Análisis GeomorfológicosCualitativos

Curso: Hidráulica Fluvial

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOSESCUELA DE INGENIERIA MECANICA DE FLUIDOS

Análisis general de la estabilidad decauces

Presentacion :

El presente capitulo aborda los fenómenos de estabilidad decauces aplicados a puentes y obras similares construidas sobreríos o en sus orillas, a partir del entendimiento de losmecanismos que lo generan y teniendo en cuenta la informacióntécnica en cuanto a procesos de socavación, de erosión ysimilares.

Análisis de Procedimientos paraevaluar la inestabilidad de Cauces

Introducción :Un cauce estable es aquel que en el tiempo no cambia su tamaño, forma oposición.Sin embargo, todos los ríos aluviales sufren cambios en cierta medida y soninestables de alguna manera . Para propósitos de ingeniería de vías, uncauce se puede considerar inestable si la tasa o magnitud del cambio essuficientemente grande como para que afecte significativamente lasconsideraciones de planificación, localización, diseño o mantenimiento deuna carretera, de un puente o cualquier obra fluvial. Los tipos de cambiosque se consideran concernientes son:

• Erosión lateral de las orillas• Variaciones en la elevación del lecho

Procedimiento generalEl análisis de cualquier problema complejo debe comenzar con una visión oevaluación general que incluya una valorización cualitativa del problema ysus soluciones.Este paso inicial es fundamental y debe ser encaminado o reconocer yentender los procesos físicos relevantes, pero sin detenerse en los detallesde cualquier componente del problema.En resumen, el procedimiento de solución general para estudiar laestabilidad de cauces debe incluir los siguientes 3 niveles:1. Aplicación de conceptos geomorfológicos simples y otros análisis.2. Uso de conceptos básicos hidrológicos, hidráulicos y de energía de

transporte de sedimentos.3. Desarrollo de Modelos Matemáticos o Físicos.

Datos requeridos

Datos y detalles requeridos para analizar una vía o su acceso aun rio dependen ampliamente de la inestabilidad relativa delcauce y de la profundidad para obtener una solución adecuadade los problemas potenciales. Si se requiere tener análisiscuantitativo es necesario disponer de información masdetallada, y para resolver problemas en situaciones complejas yde alto riesgo se necesitan datos en tramos extensos de rio.

Datos requeridos para el Nivel 1: AnálisisCualitativo y Geomorfológico

Los datos necesarios en los análisis preliminares de estabilidad incluyenmapas, fotografías aéreas, notas y fotografías tomadas de inspecciones decampo, información sobre perfiles históricos del rio, investigacionesreferidas a las actividades humanas en la región y otro datos concernienteslos cambios en la hidrología e hidráulica del cauce a lo largo del tiempo.Nota : los estándares nacionales de inspección de puentes en los EstadosUnidos de Norteamérica ENIP requieren inspecciones cada 2 años en los575 000 puentes que hacen parte del Inventario Nacional de Puentes.

Generalmente, la sección transversal del sitio del puente definida en elmomento de cada inspección aporta una esquematización cronológica delcauce en el sitio del puente. El área, la ubicación, el sitio, la geología, lossuelos y los mapas de uso de la tierra suministran una información valiosa.

• Las notas y fotografías de campo procedentes de lasinspecciones son importantes para lograr una mayorentendimiento de los problemas de estabilidad de loscauces, particularmente en lo que respecta a laestabilidad local. Las inspecciones de campo debenllevarse a cabo durante periodos de caudales altos ycaudales bajos con el fin de registrar la ubicación decortes por erosión en las bancas o fosas y depósitos enel rio.

• Si se dispone de perfiles históricos de cauces, ellospueden suministrar información sobre la estabilidaddel rio. Las tendencias cíclicas en secciones estrechasdel cauce y las comparaciones de los niveles del fondocon las cotas antes de la construcción de estructuras,dan información sobre los cambios en el perfil del rio.

• Las inspecciones de campo son un componentecritico en la evaluación cualitativa de laestabilidad lateral. La comparación de lascondiciones observadas en campo con ladescripción de orillas estables e inestables de unrio ayuda a calificar la estabilidad de una orilla.

• La evaluación de la estabilidad lateral también sepuede realizar a partir de datos históricos de laposición de un tramo en curva en dos o mastiempos diferentes: las fotografías aéreas o losmapas son usualmente los únicos datos históricosdisponibles.

• La medición de la erosión de orillas a partir defotografías aéreas en dos momentos diferentesrequiere identificar puntos de referencia comunes aambas.

• Algunos de ellos pueden ser carreteras, edificaciones,canales de riego , puentes y esquinas o puntos decruce.

• Es necesario identificar sitios de potencial avulsión(cambio del cauce a un nuevo alineamiento) cerca delcruce de una carretera, de tal manera que se puedanadelantar los pasos para mitigar los efectos de avulsióncuando ella ocurra.

• Frecuentemente, las actividades en las cuencasson la causa de inestabilidad de los cauces. Porconsiguiente, es necesario evaluar el impacto dediversas acciones en la inestabilidad de losmismos. Entre ellas se cuentan: la urbanización,la limpieza del terreno, las obstrucciones en loscauces, las canalizaciones, los cortes de curvas, laminería del hecho, la construcción de presas, laoperación de embalses, los proyectos denavegación y muchas otras practicas yaexistentes o que se espera aparezcan en el futuro.

Datos necesarios en el nivel 2:Análisis de Ingeniería Básica

• Los requerimientos de información básica en losanálisis de hidrología, hidráulica e ingeniería detransporte de sedimentos dependen del tipo deestudio que se debe realizar. Las necesidades de datoshidrológicos incluyen el caudal dominante(caudalbanca llena o de cauce lleno) , las curvas de duración ylas curvas de frecuencia de los caudales. Lasnecesidades de información hidráulica incluyen lassecciones transversales, los estimativos de la rugosidaddel canal y las orillas, la dirección del rio y otrainformación para adelantar los cálculos hidráulicos y ladefinición de los perfiles del flujo.

• Un análisis cuantitativo mas detalladorequiere información sobre las propiedades delos materiales del lecho y las orillas y, algunasveces, datos de campo sobre las tasas detransporte de la carga del lecho y la carga desuspensión. Las propiedades de los materialesdel lecho y de las orillas que son importantespara un estudio de transporte de sedimentosincluyen el tamaño, la forma, la velocidad decaída, la cohesión, la densidad y el ángulo dereposo.

Datos necesarios en el nivel 3:Modelos matemáticos y físicos.

• Generalmente , la aplicación de modelosmatemáticos y físicos requieren los mismos datosbásicos usados en el nivel 2, aunque con mayordetalle. Por ejemplo, las corridas hidráulicas y desedimentos con modelos matemáticos (Porejemplo el modelo BRI-STARS o el modelo HEC-6incluido posteriormente en el HEC-RAS) y laconstrucción de un modelo físico requiereninformación detallada de las seccionestransversales.

Fuentes de Información

• Aquellos datos preliminares referentes a laestabilidad pueden encontrarse en estudiosanteriores sobre el mismo cauce o en análisisparticulares realizados por el IDEAM o por lasalcaldias municipales y las gobernaciones. Lainformacion cartografica se puede consultaren el IGAC, los mapas de suelos y geológicosse encuentran en Ingeominas y la informacionhidrologica se puede adquirir en el IDEAM.

Nivel 1: Geomorfológicos Cualitativos

• En la figura 3.1 se presenta un diagrama de flujo de lospasos generales seguidos en los análisisgeomorfológicos cualitativos. Los 6 pasos songeneralmente aplicables a los problemas de estabilidadde cauces. Como se muestra en la figura 3.1, laevolución cualitativa puede generar la necesidad deadelantar un análisis mas detallado (nivel 2) o puedellevarse a que se recomiende una evaluación basada enel nivel uno. Los análisis cualitativos del nivel uno sonun pre requisito para los análisis de ingeniería del nivel2 en el diseño de puentes o en su rehabilitación.

Paso 1:Características delcauce.

Paso 2 :Cambios en los usosdel terreno

Paso 3 :Estabilidad total

Paso 4: Estabilidad Lateral

Paso 5: Estabilidad Vertical

Paso 6: Respuesta delCauce

Nivel 2Análisis

Se necesitananálisis masdetallados

Evaluacióncompleta

Inestable

Inestable

Inestable

Posible

No

Si

Paso 1: Definición de las característicasdel cauce

• El primer paso en el análisis de estabilidad esidentificar las características del cauce deacuerdo con los factores y principiosgeomorfológicos. La definición de lasdiferentes características geomorfológicas dela corriente constituye una interpretaciónsobre el comportamiento y la respuesta delrio.

Paso 2 : Evaluación de los cambios enel uso del terreno

• La producción de agua y sedimentos en una cuenca es unafunción de las practicas de uso del suelo. De esta manera,el conocimiento del uso del terreno y sus cambioshistóricos es esencial para entender las condiciones deinestabilidad de los cauces y de su respuesta potencialrespecto a cambios naturales o inducidos por el hombre.

• La presencia o ausencia de la capa vegetal puede tener unainfluencia significativa en la escorrentía y en la respuestaerosiva de una sistema fluvial. Los cambios a gran escalapresentados en la vegetación producidos por incendios,deforestación, cambios en el uso de la tierra y urbanización,pueden tanto aumentar como disminuir la producción deagua y sedimento de una cuenca.

• La información concerniente al historial y lastendencias del uso de la tierra puede hallarse endocumentos e informes oficiales. Los datosobtenidos en censos, mapas de la zona, planes dedesarrollo a futuro, se obtienen en los Planes deOrdenamiento Territorial.

• Además, un análisis multi temporal aporta unbuen conocimiento sobre los cambios en el usode los suelos. Los cambios en la cobertura vegetalse pueden clasificar como : ausencia de cambios,aumentos de la vegetación, daños de lavegetación y destrucción de la vegetación.

Paso 3: Evaluación de la estabilidadgeneral del cauce

• La figura 3.2 también es útil para hacer unaevaluación cualitativa sobre la estabilidad de uncauce basada en las características de un rio. Elcuadro 3.1 muestra que los canales rectilíneosson relativamente estables solo cuando lasvelocidades de flujo y las cargas de sedimentosson bajas. A medida que estas variablesaumentan se incrementa el desarrollo de curvasen el flujo, causando la formación de barrasalternadas con la iniciación de un patrón de caucemeándrico.

Paso 4 : Evaluación de la EstabilidadLateral

• Los efectos de inestabilidad lateral de un cauceen un puente dependen de la extensión de laerosión de orillas y del diseño del puente. Laerosión de orillas puede quitarle apoyo a las pilasy a los estribos localizados por fuera del canalprincipal y erosionar los terraplenes de acceso.Cuando una orilla falla por desprendimientorotacional, las presiones laterales en las pilaslocalizadas dentro de la zona de desprendimientopueden causar grietas en ellas, colapsos odesplazamientos de la cimentación.

• La medición de la erosión de orillas a partir defotografías aéreas en 2 momentos diferentesrequiere identificar puntos de referenciacomunes a ambas.

• Algunos de ellos pueden ser carreteras,edificaciones, canales de riego, puentes yesquinas o puntos de cruce.

• Es necesario identificar sitios de potencialavulsión (cambio del cauce a un nuevoalineamiento) cerca del cruce de una carretera,de tal manera que se pueden adelantar los pasospara mitigar los efectos de avulsión cuando ellaocurra.

Paso 5 : Evaluación de la EstabilidadVertical

• Los efectos típicos asociados a los cambios en laelevación del lecho en los sitios del puente son: laerosión en los terraplenes de acceso y la socavación enla base de las cimentaciones por degradación, o unareducción en el área del flujo por agradación bajopuentes, produciendo una mayor frecuencia de losflujos con niveles altos.

• La erosión de las orillas asociada a la degradaciónposee los mismos problemas en los puentes que laerosión lateral por migración de curvas, pero puedenser mas severos debido a la baja elevación del cauce.

• Otros problemas diferentes a los asociadoscon la degradación de cauces incluyen lasocavación de muros pre excavados, de otrasestructuras del control del flujo y deprotección de orillas. El derrumbe de orillasdebido a la degradación generalmenteincrementa la cantidad de escombros ymateriales transportados por el rio y aumentael bloqueo potencial de los puentes,agravando la socavación en ellos.

Paso 6 : Evaluación de la respuesta delRio a los cambios

• El conocimiento y el desarrollo posterior apartir de la evaluación de las condicioneshistóricas y presentes del rio y de la cuenca,tal como se ha expuesto a través de los pasosuno a cinco ayudan a entender la respuestapotencial del rio respecto a impactos previos oa cambios propuestos tales como a laconstrucción de un puente.