--- - - --

AI determinar la ocurrencia de cambios ffsicos en el rio se deben determinar los cQ!J1rQ!es

naturales que originaron esos cambios; es decir, se trata de determinar si el cambia fue

debido a variaciones en la carga de sedimento, a cambios en la geometrfa del canal, en la "--­

pend iente, en la magnitud de la descarga, etc.

Un conocimiento de la hl storia del rio permitira analizar las tendencias de esos cambios.

Los parametros iniciales que controlan la forma de los rios y las caracterfsticas del flujo en

cualquier cuenca de drenaje son: controles geol6gicos, pendiente, forma de la h19rografa,

tamano del material dellecho y cohesividad del material de las bancas: . --­

La acci6n del clima y el hombre en el regimen ffsico producen un regimen hidrol6gico que

determina la tasa y modo del movimiento de agua y sedimentos dentro de las corrientes de

la cuenca. La pendiente del valle, la cantidad y tipo de sedimentos y el caudal son

producto del regimen hidrol6gico. La interacci6n de los parametros hidrologicos producen

el reg~ fl~l; estos interactuan para producir el regimen hidraulico, el cual es

determinado por las caracterfsticas locales.

EI regimen hidraulico es la respuesta actual integrada de la historia completa del sistema

fluvial en ese momenta. Cuando una muestra de sedimento que contiene material fino y

grueso se somete a velocidades relativamente bajas, es probable que los granos mas

pequenos sean moYl~tos mientras que los grandes permanezcan en el sitio. Esta

segregacion de material, si se deja continuar, dara como resultado la acumulaci6n eventual

de la may~rfa de las partfculas gruesas en la superficie del lecho, lIamada ~rmadura 6

ac~azamiento. A medida que el material fino se mueve, la tasa de sedimento transportado

disminuye ya que cada vez hay menos material movible para transportar. Si las

condiciones del flujo se mantienen constantes, la tasa de sedimento transportado se

aproxima a cero dando como resultado la armadura que protege el material que se

encuentra debajo de la superficie de erosion y, en consecuencia, para esa condici6n de

flujo se forma un canal estable.

Heede (1980) clasifica los diferentes procesos de ajuste (ver figura 3) segun la secuencia en

terminos de tiempo relativo y gasto de energfa.

15

~. AITaraelon d61 pert!i longlludlnal

~ Camblo, en el paTron de ollneoml8nto

/'Camblol en 01 aneho ~

Armadura (aeorazarnlenfo) del '-echo

.JI' Camblo an 10 'profundldad

/anal

Camb,o. en 10. forma. d81 lecho

T IEMPO CONSUMIDO

Figura 3. Procesos de ajuste (Heede, 1980) .

La magnitud numerica en escala logarftmica en cualquier eje dependera del tipo y

disponibilidad de sedimentos, del gradiente, de la forma del hidrograma y de los controles

geol6gicos 0 inducidos por el hombre.

Los cambios en la forma dellecho requieren la minima cantidad de energfa y tiempo. Estos

determinan la resistencla al flujo cuya variaci6n puede ser suficiente para lograr el ajuste.

Las formas dellecho proporcionan un nuevo elemento de rugosidad en la evaluaci6n de la

capacidad hidraulica del cauce, conocida como la rugosidad debida a las formas del lecho

6 rugosidad de forma. Adicionalmente se tiene la rugosidad debida a los granos que

conforman ellecho y las bancas.

Cuando el cambio en la rugosidad de forma no es suficiente, se necesitaran procesos

adicionales 0 diferentes para obtener una nueva condici6n de equilibrio. La formaci6n de

armaduras en ellecho requerira mas tiempo y energfa que el cambio en las formas dellecho.

16

Si la armadura no es posible debido a la distribuci6n y tamano del grana 0 a cantidades

insuficientes de sedimento grueso, el siguiente proceso de ajuste sera el cambio en el

ancho del canal. Si el ancho se incrementa el per{metro mojado tam bien 10 hace dando

como resultado un aumento en la rugosidad de los elementos yvelocidades menores.

EI siguiente proceso de ajuste sera el cambio en el patr6n de alineamiento que requiere

mayor gasto de energfa y tiempo. Sin embargo, si las condiciones hidraulicas y topograticas

o los controles impuestos (restricci6n del movimiento lateral mediante obras para

estabilizaci6n de bancas, por ejemplo) no permiten el cambio, empezaran las alteraciones

del perfil dellecho. Esto general mente demanda el mayor consumo de energia y tiempo de

los procesos de ajuste. EI proceso de ajuste siguiente esel cambio en la hidrologia y

transporte de sedimento.

Los controles . fisicos que promueven 0 restringen el movimiento lateral 0 vertical de un

canal son los responsables de su forma y en consecuencia, de sus caracteristicas

sedimentol6gicas. Es posible que el sistema lIegue a una condici6n de equilibrio dinamico

sin necesidad de lIe'JQr a cabo todos los procesos de ajuste mencionados. Tambien puede

realizarse una combinaci6n simultanea de varios ajustes. Es extremadamente necesario

conocer 13 profundidad y caracteristicas del Estrato subaluvial y las formaciones gE:ul6gicas

que puedan estar controlando la pendiente, ya que esta es una de las variables principales

que determina la dinamica de los procesos del cauce.

3.5. RESPUESTA DEL SISTEMA.

Es necesario considerar las posibles respuestas del sistema ante el proyecto propuesto. Un

analisis cualitativo de la respuesta del rio a la construcci6n de una obra que interfiere con su

uso natural, permite mejorar el estimativo que se tiene delas condiciones futuras del canal

aunque no se evaluen cuantitativamente.

Un canal bien disenado tiende a buscar un mantenimiento propio y permite que las

crecientes y los sedimentos asociados se muevan a traves del cauce con un minima de

problemas de mantenimiento. No hay diseno infalible. Siempre existe la posibilidad de que

haya un evento que intente destruir cualquier estructura en el rio. Las relaciones

17

propuestas por Lane (1955) y Schumm (1969) permiten conocer como respond en los

parametros geometricos e hidraulicos (ancho, B; profundidad, d; longitud de onda del

meandro, ML ; pendiente, S; sinuosidad, p; relacion ancho/profundidad, Bid = F) ante

variaciones crecientes (+) 0 decrecientes (-) en la magnitud del caudal, 0 y/o la carga de

sedimentos, Os.

- Relaci6n de Lane: O.S ~ 05.050

Con el incremento de cualquier variable as 6 050 ind ividual mente, 0 la disminucion de

0, la pendiente aumentara. Con la disminucion de as 0 1:50 individual mente 0 con un

incremento de 0, la pendiente disminuira.

Un incremento repentino de la pendiente en un punto particular aumentara la magnitud

de as. Una disminucion del nivel base del rio aumentara inicialmente la pendiente.

Un cambia en el nivel base sin cambios en la elevacion movera efectivamente el nivel

base aguas abajo 0 aguas arriba.

- Relaciones de Schumm:

B. d. ML a Para a s con stante

S

B. ML. S °ST = ------------­ Para a constante.

p.d

B. ML. F O. 0ST = --- ------------ . S. d. Para a yOST variables

P

0ST es el porcentaje de la carga de fondo en la carga total.

18

* Si Q aumenta (trasvase)

Q+ S­

* Si 0 disminuye (derivacion 0 regulacion de caudales)

Q­

S+

* Si 0ST aumenta (deforestacion 0 aumento del area cultivada)

B+ .ML + .S+

* Si QST disminuye (reforestacion 0 modificacion del patron de cultivo) .

B-.ML-.S­QST- = ----------------­

p+d+

Si Q 0 0ST no cambian individualmente :

p

B- .ML-r * Q-.QST- = -----------------. S!d:!"

p+

d+ . p+ + +

* Q+ .QST- = ----- ------ -- - . B-:ML--: S-. F­

19

EI corte artificial de un meandro se analiza con ma's detalle en la secci6n 4.5. AI reducir la

longitud del canal (ver figura 30), el tramo aguas abajo del punto inicial del corte

obviamente aumentara la pendiente para Ilegar con la misma cota al punto final.

EI aumento en la pendiente trae consigo un incremento en la velocidad; la capacidad de

transporte del material del lecho, Os, tambien se vera incrementada. Con ello, se presentara

degradaci6n hacia aguas arriba del punto inicial del corte y posiblemente S8 presentara

inestabilidad de las bancas y una tendencia a cambiar a un patr6n trenzado .

En el diagrama de Khan, figura 4, el punto 1 corresponde a las condiciones de sinuosidad y

pendiente antes de realizar el corte; despues del corte, el punto 1 se mueve a la posici6n

final 2, al aumentar la sinuosidad y la pendiente. Se observa, entonces, un cambio de

patr6n meandrico a trenzado. Sila descarga y el diametro medio del material del lecho se

mantienen constantes, la pendiente aumenta (S +) Y la capacidad de transporte de material

del lecho tam bien (Os +)

13 ~-----r-------------,'------'--------'----------' Sinuo,idad d.1 Ihalw.Q

I 12r------+--~--~----_1--+_--_r--------1

T h a I 'H Q ---1--'-'" I

11·r-----F-+

, I')

/,"0 o "0 <I> o :> ~ 10~~~~------+_----_+------~--------1

(f)

o

Figura 4. Diagrama de Khan.

0,012

Trenzodo Canol de Thal .... Q

Sinuoso

0,016 0,020

f1endiente, S

(D.' cafQa consl anI. d. 0,15 pi .. 3/.)

20

Ahara bien, si la secci6n alineada se diseiia para que transporte las cargas de sedimentd

que el rio es capaz de Hevar, tanto aguas arriba como aguas abajo, es posible que la

estabilidad de las ban cas no se vea afectada.

En el diagrama de Lane, figura 5, para una descarga constante, el terminG S.00,25 aumenta

al aumentar la pend iente; si el valor de este termino es mayor que 0.01 se presentara una

tendencia al trenzado; si dicho termino no supera el valor de 0.0017, el canal mantendra la

tendencia a divagar, por 10 cual es posible que se presenten nuevos meandros.

Frgura 5. Diagrama de Lane.

3.6. DISENO DE ESTRUCTURAS DE PROTECCION E IMPLEMENTACION DEL

PROYECTO.

Una vez analizada la cuenca de drenaje y el sistema fluvial completo, se tienen unas buenas

bases para disenar las estructuras de protecci6n 6 estabil izaci6n que componen el

proyecto. Con el conocimiento obtenido se pueden plantear diserios que minimicen el

mantenimiento y que se ajusten a cambios antioipados en los volumenes de agua y

sedimento, para garantizar la estabilidad 0 permanencia de las estructuras.

21

Un diseno generalizado no es siempre practico por la naturaleza heterogenea del material

del lecho y de las bancas y las pendientes de la tfnea de energfa en permanente cambio,

Es aconsejabte dividir el rio en tramos de caracterfsticas geologicas simil?res y proponer

criterios de diseno para cada tramo, ya que muy frecuentemente los puntos de division

geologica coinciden con los puntos de interrupcion de las variables geometricas,

Debe considerarse el proposito especffico de los trabajos de proteccion. Asf, al estabilizar

las bancas del cauce se impide el movimiento lateral, ton 10 cual, la energfa se disipara solo

en sentido, longitudinal (formando armaduras, degradando 0 agradando el canal, segun

sea la carga de sedimentos)

La vegetaci6n es con frecuencia un excelente indicador del movimiento del cauce. En una

vista en planta, una serie de edades de arboles en la parte interna de un coda muestra la

tasa de migraci6n, mientras que arboles del mismo tamano en ambas ban cas indican que

no ha habido movimiento lateral reciente. Un movimiento vertical positivo (S +l puede

haber eliminado la vegetacion en ambas bancas, mientras que un movimiento lateral

negativo (S-) se indica frecuentemente por la falta de vegetacion 0 por el c:roc:imiento de

vegetacion muy joven en ambas bancas,

A pesar de los muchos para metros que deberfan ser considerados en el diseno especffico

de un proyec;:to, existen algunos criterios generales que deberfan tenerse en cuenta en el

diseno de cualquier proyecto,

Cuando se previene el movimiento lateral debe anticiparse el movimiento vertical

(propiciando procesos de armadura 0 con estructuras para el control de pendiente).

La geometrfa de una corriente controla la hidraulica. Las orillas y la estructura deberan

estar alineadas con la corriente, tanto como sea posible, Las transiciones bruscas

crean turbulencia que puede causar socavacion excesiva y la falla de la estructura.

- EI radJo de c_u~a, rc , deberra ser casi constante, Un rc mayor que el maximo deseado

causa problemas de estabilizacion adicionales (flujo dividido, canales mas alineados).

Un rc menor que el minimo causa socavaci6n excesiva en la curva, 10 cual induce

problemas de estabilizaci6n. Se recomienda usar la experiencia adquirida sobre

22

otros rios 6, estudiar tramos estables del mismo rio para consolidad el criterio sobre

re .

EI minimo angulo de una curva esta determinado por la necesidad de obtener un f1ujo

helicoidal completamente desarrollado que estabilice la barra de arena en el codo

interior. Por experiencia, ese angulo es aproximadamente de SOc , p·ero para canales

muy profundos puede se ligeramente menor

- Si se disena una curva muy larga, el rc del extrema de aguas abajo debera ser mas

pequeno que el de aguas arriba. En la figura 6 se indican disenos correctos e

incorrectos de curvas, segun el radio de curvatura.

- Alineamiento sinuoso es mas estable. Un canal estabilizado empezara a normalizar los

parametros gobernantes y a adaptar una geometrfa uniforme. La cantidad de

sinuosidad esta directamente relacionada con el material del lecho movido por la

corriente. Si el proyecto disminuye esta carga, es posible que ocurra una

realineaci6n del canal.

CORRECTO

Figura 6. Diferentes rad ios de curvatura.

La sinuosidad se define como la relaci6n entre la longitud del cauce del rio y la longitud

del valle, en un tramo dado. Si I es la longitud del cauce en un tramo de longitud L, la

sinuosidad, p, es igual a IlL.

23

Los cruces son la continuaci6n de barras alternadas y puntuales. Las estructuras

deberfan diseiiarse para dirigir los flujos bajos a traves de los cruces" con el objeto

de mover los sedimentos hacia el pozo aguas abajo y restablecer la profundidad del

cruce. Para lograr este prop6sito, el angulo 1::(, formado por el thalweg de aguas altas

y el de aguas bajas, debera ser tan alto como sea posible.

EI thalweg se define como la trayectoria de los puntosde mayor profundidad en el canal.

La longitud de los cruces debeda ser una 0 dos veces el ancho promedio superior de

las bancas, B*. Si L > > B*, el canal Ilega a ser inestable con barras alternas. La

Figura 7 muestra las variables mencionadas.

- - - - - - T ra ....clorl a del IIIoillOllg oon caudal •• 0110•.

Tr oyec Iorio d., "'ClI~ con CQuOo 1M ",edlo. 0 lIa)o•.

~____ 8·______~

\ \

\ \

\ 9ECCION B 8'

Figura 7. Variables caracteristicas de un tramo sinuoso.

Para disenos especificos, existen cuatro enfoques posibles :

* No hacer nada. Esto significa que el rio deberfa recuperarse por si mismo, si la corriente

no es muy dinamica.

24

* Estabilizar solo cuando una estructura hecha por el hombre eSt8 en peligro. En este

caso se debe conocer perfecta mente la dinamica del rio para asegurarse que el

problema no se va a trasladar a otro sitio con la construccion de la obra de

estabilizaci6n (diques, espolones, etc., para las bancas; para el fondo, armaduras 0

estructuras de control de gradiente). La estabilizaci6n debe responder

fundamental mente a variaciones de caudal.

* Suministrar suficiente control estructural. Se requ iere mantenimiento continuo cuyos

costos podrian hacer el proyecto no atractivo, ffsicamente impractico y

antieconomico en canales aluviales grandes, ya que se debe controlar la dina mica

variable en el sistema completo.

* Control geomorfico en toda la cuenca. Especia /mente recomendable en rios grandes.

Requiere menos controles estructurales y garantiza mantenimiento propio. EI

movimiento de sedimento es un proceso natural que no puede ser parado; puede

solamente ser manejado hasta un minimo controlable (0 se depositan 0 se hacen

mover con la corriente). La mejor manera de controlar sedimentos es controlar la

erosion, desde las fuentes de producci6n de sedimentos

La eliminaci6n del sedimento grueso es un problema de buen manejo de cuencas. EI

sedimento fino puede ser transportado por el rio y, en efecto, la pendiente de la linea de

energia cerca de la desembocadura 0 cerca a la costa es tan plana que escasamente

puede transportar el sedimento fino. Los sedimentos en un rio son el resultado de la

historia geologica de la cuenca de drenaje. No hay problema de rio alguno que no tenga

que vet con los sedimentos que lIeva el rio.

3.7. CONSIDERACION DE POSIBLES PROBLEMAS DURANTE LA CONSTRUCCION.

Durante la construcci6n de la obra proyectada, cualquier retraso puede anular la

efectividad de las medidas de estabilizaci6n. Las etapas de construcci6n deben

planificarse teniendo en cuenta la hidrologia. Una interrupci6n prolangada en los procesos

constructivos puede dar lugar a que se agrave el problema y a la perdida de gran parte de

la obra, encareciendo asi los costos estimados.

25

Es recomendable hacer diseiios flexibles, ut ilizando materiales del mismo rio 0 de su

IIanura de inundaci6n; planilicar la construcci6n por eta pas. Cuando hay que estabilizar

porque se presento degradaci6n del lecho, la tasa de de.gradaci6n es rapida al principio

pero disminuye can el tiempo, tratando de buscar el equilibrio. Cuando empieza el

equilibrio es cuando las medidas de estabili2aci6n de bancas IIegan a ser exitosas. EI

anal isis geom6rfico sirve para delinir el perfodo de equilibrio relativo.

3.8. CONTROL DE LA RESPUESTA DEL SISTEMA (MONITOREO) . .

Cualquier estructura requiere de observaci6n permanente durante la primera lase despues

de la construcci6n. Se pueden remediar pequeiias lallas de la estructura antes de que la

obra entera IIegue a perderse, si se realiza un monitore6 permanente de ~a obra y su

incidencia en las condiciones del rio . Aun en etapas posteriores se debe chequear el

luncionamiento de la estructura y realizar las actividades de mantenimiento requeridas ,

especial mente despues de perfodos de crecidas y de sequfas, hasta que el sistema alcance

el equilibrio con el nuevo proyecto ; pos(eriormente, se debe hacer el monitoreo despues de

eventos extraordinarios.

26