en realidad contribuyen a la formación de una “orilla virtual” como consecuencia de lo señalado en los dos puntos anteriores.

Se pueden ir modificando y adaptando a las circunstancias que se presenten.

Los requerimientos de construcción son simples. Se usa los materiales existentes en el área y debe buscarse siempre aprovechar la experiencia local.

ESPIGONES IMPERMEABLES Los espigones impermeables se pueden considerar deflectores. Se usan preferentemente cuando se trata de un río navegable en el que se trata de mantener una sección hidráulica central con un determinado calado. Se caracterizan por lo siguiente: Su función esencial es alejar la corriente de la orilla. Son fundamentalmente deflectores Se busca un estrechamiento del cauce y un aumento del calado

(profundización), lo que implica un aumento de la velocidad de la corriente.

Los procedimientos constructivos son más complejos. - Se trata por lo general de “estructuras definitivas”.

Favorecen la navegación, pues con ellos se aumenta el calado. En general, con un sistema de espigones impermeables se busca aumentar la velocidad media de la corriente.

7. ELECCIÓN DE TIPO DE ESPIGÓN

Dentro de los factores que determinan la elección del tipo de espigón están los siguientes: El objetivo que tienen. La función que deben desempeñar. Las características generales del río.Las características hidráulicas y sedimentológicas del

tramo fluvial comprometido. La disponibilidad de materiales de construcción. Los costos involucrados. Las restricciones que pudiera haber en el mantenimiento. La experiencia local. El tiempo disponible.

8. MATERIALES NECESARIOS

Roca Madera o bambú Gaviones Concreto Elementos prefabricados Tetrápodos Hexápodos Geotubos rellenos de material Acero(pilotes) Fajina(“matress”) Sacos de concreto Sacos de mortero(bolsacreto) Muchos otros más

9. MANTENIMIENTO

Los espigones requieren un mantenimiento continuo.

Especialmente después de cada avenida grande y esto s e va mejorando el diseño; la reparación y el mantenimiento se hace en la época de estiaje; cuando existan menor empotramiento de los espigones entonces estos requerirán mayores reparaciones y por ende más costo en este ámbito.

CONCEPCIÓN DEL SISTEMA.

10. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA DE DEFENSA

FUNDAMENTOS DEL DISEÑO

Consideraciones teóricas. Experiencia y observación.

Investigaciones de laboratorio. Modelos hidráulicos.

NO HAY FÓRMULAS NI REGLAS RÍGIDAS

CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO

Tener mucho cuidado al extrapolar resultados. Tener en cuenta muchos aspectos (desde Hidráulica

Fluvial y Transporte de Sedimentos hasta Materiales de Construcción).

Determinar la longitud de márgenes a protegerse. Aprovechar la experiencia local. No alterar demasiado el comportamiento fluvial. Respetar las leyes de la Hidráulica Fluvial (Blench). Determinar el ancho del “nuevo” río. Conservar

radios de curvatura. Seleccionar cuidadosamente el tipo de espigón.

COMENTARIOS SOBRE LOS FUNDAMENTOS DE DISEÑO

El diseño de un sistema de espigones se basa en las consideraciones señaladas en las láminas anteriores.

Como todos los ríos son diferentes resulta que las observaciones deben analizarse bajo esta consideración. Lo que en un lugar funciona bien no necesariamente funciona bien en otro lugar.

Los estudios de laboratorio y los modelos hidráulicos se refieren, por lo general, a situaciones específicas.

Es por eso que frecuentemente encontramos recomendaciones de diseño que resultan ser contradictorias.

En conclusión, en el diseño de un sistema de defensa con espigones debe primar el buen juicio y la experiencia del ingeniero proyectista.

RECOMENDACIONES PARA EL RADIO DE CURVATURA

2 B ≤ R ≤ 8 B

Para ríos con anchos no mayores de 150 metros.

Para grandes ríos la relación R/B podría llegar a 20.

“Al respetar los radios anteriores, la defensa que se haga en base a espigones trabajará eficientemente. Si los radios de curvatura son menores, la separación de los espigones disminuye y económicamente es preferible construir una defensa marginal apoyada en la orilla. Si los radios son mayores, el río tiende a formar un cauce con menores radios dentro de la curva y no todos los espigones trabajan eficientemente.”

EL DISEÑO DEBE CONSIDERAR LO SIGUIENTE:

Longitud del tramo fluvial que requiere protección.

Selección del tipo de espigón. Características de los espigones:

- Materiales - Orientación (Ángulo) - Socavación- Longitud - Separación

LOCALIZACIÓN EN PLANTA

EL ANCHO B DEL RÍO SE DETERMINA COMO PARTE DEL ESTUDIO DE HIDRÁULICA FLUVIAL • Si los espigones resultasen muy próximos sería preferible

una defensa continua.

• Hay que determinar cuidadosamente la “orilla virtual”.

• Cuando la curva fluvial es uniforme todos los espigones

tienen la misma longitud, ángulo de orientación y

separación.

DIQUES

1. DEFINICIÓN

Un dique es una construcción para evitar el paso del agua, puede ser natural o artificial, por lo general de tierra y paralelo al curso de un río.

2. PARTES DE UN DIQUE DE CONTENCIÓN CONTRA INUNDACIONES

3. ANÁLISIS DE DIQUES

El análisis de diques examina el pasado y futuro (proyectado) desempeño de diques en el control de inundaciones con relación a la infiltración, la estabilidad, la erosión, el asentamiento y los factores sísmicos. Para entender mejor la condición actual del sistema de control de inundación, los expertos estudian una amplia variedad de propiedades críticas a los diques que incluyen:•La geomorfología •Los acontecimientos históricos•La topografía del dique •Las condiciones creadas por el hombre•Las condiciones subterráneas •Las condiciones de erosión

4. DIQUES MARGINALES

Los diques marginales son estructuras construidas dentro de los cauces, que tienen por objeto dirigir y encauzar convenientemente el flujo de un río para proteger sus márgenes o rectificar su cauce. Cuando la obra está terminada, la corriente fluye paralela, a estas estructuras.Los diques marginales se utilizan principalmente en aquellas zonas en que los cauces tienen islas, o son divagantes, o las márgenes son irregulares, o cuando se requiere formar una nueva orilla separada de la actual.

RECOMENDACIONES DE DISEÑO

Los espigones se interponen a la corriente, por lo que ésta incide contra ellos y cambia bruscamente de dirección al llegar a cada espigón. En cambio, los diques se colocan paralelos al eje del río con lo que encauzan a la corriente y esta escurre paralela a ellos. En las figuras siguientes se muestran un dique paralelo al eje del río y diques en que los primeros tramos trabajan como espigones pero los segundos, que son los más importantes, trabajan en la forma señalada.

DIQUE MARGINAL UTILIZADO PARA FORMAR UN NUEVO MARGEN

RECTIFICACIÓN CON DIQUES MARGINALES Y ESPIGONES

MUROS

1. DEFINICIÓN

Los muros longitudinales son obras de protección contra la erosión en los ríos, las cuales se apoyan directamente en las márgenes de los mismos para evitar que la corriente esté en contacto directo con el material de las orillas que intentan proteger. Los muros pueden ser construidos con diversos materiales como losas de concreto, gaviones, enrocado, elementos prefabricados en concreto, arcilla, suelo-cemento, etc. De estos materiales suelen preferirse los que permiten construir protecciones flexibles, pues ellas se adaptan mejor a los posibles asentamientos y a las orillas irregulares; y además, las protecciones rígidas como las losas de concreto requieren de una colocación más cuidadosa y es imprescindible compactar adecuadamente el terreno antes de construirlas.

Las causas más comunes de falla en los muros son: mala cimentación, volcamiento, deslizamiento y destrucción del pie del talud. Según Flórez y Aguirre (2006), para proteger el pie del talud se puede utilizar alguno de estos dos procedimientos: Cuando la construcción se lleva a cabo en seco, el muro se

puede apoyar en una zanja de 1 m a 2 m de profundidad rellena con gaviones o rocas. También se puede hincar un tablestacado que impida el deslizamiento del muro cuando el fondo descienda durante la avenida.

Construir un tapete de enrocado con ancho igual al tirante (no menor a 2 m) y espesor de 40 a 70 cm., para que al descender el nivel del cauce durante la crecida, el tapete se acomode sobre el fondo socavado evitando que se deslice la capa protectora del muro.