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