Gaviones y diques

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Gaviones y diques

  1. 1. UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL “FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL”TEMA: GAVIONES Y DIQUES.CURSO: Fluidos 1PROFESOR: Ing. Manuel CASAS VILLALOBOSALUMNO: CHAMORRO ARANCEL, ADLER LYLECODIGO: 2007004704
  2. 2. INDICEIntroducción • Descripción del fenómeno de erosión en cárcava • Estudios hidrológicos e hidráulicos • Obra de protección • Ejecución de obra Modificación de proyecto • Proceso constructivo • Operación y seguimiento • Descripción de la falla parcial • Reparaciones • Ejecución de las reparaciones • ConclusionesBibliografia
  3. 3. INTRODUCCIONPara darnos una idea de cómo es la construcción de diques enzonas he carcavas he tomado como ejemplo La zona sur de laprovincia de Córdoba que se encuentra surcada pornumerosos arroyos y cursos fluviales afectados porimportantes procesos erosivos retrogradantes o decarcavamiento (como los arroyos El Gato, Las Lajas, Suco,Corralito, El Basura y otros). Estos fenómenos, típicos desuelos finos (limos loéssicos) con bajas pendientes, ocasionanun gran número de inconvenientes a las actividadesproductivas de la región. Los mismos afectan directamente alas actividades agropecuarias en los campos y a las obras deinfraestructura vial, ferroviaria e hidráulica, a la vez queproducen impactos ambientales negativos indirectos sobre elárea de influencia, como por ejemplo ocasionando el descensodel nivel freático. En el presente trabajo se presenta la extensión yactualización de estudios previos (Farías et al., 2002; Castellóet al., 2003) de análisis hidrológicos, hidráulicos ymorfológicos, realizados para caracterizar el fenómeno y sedescribe la solución técnica estructural adoptada paraestabilizar el cauce del arroyo. La obra estuvo compuesta por un dique de gaviones parasalvar el desnivel ocasionado por el proceso decarcavamiento,conformado en su cuerpo principal por una serie de traviesasvertedoras escalonadas longitudinalmente. Aguas arriba del dique propiamente dicho, se previó unadársena de aducción de planta curvilínea para estabilizar elescurrimiento y guiar los filetes líquidos de forma paralelaentre sí y perpendiculares al alineamiento del vertedero.Aguasabajo del tramo escalonado se diseñó un cuencoamortiguador, cuya finalidad es la de disipar la energía de lacorriente y para restituir el flujo al cauce del arroyo conniveles de turbulencia y velocidades medias menores,evitando así la erosión y la socavación aguas abajo.Se incluyeaquí los detalles más relevantes del seguimiento de la obradurante las etapas de construcción, operación ymantenimiento. Esta última tarea resulta indispensable paraeste tipo de obras, ya que la localización y detección a tiempode cualquier inconveniente, permite su reparación yrectificación con inversiones mínimas.
  4. 4. DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO DE EROSIÓN EN CÁRCAVAEl fenómeno de erosión retrogradante en cárcava sematerializa mediante la formación, crecimiento ydesplazamiento aguas arriba de un "escalón" en el lechofluvial debido a diversas causas, como por ejemplo: undescenso del nivel de base en el curso inferior del arroyo, uncambio en el uso de suelo en la cuenca aguas arriba, unincremento en las precipitaciones y caudales, una disminucióndel tiempo de concentración o alguna combinación de losanteriores.La energía del chorro líquido impulsado casi verticalmentedesde el extremo de la cabecera de la cárcava hacia el lechofluvial aguas abajo genera una fosa de socavación demagnitud considerable, la cual a su vez genera inestabilidaden los taludes constitutivos de las márgenes fluviales hastaque se produce una falla. El impacto negativo de este proceso sobre las obras deinfraestructura es altamente significativo, ya que afecta odestruye las estructuras de puentes, obras de toma y todo tipode elemento ingenieril emplazado en el área de influencia delcauce fluvial. Asimismo, el impacto ambiental negativotambién puede ser apreciable, fundamentalmente por lasconsecuencias asociadas a la incisión del cauce, el descensodel nivel freático, y el incremento de la producción ytransporte de sedimentos hacia aguas abajo colmatandoreservorios naturales (lagunas y esteros) o artificiales ydisminuyendo su vida útil y efecto regulador de crecidas yatenuación de inundaciones.
  5. 5. Vista de la obra deprotección de lacarcava las Lajas Cárcava del arroyo de las Lajas Vista de la obra de protección del arroyo el Gato Cárcava del arroyo del gato En las figuras anteriores pudimos observar la erosión de diferentes zonas y los sistemas estabilizadores que se utilizaron para dichas zonas
  6. 6. El control de esta cárcava resultó de vital importanciapara impedir el corte de la Ruta Nacional N°8, la destruccióndel puente carretero sobre el Arroyo El Gato y el corte delramal ferroviario GSM en la conexión a la provincia deMendoza, y para la disminución del aporte de material sólido alas lagunas naturales y artificiales aguas abajo. Evidentemente la medida preventiva de control de laerosión retrogradante es una inversión necesaria y de costosignificativamente inferior a los daños estructurales y socialesque ocasionaría el corte de las vías de comunicaciónmencionadas, además de los perjuicios ambientales que sepodrían generar en caso de no actuar con medidas tendientesa su estabilización. En virtud de las características fuertemente dinámicas deeste tipo de proceso erosivo, y ante la cercanía de lacabecera en relación a los puentes localizados sobre las víasde comunicación terrestre, se consideró imprescindibledisponer de medidas estructurales de control del avance de laerosión retrógrada en el corto plazo. Para decidir acerca de los aspectos concernientes a lascaracterísticas técnicas de las obras a proyectar, fuenecesario realizar una recopilación de antecedenteshidrológicos de las cuencas de aporte y una caracterizaciónmorfológica del área de influencia directa e indirecta delsistema fluvial afectado por el proceso de incisión. En esesentido la información básica documental disponible resultóescasa por lo que para obtener los parámetros de diseño, fuenecesario aplicar técnicas hidrológicas simplificadas y realizarnumerosos reconocimientos “in situ” a fin de verificaraspectos geotécnicos, recolectar y estimar datos de campoque ayudaran a la toma de decisiones y la definición decriterios y cálculos hidrológicos e hidráulicos. La Figura se muestra el cauce del arroyo El Gato, vistahacia aguas abajo desde la cabecera de la cárcava, en la cualpuede observarse el acentuado proceso de incisión del cauce,advirtiéndose además los mecanismos de falla de lasmárgenespor desplome vertical, acusados por la acumulación de sueloen la base, con un importante desarrollo de vegetación. ESTUDIOS HIDROLÓGICOS E HIDRÁULICOS
  7. 7. En virtud de las características geotécnicas de los suelostípicos de la región (limos loésicos), y considerando laHidrología de las cuencas y subcuencas que aportanescorrentía superficial al tramo del arroyo en cuestión, seconsideró como medida adecuada la construcción de una obrade protección de gaviones para contener el avance delproceso de carcavamiento hacia aguas arriba. Este tipo deestructura tiene la flexibilidad suficiente como paraexperimentar considerables deformaciones (generadas porasentamientos y/o socavaciones menores) sin comprometer laestabilidad global de la obra. Para la selección del caudal de diseño de la obra setuvieron en cuenta las características hidrológicas de lacuenca y la capacidad actual de conducción hidráulica deltramo aguas arriba en función de la pendiente longitudinalmedia, la geometría transversal y la rugosidad del caucemenor y las márgenes vegetadas. También se consideraronotros aspectos atinentes al comportamiento morfodinámico yfluvial del tramo de arroyo afectado por el proceso erosivo, ylaspropiedades mecánicas y geotécnicas de los suelospresentes. El principal objetivo del análisis hidrológico e hidráulicofue el de establecer los caudales de diseño para la obra deprotección. Como antecedente más importante referido a losaspectos hidrológicos, se consideró un estudio realizado en elaño 2000 mediante técnicas de simulación hidrológica conmodelos matemáticos de transformación lluvia - caudal y elanálisis de frecuencias, presentando una serie de caudaleslíquidos asociados a distintos períodos de retorno. Posteriormente a la evaluación de los estudioshidrológicos disponibles, se llevó a cabo un análisishidráulico-fluvial del segmento de cauce considerado,consistente en la simulación de los perfiles de flujo en untramo de unos 500 metros de longitud situado inmediatamenteaguas arriba de la cabecera. Se asumió un control hidráulicoen la profundidad crítica en la proximidad de la cabecera de laobra de control. Esta simulación se realizó usando el modelo HEC-RASdel Hydrologic Engineering Center de Estados Unidos,(HEC, 2001). Este análisis se llevó a cabo con la finalidad deestablecer los niveles característicos alcanzados por lasaguas, para cada escenario de los caudales simulados, yevaluar su consistencia con las observaciones realizadasdurante las visitas de campo y observaciones directas en elsector afectado.
  8. 8. De esta manera, se estableció la conveniencia deadoptar una descarga de diseño Q = 250 m3/s, igual a lacapacidad máxima de conducción del cauce natural, aguasarriba de la obra de protección, y compatible con laimportancia de la obra a realizar y las vías de comunicación aproteger. En la Figura 9 se muestra la curva de descarga h-Qobtenida de la simulación con HEC-RAS (HEC, 2001),mientras que en la Figura 10 se presenta la seccióntransversal que exhibe el cauce natural del arroyoinmediatamente aguas arriba de la cabecera de la cárcava. OBRA DE PROTECCIÓN Dadas las características singulares del proceso erosivoanalizado, se consideró oportunamente que la tipología deobra a adoptar debería estar condicionada al cumplimiento deuna serie de requerimientos, fundamentalmente para asegurarsu estabilidad estructural y un eficiente funcionamientohidráulico. En ese sentido, se observó que una obra de controlconstruida con materiales flexibles cumpliría con lasexigencias establecidas, ya que la misma puede adecuarse adeformaciones que puedan producirse una vez puesta enfuncionamiento. La obra proyectada estaba constituida por una serie desiete saltos de gaviones para salvar el desnivel ocasionado
  9. 9. por el proceso de carcavamiento, conformado en su cuerpoprincipal por una serie de siete traviesas-vertederosescalonadas longitudinalmente y de 2.30 m de altura cadauna. El ancho de las traviesas resultó del orden de los 26 m,en función del ancho actual del cauce y de las dimensiones delos muros laterales. Aguas abajo del último salto se dispusoun cuenco amortiguador, cuya finalidad es la de disipar laenergía de la corriente para restituir el flujo al cauce delarroyo con velocidades menores, y con un tirante normalcompatible con el cauce de aguas abajo. Aguas arriba de laobra propiamente dicha, se previeron muros de encauzamientoa los fines de generar la transición entre el cauce aguasarriba y la serie de saltos. En los sectores horizontales de laobra (fondo del cuenco disipador, escalones disipadores,canal de ingreso y a la salida de la obra), se dispusieroncolchonetas de gavión de 0.30 m de espesor para limitar lacapacidad erosiva del flujo.En la Figura 11 se presenta una planimetría general de laobra, en la que se puede apreciar la topografía natural delarroyo en el segmento afectado del proceso de carcavamiento,y la manera en la cual el conjunto de la obra se integra a lageometría natural. Perimetralmente a la obra y al nivel delterreno natural de los campos aledaños, se previó un albardóno terraplén de protección de manera que se evite el ingresolateral de las escorrentías a la zona de obra.
  10. 10. La Figura 12 muestra una planta detallada de la obra decontrol, distinguiéndose la zona sombreada del revestimientode las mallas de alambre con hormigón simple, a modo deprotección del impacto del chorro de agua para evitar eldesacomodamiento de las piedras de las colchonetas degavión. En la Figura 13 se indica un perfil longitudinal de laestructura, en la que pueden observarse todos los saltos de lamisma y la ubicación del cuenco de amortiguación.
  11. 11. En la Figura 14 se presenta una sección transversalcaracterística de la misma, en la que pueden observarse losmuros laterales de gaviones y los detalles de vinculación delos mismos con las colchonetas de la solera. En todo contactosuelo-terreno se colocaron membranas geotextiles paracontrolar la erosión detrás de las obras de gaviones ocolchonetas. EJECUCIÓN DE LA OBRAModificación del proyecto Durante las tareas de replanteo para la ejecución de laobra realizada por la empresa, se advirtieron diferenciasimportantes en los niveles de terreno, con respecto a latopografía para el proyecto, siendo la altura del salto realinferior al contemplado en el diseño de la obra. La diferenciade desnivel entre la obra proyectada y el terreno real fueadaptada en la obra manteniendo el nivel de base aguas abajoy sobre-elevando o rellenando el ingreso, como se muestra enla Figura 15.
  12. 12. Proceso constructivo Respecto del avance de obra durante las etapasconstructivas, surgieron inconvenientes con el desvío de losexcedentes hídricos conducidos por el arroyo. Inicialmente fuepracticado un canal en la margen izquierda como obra dedesvío, y la derivación al mismo era realizada mediante lacolocación de tablaestacas metálicas hincadas en formaperpendicular al arroyo aguas arriba del dique de gaviones. El comienzo de la construcción de la obra fue enseptiembre de 2002, en coincidencia con el inicio de losperiodos lluviosos en esta región. Al mes de diciembre de esemismo año, las tablaestacas habían fallado en tresoportunidades debido a las crecidas del arroyo, generando larotura de los pocos gaviones colocados en la obra. Debido a estos inconvenientes con el alejamiento de lasaguas del arroyo, fue practicada la obra de desvío sobre lamisma zona de obra, construyendo la misma por sectores. Enuna primera etapa se construyeron el cuenco de disipación ylos escalones de la margen izquierda, desviando el arroyo porla margen derecha. La Figura 16 muestra dos fotografías deesta etapa de construcción de la obra.En la Figura 17 se presenta una fotografía de la obraconcluida desde aguas abajo, sobre la margen izquierdadelarroyo. Aproximadamente el ángulo de toma coincide con elde la Figura 3, con la cárcava en su estado original,posibilitando su comparación.
  13. 13. OPERACIÓN Y SEGUIMIENTO Posterior a la finalización de la etapa de construcción,con la primer creciente de magnitud en el arroyo la obra sufrióuna falla parcial, que si bien no fue de importancia podríaponer en riesgo de colapso total la obra. La Figura 18 muestrala obra en funcionamiento durante el periodo de bajante de lacrecida mencionada. A los fines de definir las propuestas de solución de lafalla parcial producida en la obra, fue necesario determinar el
  14. 14. mecanismo que le dio origen, para lo cual además de contarcon el relevamiento de las fallas (tipo, ubicación ydimensiones), resulta determinante analizar los pasosrealizados en cada una de las etapas de su proceso deelaboración (desde los estudios de base, proyecto, ejecucióny operación). Descripción de la falla parcial La falla se presentó como una serie de hundimientos envarios niveles y sectores del lateral superior derecho de laobra. Estos hundimientos provocaron el colapso de algunossectores del lecho protegido con colchonetas y la deformaciónde tramos de los muros de gaviones. Tanto los sectores decolchonetas como los tramos de muros de gaviones afectadospor los hundimientos se localizaron en la parte superior de laobra, sobre su margen derecha. En la obra se observaron tressectores con hundimientos: uno de diez metros de ancho porunos quince de largo de la parte central de la zona deingreso, otro ubicado en el lateral derecho del primer escalóndisipador de unos siete metros de largo por casi toda la huelladel escalón, y el tercer sector ubicado en el segundo escalóndisipador, sobre el mismo lateral derecho, con una superficiemenor, de unos veinte metros cuadrados (20 m2). El sector más afectado fue el correspondiente al rellenoefectuado en la obra de ingreso en donde la profundidad delos hundimientos está en el orden de 1.40 m, en tanto que enlas otras dos zonas las profundidades observadas fueron demenores magnitudes. Los muros laterales afectados fueron los ubicados en ellateral derecho del primer y segundo escalón, en coincidenciacon los sectores de colchonetas colapsados. Estos murossufrieron descensos diferenciales produciendo la deformación
  15. 15. de los mismos en una longitud de cuatro a cinco metros condescensos del orden de medio metro (ver Figura 19). La Figura 20 muestra las deformaciones sufridas por laobra, en el sector superior derecho, a escasas horas despuésde la crecida. Aún se observa el embalse de las aguas debidoal recrecimiento o relleno de la zona de ingreso. La ubicación planimétrica de las fallas puede observarseen la Figura 21. Estas fallas fueron prácticamentecoincidentes con los sectores de relleno, tanto delrecrecimiento aguas arriba en la zona de la obra de ingreso,como de la obra de desvío por el lateral derecho de la obra(Figura 22). La coincidencia entre la ubicación de los hundimientos ylos sectores de relleno pone de manifiesto que el principalcausante de esta falla parcial es la pérdida de suelo en estossectores por “tubificación”. Dicha pérdida puede responder auna deficiente compactación sumada a la carga hidráulicaadicional generada por el embalse aguas arriba. La conjunción de factores generó una línea deescurrimiento subterráneo preferencial, por debajo y laespalda de los muros de gaviones de los primeros saltosubicados sobre la margen derecha de la obra. Esto causó laremoción del suelo de relleno hacia aguas abajo por sobre elnivel de la primer berma, dejando sin fundación parte de losmuros de gaviones y del revestimiento de colchonetas,provocando las fallas mencionadas.
  16. 16. ReparacionesComo solución a la falla detectada se proyectaron una seriede intervenciones tendientes a reparar los daños y a evitarnuevos inconvenientes, destacándose las siguientes (verFigura 23): • Reposición del suelo de los rellenos ubicados detrás y debajo de los muros laterales de margen derecha. El relleno de los sectores ubicados debajo de los muros que sufrieron asentamientos se previó realizarlo mediante suelo-cemento fluido a los fines de garantizar el correcto llenado de los vacíos y un buen contacto entre relleno y muro. • Reparación de las colchonetas y membranas de geotextil dañadas. • Eliminación del relleno del recrecimiento realizado para la sobre-elevación de la zona de ingreso. En este sector se proyectó un canal de aducción revestido en colchonetas y gaviones con cota de fondo semejante al
  17. 17. terreno natural preexistente. De esta manera se evita la sobrecarga hidráulica dada por el almacenamiento que provoca el recrecimiento.• Obra de transición entre cauce natural y canal de aducción mediante revestimiento de colchonetas, gaviones y membrana de geotextil.• Ejecución de pantallas de suelo-cemento fluido en ambas márgenes de la obra. Estas pantallas, tres de cada lado, están ubicadas transversales al eje de la cárcava en coincidencia con los tres primeros escalones. Sus dimensiones garantizan el corte de la red de flujo subterráneo, evitando nuevas pérdidas de suelo, por lo que se previó que se extiendan desde el paramento externo de los muros hasta encontrar suelo natural (fuera del relleno) y el fondo de las pantallas que esté por debajo de la cota del fondo del desvío o bien hasta encontrar el manto tosca.
  18. 18. Ejecución de las reparaciones En base a la propuesta de reparaciones elaborada yconsensuada con la institución responsable de la obra, laempresa llevó adelante la ejecución de las mismas conalgunas modificaciones propias de obra, como por ejemplo lageometría de la transición entre cauce natural y canal deaducción, tal como se observa en la Figura 24.
  19. 19. CONCLUSIONES Los procesos de erosión en cárcava que pueden afectarcursos fluviales en ambientes pedemontanos o en planicies deloess son fenómenos de una gran complejidad. El estadoactual de conocimiento sobre esta problemática resultainsuficiente, ya que no existen teorías suficientementedesarrolladas y adecuadas para una caracterización generalde los mecanismos involucrados en la génesis y evolución deeste tipo de procesos, razón por la cual se ha presentado unenfoque ingenieril del problema a través de un estudio decaso. Se ha presentado el seguimiento de un caso particularque se considera representativo de la región de estudio(centro de Argentina), en el que fue necesario resolver demanera expeditiva el conjunto de problemas generados por losprocesos de erosión en cárcava, recurriendo a la combinaciónde herramientas sencillas para el cálculo hidrológico yclásicas para la aplicación de medidas estructurales decontrol y protección de infraestructuras bajo riesgo por elfenómeno retrogradante. En base a la experiencia adquirida y"lecciones aprendidas" durante la operación inicial de la obraproyectada, el análisis de las fallas mencionadas y suposterior solución, se considera necesario continuar con labúsqueda de técnicas de solución (e.g., modelos físicos 3Dpara optimizar el diseño de estructuras de disipacióneficientes y compatibles con las especiales condicionesgeotécnicas que posee el loess). En ese sentido, se han mostrado los aspectosmetodológicos llevados a cabo para obtener parámetros dediseño y el proyecto de una obra de diques flexiblesescalonados, considerada como la estructura adecuada parael fin perseguido. También se destacan el seguimiento realizado a la obradurante la etapa de construcción y su corto periodo defuncionamiento; la falla detectada; el análisis de las causasque la pudieron originar; las soluciones adoptadas y suimplementación en obra. Estos tipos de obra poseen características particulares,entre las que pueden mencionarse las siguientes: A diferencia de una obra hidráulica típica, el lugar deemplazamiento de la obra de protección de cárcava no se
  20. 20. puede elegir: su ubicación queda totalmente limitada al lugaren donde se encuentra su cabecera en el momento de realizarla obra. En general esta ubicación coincide con la presenciade suelos de baja calidad, en cuanto a su capacidad soporte yresistencia a la erosión hídrica. Las soluciones técnicas y suconstrucción generalmente se deberán realizar en plazoscortos, para evitar el deterioro durante la etapa constructiva,o peor aún que la cárcava avance bordeando la obra enconstrucción, dejando atrás e inutilizando la obra. Siendo los procesos de erosión en cárcavas fenómenosaltamente dinámicos, sobre todo en lo que se refiere alavance de su cabecera (retrogradante), el tiempo que sedispone, una vez tomada la decisión de realizar la obra, paralos estudios básicos, los estudios de alternativas de solución,el desarrollo del proyecto ejecutivo, llevar adelante el procesode contratación y de construcción, es escaso, limitado alperiodo de estiaje de pocos meses de duración.Se destaca la importancia de realizar tareas de controlespecial durante la construcción y mantenimiento durante losprimeros periodos de funcionamiento, sobre todo después decada creciente de magnitud, con el fin de detectar las posiblesfallas para su inmediata reparación. Esto permite la reducciónde los costos totales de la solución de reparación adoptada yevitar el posible colapso de la obra. Finalmente se remarca la necesidad de continuar conestudios e investigaciones tendientes a lograr un mejorentendimiento del fenómeno de erosión en cárcava, a la vezde reunir mayores estudios con una serie de diseñosalternativos que permitan evaluar los resultados obtenidos conla construcción de obras de control, avanzando en laoptimización de las tipologías geométricas y constructivasadecuadas para este tipo de obras. A tal fin fueronrecomendados estudios en modelos físicos ad-hoc paraoptimizar las estructuras de disipación, los cuales están enejecución.
  21. 21. BIBLIOGRAFIA-Rev. Int. de Desastres Naturales, Accidentes eInfraestructura Civil. Vol. 5(2) 161-Castelló, E., Vanoli, G., Rodríguez, A. y Farías, H. (2003).“Estudios, proyecto, ejecución y seguimiento de estabilizaciónde cárcavas en cauces sobre suelos loéssicos”, 1er SimposioRegional de Ingeniería de Ríos.-Farías, H. D. (1988). “Consideraciones preliminares para elanálisis de procesos de erosión en cárcava en cauces yBañados”, Segundas Jornadas de Hidrología. Santiago delEstero, Argentina.

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