Última revisión: 23 de Julio de 2003.
CONTENIDO.
Los principales factores que actúan en la generación de los caudales sólidos y líquidos que llegan a los cauces naturales y son transportados por ellos están relacionados con las características de la lluvia y de la cuenca, la erosión pluvial y la dinámica de los cauces.
Características de la lluvia:
Características de la cuenca:
Erosión pluvial.
La magnitud de la erosión pluvial depende del régimen de lluvias y de la geomorfología de la hoya vertiente. La erosión se cuantifica por medio del parámetro denominado "pérdida de suelo". Esta pérdida de suelo representa un potencial medio de erosión anual y se expresa en milímetros de suelo por año (mm/año). Solamente una parte de este volumen llega hasta los cáuces naturales y alimenta la carga de sedimentos en suspensión que transporta la corriente.
Los siguientes son los factores que intervienen en el cálculo de la Pérdida de Suelo:
Dinámica de los cauces.
La dinámica de los cauces depende de su caracterización hidráulica, la cual se basa en los siguientes aspectos:
La geometría del cauce está representada por la pendiente longitudinal y por las características de la sección transversal.
Pendiente longitudinal.
En cauces naturales la pendiente longitudinal se mide a lo largo de la línea del agua, debido a que el fondo no es una buena referencia, tanto por su inestabilidad como por sus irregularidades. La pendiente de la línea del agua varía con la magnitud del caudal, y esa variación es importante cuando se presentan cambios grandes del caudal en tiempos cortos, por ejemplo al paso de crecientes.
En los períodos que tienen un caudal más o menos estable es posible relacionar las pendientes con los caudales utilizando registros de aforos.
Sección transversal.
En los cauces naturales las secciones transversales son irregulares y la medición de sus características geométricas se realiza con levantamientos batimétricos.
La línea que une los puntos más profundos de las secciones transversales a lo largo de la corriente se denomina thalweg. En las corrientes de lecho aluvial se observan contínuas variaciones en las secciones transversales y en la línea del thalweg. Las magnitudes y frecuencias de estas variaciones dependen del régimen de caudales, la capacidad de transporte de sedimentos, y el grado de estabilidad del cáuce.
El régimen de flujo en un tramo particular de una corriente natural se clasifica en función del Número de Froude, NF, el cual es una relación adimensional entre fuerzas de inercia y de gravedad.
En el régimen supercrítico (NF > 1) el flujo es de alta velocidad, propio de cauces de gran pendiente o ríos de montaña. El flujo subcrítico (NF <1) corresponde a un régimen de llanura con baja velocidad. El flujo crítico (NF = 1) es un estado teórico en corrientes naturales y representa el punto de transición entre los regímenes subcrítico y supercrítico.
La viscosidad del agua representa un factor importante en el estudio de los cauces naturales. Esta viscosidad depende principalmente de la concentración de la carga de sedimentos en suspensión, y en menor escala de la temperatura.
En cauces limpios, o sea aquellos en los que la concentración de sedimentos es menor del 10% en volumen, el agua se puede considerar como de baja viscosidad. A la temperatura de 20ºC la viscosidad absoluta es del orden de 1 centipoise.
En el caso extremo, cuando se conforman flujos de lodo, donde la proporción volumétrica entre el sedimento y el líquido sobrepasa el 80% , la viscosidad aumenta significativamente y puede llegar hasta los 4000 poises.
Teniendo en cuenta que las fórmulas empíricas de flujo en corrientes naturales se han desarrollado para corrientes de agua limpia, es claro que las velocidades que se calculan con estas fórmulas resultan más altas que las velocidades reales cuando se aplican a flujos viscosos.
En una corriente natural el transporte de los sedimentos se compone de carga de fondo, carga en suspensión y carga en saltación; la última componente es una combinación de las dos primeras. La suma de las tres se denomina carga total.
La pendiente del cauce es uno de los factores importantes que inciden en la capacidad que tiene el flujo para transportar sedimentos, por cuanto está relacionada directamente con la velocidad del agua. En los tramos de pendiente fuerte los cauces tienen pendientes superiores al 3 %, y las velocidades de flujo resultan tan altas que pueden mover como carga de fondo sedimentos de diámetros mayores de 5 centímetros, además de los sólidos que ruedan por desequilibrio gracias al efecto de lubricación producido por el agua.
Desbordamientos: Cuando el cauce
pasa de un tramo de pendiente alta a otro de pendiente baja, su
capacidad de transporte se reduce y comienza a depositar los
materiales que recibe del tramo anterior. En este proceso forma
islas y brazos y puede tomar una conformación trenzada, con cáuce
divagante. Además, el material que se deposita eleva el fondo
del cáuce y disminuye su capacidad a cauce lleno.
En los cauces de régimen
tranquilo , también denominados de llanura, las
aguas se desbordan cuando los caudales de creciente superan
la capacidad a cauce lleno. Por su lado en los tramos de régimen
torrencial o de montaña, se presentan
principalmente fenómenos de socavación de fondo y erosión
de márgenes.
El régimen torrencial se caracteriza porque el flujo tiene una velocidad alta, el número de Froude es mayor que 1 y la línea del agua se ve afectada por la formación de resaltos que son ocasionados por las irregularidades del fondo y de las secciones transversales.
Son cauces con gran capacidad de arrastre de sedimentos. La cantidad de material que efectivamente transportan estos cáuces depende de la conformación del fondo y de la potencialidad de la fuente que produce los sedimentos. El lecho del río puede ser rocoso, aluvial o de material cohesivo. En el primer caso la sección transversal es estable; en el segundo se presenta transporte de material aluvial dentro de la capa de material suelto, y en el tercero el grado de cohesión es un factor que reduce la posibilidad de movimiento del material de fondo, en comparación con el material aluvial del mismo tamaño.
Debido a su gran capacidad de transporte de sedimentos los cáuces de régimen torrencial presentan a lo largo de sus trayectorias fenómenos de socavación y agradación; la segunda como consecuencia de la primera.
La socavación se clasifica como socavación general y socavación local. La general es la que se produce en lechos aluviales o cohesivos por efecto de la dinámica de la corriente y está relacionada con la conformación del nivel de base. Es un fenómeno a largo plazo, auncuando eventos catastróficos pueden acelerarlo.
La socavación local se presenta en sitios particulares de la corriente y es ocasionada por el paso de crecientes y por la acción de obras civiles, como obras de encauzamiento, espolones, puentes con pilas o estribos dentro del cáuce, obras transversales de control, etc.
La socavación en un tramo de una corriente natural es la suma de las dos componentes, la socavación general y la socavación local.
Antes de diseñar obras para tratamiento de cáuces es necesario conocer la magnitud de la socavación. Para determinar la magnitud de la socavación general se deben realizar análisis geomorfológicos entre puntos de control, o sea entre secciones estables. Estos análisis se basan en el estudio de fotografías aéreas y cartografía de diferentes épocas, y en los cambios que se aprecien en observaciones de campo y en levantamientos topográficos.
La socavación local tiene dos componentes, la producida por el paso de crecientes y la correspondiente a la construcción de obras civiles. Para calcular la primera existe un sinnúmero de fórmulas, que son modificadas continuamente por sus autores, a medida que se avanza en la experimentación de campo. Se basan principalmente en el efecto de la fuerza tractiva sobre la carga de fondo, y en los conceptos expuestos por Shields, (Leliavsky).
El Ingeniero Mejicano José Maza A. ha realizado experimentos sobre socavación en ríos, y en su libro River Hydraulics presenta el desarrollo de fórmulas que permiten calcular la socavación que se produce en los cauces al paso de las crecientes extraordinarias.
Para el cálculo de la socavación local por efecto de pilas y estribos de puentes, muros longitudinales, obras transversales, etc, hay necesidad de revisar las experiencias que existen en cada caso particular y las fórmulas empíricas que se han desarrollado. El tema puede ser consultado en la bibliografía de referencia al final del artículo.
Cuando la pendiente del cauce es pequeña, o cuando el flujo en el tramo que se considera en el estudio está regulado por una curva de remanso, el régimen es tranquilo, generalmente subcrítico. En este caso, la capacidad de transporte de sedimentos es baja, y el río puede comenzar a depositar parte de los sedimentos de suspensión y de fondo que trae desde zonas de mayor capacidad de transporte. La metodología que se utiliza para determinar las tasas de transporte utiliza las mismas fórmulas que se han descrito para los tramos de régimen torrencial.
El fenómeno principal que se presenta en los tramos de baja pendiente y régimen tranquilo es de agradación. La magnitud de este fenómeno puede calcularse mediante controles periódicos de los cambios que se producen en la geometría del cáuce, o con realización de balances en tramos determinados. Para realizar los balances deben medirse los volúmenes de sedimentos que entran y salen del tramo. Los fenómenos combinados de erosión y agradación generan cambios en la configuración del fondo, y formación de brazos e islas. Estos cambios serán más grandes entre mayores sean las tasas de transporte, y pueden producir modificaciones importantes en el régimen de flujo durante los períodos críticos de estiaje y crecientes.
Cuando el río recorre un tramo plano, de llanura, existe una posibilidad grande de que se presenten desbordamientos, los cuales ocupan la zona plana adyacente, o llanura de inundación. Las cotas máximas de agua en condiciones de creciente se calculan por medio de fórmulas de flujo variado en canales de sección compuesta. Las cotas calculadas, más el borde libre, permiten definir sobre la cartografía de la zona la magnitud de la zona inundable para diferentes niveles de probabilidad, en condiciones de desborde no controlado.
El diseño de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se conozcan los resultados de los estudios hidráulicos y geomorfológicos del tramo que recibe la influencia de la construcción de dichas obras. Los resultados de los estudios hidráulicos y geomorfológicos presentan pronósticos sobre la evolución futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales medios, mínimos y de creciente, niveles mínimos, máximos y medios, posibles zonas de inundación, velocidades de flujo, capacidad de transporte de sedimentos, socavación y agradación.
Las obras más comunes en corrientes naturales son las siguientes:
Obras transversales para control torrencial. Operan como pequeñas presas vertedero. Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo en un tramo específico, aguas arriba de la obra. Actúan como estructura de control. Pueden fallar por mala cimentación, o por socavación generada inmediatamente aguas abajo.
Espolones para desviación de líneas de flujo. Son estructuras agresivas que, en lo posible, deben evitarse porque pueden producir problemas erosivos sobre las márgenes del tramo aguas abajo.
Espolones para favorecer los procesos de sedimentación. Son efectivos cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de sedimentos en suspensión. Son estructuras permeables, cuyo objetivo es inducir la sedimentación en un tramo adyacente, aguas arriba de las obras. Pueden fallar por erosión en la punta del espolón o en el tramo inmediatamente aguas abajo.
Obras marginales de encauzamiento. Son obras que se construyen para encauzar una corriente natural hacia una estructura de paso, por ejemplo un puente, box-culvert, alcantarilla, etc. Deben tener transiciones de entrada y salida. En el diseño debe considerarse que estas obras de encauzamiento producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente incremento en la socavación del lecho.
Obras longitudinales de protección de márgenes contra la socavación. Son muros o revestimientos, suficientemente resistentes a las fuerzas desarrolladas por el agua. En algunos casos también deben diseñarse como muros de contención. Pueden fallar por mala cimentación, volcamiento y deslizamiento.
Acorazamiento del fondo. Consisten en refuerzo del lecho con material de tamaño adecuado, debidamente asegurado, que no pueda ser transportado como carga de fondo. Algunas veces la dinámica del río produce tramos acorazados en forma natural. El fondo acorazado es un control de la geometría del cáuce.
Protección contra las inundaciones. Son obras que controlan el nivel máximo esperado dentro de la llanura de inundación. Pueden ser embalses reguladores, canales adicionales, dragados y limpieza de cáuces, o jarillones. Estas obras pueden ser efectivas para el área particular que se va a defender, pero cambian el régimen natural del flujo y tienen efectos sobre áreas aledañas, los cuales deben ser analizados antes de construir las obras.
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes:
- Concreto: ciclópeo, simple o reforzado.
- Gaviones, colchonetas.
- Piedra suelta, piedra pegada.
- Tablestacas metálicas o de madera.
- Pilotes metálicos, de concreto o de madera.
- Bolsacretos, sacos de suelo-cemento, sacos de arena.
- Fajinas de guadua.
- Elementos prefabricados de concreto: Bloques, exápodos, etc.
El diseño de las obras combina varias disciplinas, Hidráulica Fluvial, Geotecnia y Estructuras. La primera, como ya se ha explicado, suministra la información básica que permite determinar las condiciones de cimentación y la magnitud de las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten.
