Upload
ngodang
View
217
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
Construcción de Bordos de Encauzamiento y Protección Marginal en Ríos
Martín Ramírez ReynagaSegundo Seminario de Potamología “José Antonio Maza Álvarez”
Villahermosa, Tabasco, 26-28 de agosto, 2009
Diseño y Construcción de Bordos Marginales en Ríos: Criterios de Diseño
• Diseño funcional. Adecuar el trazo al contexto geomorfológico del río
• Establecer modelo geo‐morfológico de l cauce:
• Aprovechar o rescatar zonas naturales de :– Regulación ( Meandros abandonados, zonas de
divagación)
– Derivación ( Splays, zonas de avulsión
• Definir y construir obras complementarias en cuencas alta y media
• Anexo 1. Aspectos Generales de Conos Aluviales
• Anexos 2. Morfología de Cauces
• Diseño Geotécnico‐Estructural. Garantizar la estabilidad de obras durante la vida operativa
• Establecer modelo geológico‐geotécnico
• Definir solicitaciones por ataque de la erosión: horizontal‐vertical
• Estabilidad de márgenes y taludes de bordos por flujo establecido y vaciado rápido. En particular conocer distribución de sub‐presiones , caudales , gradientes hidráulicos y fuerzas de filtración para verificar estabilidad y el riesgos de erosión interna
• Capacidad de carga del subsuelo
• Identificar suelos difíciles: – Dispersivos,
– Colapsables
– Expansivos
• Análisis de hundimientos a corto y largo plazo para prevenir pérdida de bordo libre
• Ubicar Bancos de Material de Construcción
• Anexo 3. Exploración Geológica‐Geotécnica
Estudios y Proyectos: Planeación estratégica con visión a mediano y largo plazo. Desarrollo de proyectos sin comprometer el futuro y basados en procesos de prueba y ajuste, incluye evaluar y medir el comportamiento
Cambios de Paradigma. Otro tipo de obras y proyectos integrales con obras complementarias en cuencas altas y medias
Durante emergencias: Respuesta inmediata con acciones urgentes y a corto plazo, incluye planes de emergencia durante inundaciones
Ingeniería forense. Aprender de falla
Diseño Funcional:
Adecuar el Trazo al Contexto Geomorfológico
Cuenca alta
Cuenca mediaCuenca baja
S1
S2S3 S4
S5
Tacaná
Tapachula
Agradación de planicies
Obstrucción inadecuada de la zona de divagaciónNatural de los ríos: poblaciones e infraestructura
Impacto Humano• La actividad humana afecta bastante el
comportamiento natural de los ríos, directamente en los cauces con obras de ingeniería, asentamientos humanos ó por actividad en las cuencas.
• La actividad humana puede modificar o acelerar fuertemente una evolución originalmente natural
Modelo Geomorfológico de Cuencas. En particular en la Planicie Aluvial: Deltas‐Cono de Deyección‐Estuarios.
Comprender los procesos geomorfológicos y el funcionamiento natural e histórico (de preferencia siglos) del río para:
Discernir sobre las solicitaciones de diseño: Hidráulico, Estructural y Funcional de obras hidráulicas en el río
Definir efectos de escala, magnitud y trazo de las obras:
Visión regional: o Trazo por diferentes formaciones geológicaso Hundimientos regionales: suelos blandos, formaciones cársticas, explotación acuíferao Condiciones geo-hidrológicasdel subsueloo Identificación de depósitos de suelos difíciles
Ubicar zonas de divagación natural del río para conservar el funcionamiento natural del o los sistemas de ríosUbicar zonas naturales de regulación Identificar paleo-cauces, zonas de derrame o de avulsiónIdentificar el sitio del ápice hidrográfico y del topográficoUbicar bancos de material adecuado para la construcción de obras
Tacaná
Huixtla
Tapachula
Geomorfología de las Cuencas Bajas
Distinguir entre el cono igneo y el cono de deyecc
Entorno de la Construcción de Bordos: Conos de Deyección en Planicies Aluviales
Morfología de Cauces
FormaMeandrosIslasBarrasDerrames-Avulsiones
Rasgos de un Cauce en la Planicie Aluvial
Derrames
Meandro Abandonado
Acreción vertical Depósito precedente
Dique natural
Acreción lateral
• Trenzado, No Sinuoso
• Trenzado, Sinuoso
• Sinuoso, con Barras Puntales
• Sinuoso, Canaliforme
Forma de los Cauces
Categorías de Cauces
Meandros: Se forman por erosión de la margen externa (convexa) y sedimentación en la margen interna (cóncava); pueden ocurrir cortes de meandro, que dejan brazos muertos (“oxbow lakes”).
• Meandros regulares Son más una excepción que regla, ya que
• Meandros tortuosos se forman por controles o rasgos pre‐existentes en el subsuelo (geología, relieve, suelos,)
Meandros en la en la amazonía Boliviana
Meandro Activo, río Bravo
Meandro Abandonado, río Bravo
Corte de Meandro
Cauce con meandros tortuosos
Islas• Islas ocasionales, poco
frecuentes.
• Islas frecuentes, Superposición algunos sitios.
• Cauce dividido , Canal con 2 a 3 canales a lo largo del río.
• Cauce trenzado, Islas o barras sobrepuestas y inestables, a veces con vegetación.
Cauce Trenzado con islas diversas• Islas inestables que cambian
de forma a cada crecida.
• Existen muchos canales de flujo en todas las secciones transversales.
• Ciertas barras permanecen estables durante un tiempo suficiente para el crecimiento de vegetación.
• Forma de las márgenes muy irregulares.
Barras • Barras puntuales en intradós de
las curvas; pueden integrarse progresivamente a la planicie de inundación.
• Barras laterales, paralelas a las márgenes de un cauce recto.
• Barras intermedias, sin conexión con las márgenes.
• Barras diagonales, orientadas por un canal interno al cauce con un ángulo definido respecto a las orillas.
Canal Tortuoso y Barras Puntuales
Derrames (Splay )
Avulsión
Identificación de Avulsiones, Splays, Paleocauces
Movilidad de Cauces y sus Márgenes
Por Erosión:
Lateral o Erosión Marginal
Vertical o Degradación del Fondo
Por Acumulación de Azolves:
En el fondo del cauce o Agradación
Lateralmente hacia la planicie aluvial
*Acreción VerticalAcreción Lateral
*Acreción. Crecimiento por adición o acumulación de materia
Movilidad de Cauces y sus Márgenes
Movilidad Vertical
34
Río con carga de sedimentos
Sedimentos
Nivel Agua
35
Nivel Agua
Carga de sedimentos removidos
36
Nivel Agua
Río con degradación del fondo del cauce
Erosión y Profundización
37
Nivel Agua
Río con fondo profundizado
Fondo profundizado
38
Nivel Agua
Río con equilibrio límite de márgenes
Zonas de Riesgo Zonas de Riesgo
39
Descenso Nivel Agua
Río con márgenes deslizadas
Deslizamiento Deslizamiento
Hc = 4c/γ
Movilidad Horizontal
Formación de Islas y Barras
Adecuar el Trazo de Bordos
Diseño Convencional vs Cambiar Paradigmas
Cuenca alta
Cuenca mediaCuenca baja
S1
S2S3 S4
S5
Tacaná
Tapachula
Agradación de planicies
Identificar ápice topográfico y el hidrográfico
Conservar zonas naturales de divagación
Diseño Convencional vs Cambiar ParadigmasAlejar del hombro de margen
Involucrar obras complementarias en cuencasAlta y Media
Diseñar como cortinas de gravedad
Fuerzas de impacto de rocas
Corrección en Planta
Tajos o Cortes de Derivacióna
Zonas Naturales de Regulación
Corte y Zona de Regulación
Encauzamientosy
Márgenes Guiadas
Anteproyecto de Encauzamiento deuna bifurcación, Jean J. Peters
Agradación
Degradación
Revertir agradación favoreciendo degradación
Pilotes envolventes
Pilotes para espigones
Bajar el fondo de cauce
Q oper
Q ext = Q oper + ∆Q
∆Q
Acortamiento-Aumento de Gradiente
Diseño Geotécnico-Estructural
Enfoque a priori. Con base en criterios de diseño convencionales de la geotecnia.
Enfoque a posteriori: Lecciones aprendidas de las fallas
• Diseño Geotécnico‐Estructural. Garantizar la estabilidad de obras durante la vida operativa
Establecer un Modelo Geológico‐Geotécnico Regional en el Trazo y en Sitios Especiales
Definir solicitaciones por ataque de la erosión: movilidad horizontal‐vertical
Estabilidad de márgenes y taludes de bordos por flujo establecido y vaciado rápido. Estimar caudales de filtración y Conocer la distribución de: Sub‐presiones , Gradientes Hidráulicos y Fuerzas de Filtración para verificar estabilidad y el riesgos de erosión interna
Capacidad de Carga del Subsuelo y Análisis de Hundimientos : A corto y largo plazo para prevenir pérdida de bordo libre
Identificar Depósitos de Suelos difíciles:
Dispersivos,
Colapsables
Expansivos
Ubicar Bancos de Material de Construcción
Anexo 3. Exploración Geológica‐Geotécnica
Modelo Geotécnico del Subsuelo:
• Geología superficial‐estructural regional, trazo y por sitio
• Exploración de cauce, laderas y márgenesIndirecta: Geofísica calibradaDirecta: Sondeos con muestreo y ensayes decampo y laboratorio:
Propiedades Índice y MecánicasSUCS‐GranulometríasSPT, PCA´s, MenardPruebas Especiales en Suelos Difíciles: Colapsables, Expansivos, Dispersivos
• Muestro de Sedimentos y Arrastre de Fondo en río
PermeableImpermeable
Permeable
Permeable
Impermeable
PermeableImpermeable
Permeable
Permeable
Impermeable
Mecanismos de falla
• Perdida de Bordo Libre por:– Hundimiento Regional – Asentamientos Diferenciales– Agrietamiento Ciclos de humedad‐secado– Colapso por saturación de suelos colapsables
• Desbordamiento• Fallas Locales por Capacidad de Carga• Falla General: Deslizamiento por Vaciado Rápido• Fallas por erosión interna: bordos sin protección de filtro expuesto a altos gradientes hidráulicos o formados de suelos dispersivos
Capacidad de Carga o
Deslizamiento General
En los Análisis de Capacidad de Carga: Considerar la reducción de la longitud de la superficie resistente
Bordo en zona de turbas o suelos blandos
Falla Local por Capacidad de Carga
Vaciado rápido
J
Falla General
Análisis de Flujo de Agua. Determinar la distribución de:
• Fuerzas de Filtración• Gradientes Hidráulicos• Caudales de filtración
• Para descartar riesgos de erosión interna
J
Análisis de Estabilidad, deben considerar Fuerza de Filtración en Flujo Establecido, J y el Gradiente Hidráulico
Vaciado rápido
J
En los análisis de estabilidad, tomar en cuenta la fuerza de filtración en flujo transitorio por vaciado rápido, J
Secciones y Materiales Inadecuados
Erosión Interna
Protección contra filtraciones
Filtros
Impermeable
Bordo homogéneo sobre terreno de cimentaciónpermeable
Impermeable
Bordo homogéneo sobre terreno de cimentaciónpermeable
Permeable
Bordo Homogéneo Permeable: SC, SM, GC, GM
Protegido con un Dren Vertical y Horizontal Filtrante
Filtración por terreno decimentación
ImpermeableCH, CL, MH, ML
Impermeable
Bordo Homogéneo, con Respaldo de Filtro y Chapa de Roca
Impermeable
Impermeable
Sobre-elevación Inadecuada
ImpermeableCH, CL, MH, ML
Impermeable
Sobre-Elevaciones y Perdidas de Bordo Libre
Estabilización y Proteccióncon: Pilotes y Tablestacas
ErosiónBordo de protección marginal erosionado
Perfil anterior
Perfil actual
Erosión Bordo de protección marginal restituido
Relleno a fondo perdido
Relleno compactado
Vegetaciónnativa
Perfil anterior
Perfil actual
Pilotes
Erosion
Perfil anterior
Perfil actual
Vegetaciónnativa
Pilotes
Margen deinundación
Bordo libreNAME
Arcilla compactada con “pata de cabra”, en capas no mayores a 30 cm, contenido de agua
+ 2% del óptimo Proctor
Revestimiento de roca o con losa articulada con geo-textil filtrante en talud de arcilla
H
H
Nivel del terreno natural
Grava arena bien graduada de río, compactada con rodillo vibratorio
Enrocamiento o gaviones apoyado en pilotes
Transición filtrante de boleos de río o rezaga de roca compactado con rodillo vibratorio
Pilote de concreto reforzado, φ ~ 25 cm y 2H ~ 10 m
Estabilización y Proteccióncon: Pilotes y Tablestacas
Protección de Taludes:
Pasto-Arbusto Nativo Evitar árboles
Trf = Tr + ∆Tr
Tr
Vados
Vados
Mejoramiento del Subsuelo
Muchas Gracias por su Atención
Anexo 1. Aspectos Generales de los Conos Aluviales
• Transporte, depósito de sedimentos y su Granulometría
• Avulsiones en conos aluviales
• Desembocadura
Conos Aluviales• Los conos (o abanicos) aluviales se forman donde la capacidad de transporte disminuye, y es menor que de la carga sólida aportada al río.
• También se forman por cambio de gradiente de fuerte a plana
• Los canales tienen geometrías inestables, con movimiento lateral rápido o brusco (avulsión).
• El sedimento de mayor tamaño se deposita cerca de la cumbre, punto central del abanico, los finos al final
• Cuando la franja aluvial entre el pie de la montaña y el mar ‐ o un lago ‐ es estrecho, los terrenos atravesados por el río tienen composición muy heterogénea (Costa del Pacífico).El material traído hasta el mar puede ser bastante grueso (caso del río Balsas)
Granulometría en abanicos fluviales
Avulsión en abanicos fluviales
• El abanico aluvial (o conos de deyección) se forma conforme a la granulometría: el material de mayor tamaño se deposita cerca de la cumbre del cono, en punto central del abanico, el fino al final.
• Los canales del cauce tienen geometrías inestables, con movimiento lateral rápido o brusco (avulsión).
• La problemática de las inundaciones en los abanicos fluviales es preocupante por la gran ocupación agrícola y de asentamientos humanos es esas zonas.
• Tipo de desembocadura depende relativamente de la acción del mar respecto de la actividad del río:
– Ríos que transportan grandes cantidades de material sólido hacia el mar forman deltas.
– Cuando el mar tiene mareas y/ó olas fuertes, el sedimento proveniente del río será erosionado y removido lateralmente en la costa, para formar barras y separando lagunas.
– Ríos con escaso aporte de sedimentos, en mares con fuertes mareas, forman estuarios.
Anexo 2. Morfología de Cauces
• Resultado del desequilibrio entre capacidad de transporte y el aporte de sedimento
• Meandros
• Diques naturales
• Derrames y avulsiones en cauces
• El desequilibrio entre la capacidad del transporte y el aporte de sedimento produce una agradación (subida) o una degradación (bajada) del lecho.
• Cuando existe el desequilibrio, la morfología del cauce cambiará, por ejemplo de cauces trenzado hasta meandros. También cambiará el perfil longitudinal.
Morfología de los Cauces Los cambios de régimen hidráulico – gastos y transporte de sedimento – afectan la formación de los cauces.
• Los estudios de Lane muestran la relación entre el producto del gasto líquido por la pendiente y el producto de la carga sólida transportada por y el tamaño de las partículas de dicha carga.
Granulometría de arrastres y sedimentos
• Los cauces “rectos” no pueden desarrollarse naturalmente, solo pueden existir cuando su curso está totalmente controlado.
• Todavía no se comprende el fenómeno de formación de los meandros, ni tampoco de los cauces trenzados.
• Los meandros: regulares, tortuosos; estos últimos se forman cuando la geología, el relieve, la resistencia a la erosión de ciertas márgenes controlan el cauce.
Cortes de meandros:
• Cuando un corte de meandro deja el brazo “muerto”, los sedimentos del río se depositan en las entrada de este brazo y forman tapones.
• Cuando el río trae lodo, los tapones son de arcilla y crean puntos de control, con mas alta resistencia a la erosión (funcionan como control geológico).
• La presencia de estas zonas más resistentes en la planicie de inundación afectan el desarrollo de los meandros.
Cortes de meandros (continuación):• El corte de un meandros forman lagunas (meandros abandonados)
• Los sedimentos llevados por los flujos desde el canal principal forman tapones en las entradas.
• Cuando el río trae lodo, los tapones de arcilla crean puntos de control, con mas resistencia a la erosión (funcionan como control geológico).
Los Diques Naturales• Diques naturales, se forman al lado del cauce por el depósito del sedimento durante avenidas.
• Los diques tienen pendientes pronunciadas cerca del río, y planas conforme se alejan del mismo.
• La frecuencia de crecimiento de los diques naturales es menor una vez que su altura alcanza el nivel de la crecida promedio anual.
Splays (Derrames o Desbordes)
• Los “splays” ocurren cuando el flujo corta o desborda un dique natural durante una crecida. La avenida desbordada se sale del cauce del río e inunda la planicie, y si no encuentra un canal de drenaje, el “splay” no tiene mayor consecuencia.
• Cuando la avenida desbordada encuentra un sistema de drenaje, entonces se puede iniciar una avulsión con mayor impacto de inundación
Anexo 3. Exploración Geotécnica
En el subsuelo del entorno
En el cauce del río
Inspección de MárgenesInspección de Márgenes
DIGHEM: Digital Helicopter Electromagnetics. Mide y contrasta regionalmente la conductividad eléctrica del subsuelo mediante un sistema de detección de campos magnéticos de frecuencia múltiple
Exploración Regional
Meandros abandonados
Exploración directaMenard: Suelos y rocas blandas
SPT = Suelos finos y arenas
Investigar condiciones geo‐hidrológicas del agua subterránea, explotación de acuíferos, efectos de hundimiento regional o detección de cavernas en formaciones cársticas
Río
Sumidero por infiltraciónregional del río