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

– Flujo establecido– Distribución de sub-presiones , caudales , gradientes

hidráulicos y fuerzas de filtración • 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

ENFOQUES: ENFOQUES:

Estudios y ProyectosEstudios y Proyectos: Planeaci: Planeacióón estratn estratéégica con visigica con visióón a corto, n a corto, mediano y largo plazo para desarrollar proyectos sin mediano y largo plazo para desarrollar proyectos sin comprometer el futuro. Considerar enfoques en procesos de comprometer el futuro. Considerar enfoques en procesos de prueba y ajuste, incluye evaluar y medir el comportamientoprueba y ajuste, incluye evaluar y medir el comportamiento

Cambios de ParadigmaCambios de Paradigma. Considerar . Considerar otro tipo de obrasotro tipo de obras y y proyectos integrales con obras complementarias en cuencas proyectos integrales con obras complementarias en cuencas altas y mediasaltas y medias

Durante emergenciasDurante emergencias: Respuesta inmediata con acciones : Respuesta inmediata con acciones urgentes y a corto plazo, incluye planes de emergencia durante urgentes y a corto plazo, incluye planes de emergencia durante inundacionesinundaciones

IngenierIngenieríía forensea forense. Aprender de fallas. Aprender de fallas

DiseDise ñño Estructuralo Estructural --FuncionalFuncional

DiseDise ñño Funcionalo Funcional : Tratar de conservar el funcionamiento natural del o los : Tratar de conservar el funcionamiento natural del o los sistemas de rsistemas de r ííosos

Enfoque a prioriEnfoque a priori .. Con base en criterios de diseño convencionales de la geotecnia y potamología.

Enfoque a posteriori : Lecciones aprendidas de las fallas

Cuenca alta

Cuenca mediaCuenca baja

S1

S2S3 S4

S5

TacanTacan áá

Tapachula

AgradaciAgradaci óón de n de planicies 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

En particular los encauzamientos con bordos se desarrollan En particular los encauzamientos con bordos se desarrollan en la Planicie Aluvial: Deltasen la Planicie Aluvial: Deltas--Cono de DeyecciCono de Deyeccióónn--Estuarios. Estuarios. Comprender los procesos geomorfolComprender los procesos geomorfol óógicos y el funcionamiento natural e gicos y el funcionamiento natural e histhist óórico (de preferencia siglos) del rrico (de preferencia siglos) del r íío para:o para:

Discernir sobre las solicitaciones de diseDiscernir sobre las solicitaciones de dise ñño: Hidro: Hidr ááulico, Estructural y Funcional ulico, Estructural y Funcional de obras hidrde obras hidr ááulicas en el rulicas en el r ííoo

Definir Definir efectos de escalaefectos de escala , magnitud y , magnitud y trazotrazo de las obras:de las obras:

�� VisiVisi óón regional: n regional: oo Trazo por diferentes formaciones geolTrazo por diferentes formaciones geol óógicasgicasoo Hundimientos regionales: suelos blandos, formacione s cHundimientos regionales: suelos blandos, formacione s c áársticas, explotacirsticas, explotaci óón acun acu ííferaferaoo Condiciones geoCondiciones geo --hidrolhidrol óógicasdel subsuelogicasdel subsuelooo IdentificaciIdentificaci óón de depn de dep óósitos de suelos difsitos de suelos dif ííciles ciles

�� Ubicar zonas de divagaciUbicar zonas de divagaci óón natural n natural Ubicar zonas naturales de regulaciUbicar zonas naturales de regulaci óón n �� Identificar paleoIdentificar paleo --cauces, zonas de derrame o de avulsicauces, zonas de derrame o de avulsi óónn�� Identificar el sitio del Identificar el sitio del áápice hidrogrpice hidrogr ááfico y del topogrfico y del topogr ááficofico�� Ubicar bancos de material adecuado para la construc ciUbicar bancos de material adecuado para la construc ci óón de obrasn de obras

Morfología de Cauces en conos de deyección y las planicies

�Forma�Meandros�Islas�Barras�Derrames-Avulsiones�Zonas duras-blandas

• 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,)

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.

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.

Corte de MeandroCorte de Meandro

Meandro Activo, rMeandro Activo, r íío Bravoo Bravo

Meandro Inactivo, rMeandro Inactivo, r íío Bravoo Bravo

BARRA DETUPILCO BARRA DE DOS BOCAS

PARAISO

BARRA DE CHILTEPEC

BARRA DE FRONTERA

FRONTERA

BARRA DE SAN PEDRO

NACAJUCAJALPA

CUNDUACAN

VILLAHERMOSA( San Juan Bautista )

CARDENAS

HUIMANGUILLO

PICHUCALCOTEAPA

TACOTALPA

Rio

Tea

pa

Rio Tacotalpa

Rio d

e la Sierra

Rio

G r

i j a

l v

a

R i o

S e

c o

COMALCALCO

R i

o M

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p a

o Rio Viejo

R i

o

M e z c a l a p a

ROMPIDO DENUEVA ZELANDIA

ROMPIDO DE NUEVA ZELANDIA - 1675

BARRA DETUPILCO BARRA DE DOS BOCAS

PARAISO

BARRA DE CHILTEPEC

BARRA DE FRONTERA

FRONTERA

BARRA DE SAN PEDRO

NACAJUCAJALPA

CUNDUACAN

VILLAHERMOSA( San Juan Bautista )

CARDENAS

HUIMANGUILLO

PICHUCALCOTEAPA

TACOTALPA

Rio

Tea

pa

Rio Tacotalpa

Rio d

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Rio

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R i o

S e

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COMALCALCO

R i

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l a

p a

o Rio Viejo

R i

o

M e z c a l a p a

Rio Carrizal

ROMPIDO MANGADE CLAVO

ROMPIDO MANGA DE CLAVO - 1881

BARRA DETUPILCO BARRA DE DOS BOCAS

PARAISO

BARRA DE CHILTEPEC

BARRA DE FRONTERA

FRONTERA

BARRA DE SAN PEDRO

NACAJUCAJALPA

CUNDUACANVILLAHERMOSA

( San Juan Bautista )CARDENAS

HUIMANGUILLO

PICHUCALCOTEAPA

TACOTALPA

Rio

Tea

pa

Rio Tacotalpa

Rio d

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Rio

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COMALCALCO

R i

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Rio Viejo

Rio Carrizal

Rio G

onzalez

ROMPIDO DELA PIGUA - 1904

ROMPIDO DE LA PIGUA - 1904

BARRA DETUPILCO BARRA DE DOS BOCAS

PARAISO

BARRA DE CHILTEPEC

BARRA DE FRONTERA

FRONTERA

BARRA DE SAN PEDRO

NACAJUCAJALPA

CUNDUACAN

VILLAHERMOSA( San Juan Bautista )

CARDENAS

HUIMANGUILLO

PICHUCALCOTEAPA

TACOTALPA

Rio

Tea

pa

Rio Tacotalpa

Rio d

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Rio

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COMALCALCO

R i

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o Rio Viejo

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M e z c a l a p a

Rio Carrizal

Rio Cañas

Rio C

uxcu

acha

pa

Rio Jalupa

ROMPIDO DE CAÑAS

ROMPIDO DE CAÑAS1940

BARRA DETUPILCO BARRA DE DOS BOCAS

PARAISO

BARRA DE CHILTEPEC

BARRA DE FRONTERA

FRONTERA

BARRA DE SAN PEDRO

NACAJUCAJALPA

VILLAHERMOSA( San Juan Bautista )CARDENAS

HUIMANGUILLO

PICHUCALCOTEAPA

TACOTALPA

Rio

Tea

pa

Rio Tacotalpa

Rio d

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Rio

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R i o

S e

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COMALCALCO

R i

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Rio Viejo

Rio Carrizal

Rio Samaria

Rio C

uxcu

acha

pa

Rio Medellin

Rio ChilapaRio Chilapilla

ROMPIDO DEL VELADEROABIERTO EN 1952CERRADO EN 1953

CUNDUACAN

ROMPIDO DEL VELADERO - 1952

BARRA DETUPILCO BARRA DE DOS BOCAS

PARAISO

BARRA DE CHILTEPECSta. Ma. de laVictoria

BARRA DE FRONTERA

FRONTERA

BARRA DE SAN PEDRO

NACAJUCA

JALPA

CUNDUACAN

VILLAHERMOSA( San Juan Bautista )

CARDENAS

HUIMANGUILLO

PICHUCALCOTEAPA

TACOTALPA

Rio

Tea

pa

Rio

Tac

otal

pa

Rio d

e la Sierra

Rio

G r

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l v

a

R i o

M e

z c

a l a

p a

COMALCALCO

SIGLO XVI

Identificación de Avulsiones, Splays, Paleocauces

Derrames (Splay )Derrames (Splay )

AvulsiAvulsióón n

CorrecciCorrecci óón en Plantan en Planta

Tajos o Cortes de DerivaciTajos o Cortes de Derivaci óónna a

Zonas Naturales de RegulaciZonas Naturales de Regulaci óónn

Corte y Zona de Regulación

EncauzamientosEncauzamientosyy

MMáárgenes Guiadasrgenes 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

Diseño Funcional:

Adecuar el Trazo al Contexto Geomorfológico

Conservar zonas naturales de divagación

AcortamientoAcortamiento --Aumento de GradienteAumento de Gradiente

Rasgos de un Cauce en la Planicie Aluvial

Derrames

Meandro Abandonado

Acreción vertical Depósito precedente

Dique natural

Acreción lateral

• 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 GeotModelo Geotéécnico del Subsuelo:cnico del Subsuelo:•• GeologGeologíía superficiala superficial--estructural regional, trazo y por estructural regional, trazo y por

sitiositio•• ExploraciExploracióón de cauce, laderas y mn de cauce, laderas y máárgenesrgenes

Indirecta: GeofIndirecta: Geofíísica sica calibradacalibradaDirecta: Sondeos con muestreo y ensayes deDirecta: Sondeos con muestreo y ensayes decampo y laboratorio:campo y laboratorio:��Propiedades Propiedades ÍÍndice y Mecndice y Mecáánicasnicas��SUCSSUCS--GranulometrGranulometrííasas��SPT, PCASPT, PCA´́s, Menards, Menard��Pruebas Especiales en Suelos DifPruebas Especiales en Suelos Difííciles: ciles:

Colapsables, Expansivos, DispersivosColapsables, Expansivos, Dispersivos•• Muestro de Sedimentos y Arrastre de Fondo en rMuestro de Sedimentos y Arrastre de Fondo en rííoo

Por ErosiPor Erosi óón:n:

��Lateral o ErosiLateral o Erosi óón Marginaln Marginal

��Vertical o DegradaciVertical o Degradaci óón del Fondon del Fondo

Por AcumulaciPor Acumulaci óón de Azolves:n de Azolves:

��En el fondo del cauce o AgradaciEn el fondo del cauce o Agradaci óón n

��Lateralmente hacia la planicie aluvialLateralmente hacia la planicie aluvial

*Acreci*Acreci óón Verticaln VerticalAcreciAcreci óón Lateraln Lateral

*Acreci*Acreci óón. Crecimiento por adicin. Crecimiento por adici óón o acumulacin o acumulaci óón de materian de materia

Movilidad de Cauces y sus MMovilidad de Cauces y sus M áárgenesrgenes

Movilidad de Cauces y sus MMovilidad de Cauces y sus M áárgenesrgenes

Movilidad VerticalMovilidad Vertical

50

Río con carga de sedimentos

Sedimentos

Nivel Agua

51

Nivel Agua

Carga de sedimentos removidos

52

Nivel Agua

Río con degradación del fondo del cauce

Erosión y Profundización

53

Nivel Agua

Río con fondo profundizado

Fondo profundizado

54

Nivel Agua

Río con equilibrio límite de márgenes

Zonas de Riesgo Zonas de Riesgo

55

Descenso Nivel Agua

Río con márgenes deslizadas

Deslizamiento Deslizamiento

Hc = 4c/γ

Movilidad HorizontalMovilidad Horizontal

FormaciFormaci óón de Islas y Barrasn de Islas y Barras

Alejar del hombro de margen

PermeableImpermeable

Permeable

Permeable

Impermeable

PermeableImpermeable

Permeable

Permeable

Impermeable

Algunos Mecanismos de Fallaencontrados durante inspecciones

• Perdida de Bordo Libre por:– Hundimiento Regional – Agrietamiento por Asentamiento Diferencial– Agrietamiento por ciclos de humedad-secado– Colapso por saturación de subsuelo 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 Capacidad de Carga o o

Deslizamiento GeneralDeslizamiento 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 GeneralFalla General

AnAn áálisis de Flujo de Agua. Determinar la distribucilisis de Flujo de Agua. Determinar la distribuci óón de:n de:

•• Fuerzas de FiltraciFuerzas de Filtraci óónn•• Gradientes HidrGradientes Hidr ááulicosulicos•• Caudales de filtraciCaudales de filtraci óónn

Con el propCon el prop óósito de descartar riesgos de erosisito de descartar riesgos de erosi óón internan interna

Erosión Interna

Secciones y Materiales InadecuadosSecciones y Materiales Inadecuados

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

ProtecciProtecci óón contra la n contra la erosierosi óón de filtracionesn de filtraciones

FiltrosFiltros

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 Filtran te

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

EstabilizaciEstabilizaci óón y Proteccin y Protecci óónncon: Pilotes y Tablestacascon: 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

EstabilizaciEstabilizaci óón y Proteccin y Protecci óónncon: Pilotes y Tablestacascon: Pilotes y Tablestacas

ProtecciProtecci óón de Taludes:n de Taludes:

PastoPasto --Arbusto Nativo Evitar Arbusto Nativo Evitar áárbolesrboles

Trf = Tr + ∆Tr

Tr

VadosVados

Vados

Mejoramiento del SubsueloMejoramiento del Subsuelo

FINFIN

Muchas Gracias por su AtenciMuchas Gracias por su Atenci óónn