control de erosión en zonas tropicales
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CONTROL DE EROSINe n z o n a s t r o p i c a l e s
JAIME SUREZ DAZ
Profesor Escuela de Ingeniera CivilUNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
Bucaramanga - Colombia
AsesorCORPORACIN AUTNOMA REGIONAL PARA
LA DEFENSA DE LA MESETA DE BUCARAMANGACDMB
INSTITUTO DE INVESTIGACIONES SOBRE EROSIN Y DESLIZAMIENTOS
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CONTROL DE EROSIN EN ZONAS TROPICALESJaime Surez Daz
2001, Jaime Surez Daz
ISBN 958-33-2734-4
Diseo de cubierta y diagramacin:
Divisin Editorial y de PublicacionesUniversidad Industrial de Santander
Dibujos:
Clmaco Acevedo P.
Revisin:
William Vargas F.
Impresin:
Divisin Editorial y de PublicacionesUniversidad Industrial de Santander
Fotografa de la Cubierta:
Ro Chicamocha
Publicacin:
Noviembre de 2001
Nmero de ejemplares: 1500
Prohibida su reproduccin, por cualquier medio, sin la autorizacin expresa, escrita del autor.
Distribuido por:Instituto de Investigaciones sobre Erosin y Deslizamientos Ingeniera de Suelos Ltda,Calle 41 No. 28 - 33 Bucaramanga, Colombia.Fax : 634 1255 - 645 7507E Mail: [email protected]
Librera UISCarrera 27 Calle 9, Telfono 634 8418 Telefax 632 8212E-mail: [email protected] - Colombia
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A todos mis alumnosy en especial a aquellos que han aplicado mis enseanzas
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Contenido
PRESENTACIN
CAPTULO 1
LA EROSIN CONCEPTOS BSICOS
1.1 Hidrologa .............................................................................................................................. 16
1.1.1 Las lluvias ........................................................................................................................... 16
1.1.2 La escorrenta ..................................................................................................................... 22
1.1.3 Infiltracin ........................................................................................................................... 241.2 La cuenca .............................................................................................................................. 26
1.3 Rgimen de caudales ............................................................................................................ 28
1.3.1 Vida til y perodo de retorno ............................................................................................. 29
1.3.2 Hidrograma de una creciente ............................................................................................. 301.3.3 Metodologas para el clculo del caudal ........................................................................... 33
1.4 Ecuacin universal de la erosin .......................................................................................... 38
1.4.1 ndice de erosin pluvial R .............................................................................................. 38
1.4.2 ndice de erosionabilidad del suelo K ............................................................................. 391.4.3 Factores topogrficos L y S ............................................................................................... 39
1.4.4 Factor cobertura vegetal del suelo C .............................................................................. 41
1.4.5 Factor de prcticas de conservacin P ........................................................................... 41
1.5 Mecanismos de erosin ........................................................................................................ 421.6 Concepto de fuerza tractiva .................................................................................................. 44
1.6.1 Clculo de la fuerza tractiva ............................................................................................... 44
1.6.2 Resistencia del suelo a la fuerza tractiva ........................................................................... 46
1.6.3 Velocidades a las cuales se produce erosin.................................................................... 471.7 Erosionabilidad ...................................................................................................................... 48
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CONTENIDO 6
1.7.1 Factores que afectan la erosionabilidad .............................................................................. 48
1.7.2 Erosionabilidad en suelos no cohesivos ............................................................................. 49
1.7.3 Erosionabilidad en suelos cohesivos ................................................................................... 491.7.4 Erosionabilidad en suelos residuales .................................................................................. 50
1.7.5 Las arcillas dispersivas ......................................................................................................... 50
1.8 Ensayos de erosionabilidad .................................................................................................... 53
CAPTULO 2
TIPOS DE EROSIN Y SU CONTROL
2.1 Erosin por el viento................................................................................................................ 58
2.2 Erosin por gotas de lluvia ...................................................................................................... 60
2.3 Erosin laminar ........................................................................................................................ 62
2.4 Erosin en surcos .................................................................................................................... 622.5 Erosin en crcavas ................................................................................................................ 66
2.5.1 Procesos de carcavamiento ................................................................................................. 66
2.5.2 Tipos de crcava .................................................................................................................. 69
2.5.3 Causas de la formacin de crcavas ................................................................................... 722.5.4 Clculo de la erosin en crcavas ....................................................................................... 73
2.5.5 Control de la erosin en crcavas ....................................................................................... 73
2.6 Erosin interna ........................................................................................................................ 75
2.7 Erosin en corrientes de agua ................................................................................................ 782.8 Erosin en masa ...................................................................................................................... 78
2.9 Metodologa para la planeacin y diseo de obras de control de erosin............................ 78
2.9.1 Alternativas de manejo o estabilizacin ............................................................................... 782.9.2 Mtodo general de diseo ................................................................................................... 82
CAPTULO 3
EROSIN EN ROS Y CORRIENTES DE AGUA
3.1 Etapas de la corriente de agua ............................................................................................... 863.1.1 Etapa de formacin o niez ................................................................................................. 87
3.1.2 Etapa de juventud ................................................................................................................ 88
3.1.3 Etapa de madurez ................................................................................................................ 88
3.1.4 Etapa de vejez ...................................................................................................................... 893.2 Hidrulica de ros ..................................................................................................................... 89
3.2.1 Parmetros fundamentales .................................................................................................. 89
3.2.2 Clasificacin del flujo ............................................................................................................ 89
3.2.3 Ecuacin fundamental del flujo ............................................................................................ 903.2.4 Perfil de velocidades ............................................................................................................ 91
3.2.5 Tipo de flujo .......................................................................................................................... 91
3.3 La erosin hidrulica ............................................................................................................... 94
3.3.1 Propiedades de los sedimentos .......................................................................................... 953.3.2 Transporte de sedimentos .................................................................................................... 96
3.3.3 Origen de los sedimentos .................................................................................................... 97
3.3.4 Forma y rugosidad de la superficie de fondo ...................................................................... 97
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CONTENIDO 7
3.4 Morfologa fluvial ................................................................................................................... 100
3.4.1 Perfil longitudinal del ro .................................................................................................. 100
3.4.2 Seccin transversal del ro ............................................................................................... 1003.4.3 Propiedades morfolgicas de los ros ............................................................................. 102
3.4.4 Clasificacin de los caudales .......................................................................................... 106
3.4.5 Canales semirectos .......................................................................................................... 106
3.4.6 Canales sinuosos ............................................................................................................. 1073.4.7 Canales trenzados ........................................................................................................... 107
3.4.8 Canales anaramificados .................................................................................................. 110
3.4.9 Corrientes de alta montaa (Torrentes) ........................................................................... 110
3.4.10 Deltas ............................................................................................................................... 1123.4.11 Canales mendricos ........................................................................................................ 112
3.5 Efectos de la geologa sobre la morfologa fluvial ................................................................ 119
3.6 Dinmica fluvial ..................................................................................................................... 120
3.6.1 Efectos de la intervencin antrpica ............................................................................... 1203.6.2 Tipos de inestabilidad ...................................................................................................... 123
3.7 Metodologa de anlisis de la dinmica de corrientes ......................................................... 130
CAPTULO 4
CLCULO DE LA SOCAVACIN
4.1 Fundamentos de la socavacin ............................................................................................ 137
4.1.1 Componentes de la socavacin ...................................................................................... 137
4.1.2 Instrumentacin de la socavacin ................................................................................... 1394.2 Socavacin general ............................................................................................................... 140
4.2.1 Clculo de la socavacin general .................................................................................... 141
4.2.2 Socavacin general en casos especficos ...................................................................... 141
4.3 Socavacin por contraccin del cauce ................................................................................ 1444.4 Socavacin en estribos de puentes...................................................................................... 149
4.5 Socavacin en las pilas de puentes ..................................................................................... 151
4.5.1 Factores que afectan la socavacin en pilas .................................................................. 151
4.5.2 Mtodos de clculo .......................................................................................................... 1524.5.3 Ancho de las fosas de socavacin en pilas de puentes ................................................. 155
4.6 Socavacin en espigones ..................................................................................................... 157
4.7 Socavacin en alcantarillas y box coulverts ......................................................................... 158
4.8 Socavacin en el pie de un vertedero .................................................................................. 1584.9 Sistemas de control de la socavacin .................................................................................. 160
CAPTULO 5
EROSIN EN MASA FLUJOS Y AVALANCHAS
5.1 Modelos de fluido en avalanchas ......................................................................................... 1705.1.1 Flujo Newtoniano (Modelo de Manning) ......................................................................... 170
5.1.2 Flujo de Bingham ............................................................................................................. 170
5.1.3 Modelo de fluido dilatante ............................................................................................... 171
5.2 Tipos principales de flujo ...................................................................................................... 174
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CONTENIDO 8
5.2.1 Flujos de lodo ................................................................................................................... 174
5.2.2 Flujos hiperconcentrados granulares ............................................................................... 177
5.2.3 Flujos de detritos (Debris Flows) ..................................................................................... 1795.3 Caractersticas generales de las avalanchas ....................................................................... 181
5.4 Mecanismos de formacin de avalanchas de tierra ............................................................ 185
5.4.1 Deslizamientos de tierra generalizados por lluvias intensas ........................................... 185
5.4.2 Avalanchas por deslizamientos aislados ......................................................................... 1875.4.3 Represamiento de cauces de agua ................................................................................. 188
5.4.4 Avalanchas por caudales y velocidades extraordinarias en cauces de agua ................. 188
5.4.5 Eventos ssmicos .............................................................................................................. 189
5.4.6 Flujos piroclsticos ........................................................................................................... 1895.4.7 Deshielo de nevados ........................................................................................................ 189
5.5 Procedimiento de modelacin de avalanchas de tierra ....................................................... 190
CAPTULO 6
MATERIALES PARA EL CONTROL DE EROSIN
6.1 Los geosintticos .................................................................................................................. 194
6.1.1 Geomembranas ................................................................................................................ 194
6.1.2 Geotextiles ........................................................................................................................ 196
6.1.3 Geomallas o GEOGRILLAS .............................................................................................. 2016.1.4 Geocompuestos ............................................................................................................... 204
6.1.5 Mantos sintticos para el control de erosin (Synthetic erosion control blankets) ........ 204
6.1.6 Esterillas tridimensionales (Turf reinforcement mats) ...................................................... 2056.1.7 Matriz de hilos sintticos continuos ................................................................................. 206
6.1.8 Fibras sintticas sostenidas por un pegante ................................................................... 207
6.2 Los textiles orgnicos ........................................................................................................... 208
6.2.1 Tejidos orgnicos .............................................................................................................. 2086.2.2 Mantos orgnicos (Blankets) ........................................................................................... 208
6.2.3 Especificaciones para la colocacin de tejidos y mantos ............................................... 209
6.3 Fajinas prefabricadas ............................................................................................................ 212
6.4 Barreras de sedimentos ........................................................................................................ 2146.5 Los geomoldes ..................................................................................................................... 214
6.6 Los prefabricados de concreto ............................................................................................. 217
6.7 Los filtros granulares ............................................................................................................. 219
6.8 Los enrocados (Rip-Rap) ...................................................................................................... 2206.9 Mulching y protectores de la vegetacin ............................................................................. 222
6.10 Controladores de polvo fugitivo ........................................................................................... 225
CAPTULO 7
LOS GAVIONES
7.1 Composicin del gavin ....................................................................................................... 227
7.1.1 Alambres galvanizados .................................................................................................... 228
7.1.2 Las mallas ......................................................................................................................... 231
7.1.3 Las unidades de gaviones ............................................................................................... 235
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CONTENIDO 9
7.2 Proceso constructivo de los gaviones ................................................................................... 236
7.3 Especificaciones para gaviones ............................................................................................ 241
7.3.1 Especificaciones Maccaferri .............................................................................................. 2417.3.2 Especificaciones INVIAS Colombia ................................................................................ 242
7.4 Muros en gaviones................................................................................................................. 243
7.5 Revestimientos con gaviones ................................................................................................ 247
7.6 Tierra reforzada con gaviones ............................................................................................... 250
CAPTULO 8
LA VEGETACIN
8.1 Efectos de la vegetacin ........................................................................................................ 254
8.1.1 Efectos hidrolgicos .......................................................................................................... 2548.1.2 Efectos hidrulicos ............................................................................................................ 257
8.1.3 Efectos de refuerzo del suelo ............................................................................................ 258
8.1.4 Efectos de la deforestacin ............................................................................................... 262
8.1.5 Efectos negativos de la vegetacin ................................................................................... 2638.1.6 La vegetacin y la erosin ................................................................................................. 263
8.2 Propiedades de las plantas ................................................................................................... 264
8.2.1 Parmetros a tener en cuenta en el diseo ...................................................................... 264
8.2.2 Las races ........................................................................................................................... 2658.2.3 Caracterizacin para control de erosin ........................................................................... 269
8.3 Diseo de los componentes vegetativos .............................................................................. 271
8.3.1 Anlisis del sitio ................................................................................................................. 2718.3.2 Vegetacin nativa ............................................................................................................... 271
8.3.3 Diseo del tipo de especie vegetal ................................................................................... 272
8.4 Especies vegetales ................................................................................................................ 274
8.4.1 Pastos ................................................................................................................................ 2748.4.2 Hierbas y juncos ................................................................................................................ 278
8.4.3 rboles y arbustos ............................................................................................................. 278
8.5 Los nutrientes ......................................................................................................................... 285
8.5.1 Nutrientes naturales ........................................................................................................... 2858.5.2 Colocacin de nutrientes ................................................................................................... 286
CAPTULO 9
BIOINGENIERA Y BIOTECNOLOGA
9.1 Manejo y establecimiento de la vegetacin .......................................................................... 2919.1.1 Mtodos de vegetalizacin ................................................................................................ 291
9.1.2 Vegetacin en taludes de alta pendiente .......................................................................... 302
9.1.3 Revegetalizacin en las zonas tropicales ......................................................................... 303
9.2 Sistemas de bioingeniera ..................................................................................................... 3059.2.1 Hileras de vegetacin ........................................................................................................ 305
9.2.2 Hileras de matorral ............................................................................................................ 306
9.2.3 Fajinas (Wattles) ................................................................................................................ 306
9.2.4 Cajones de ramas .............................................................................................................. 309
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CONTENIDO 10
9.2.5 Capas de enramados ....................................................................................................... 309
9.2.6 Revestimiento con enramados ......................................................................................... 3129.2.7 Cubiertas vivas ................................................................................................................. 313
9.2.8 Enzarzado ......................................................................................................................... 315
9.2.9 Trinchos con vegetacin .................................................................................................. 316
9.2.10 Taludes en escalera .......................................................................................................... 3169.2.11 Ramas empacadas ........................................................................................................... 317
9.2.12 Revegetalizacin de crcavas .......................................................................................... 317
9.2.13 Especificaciones para la construccin de obras de ingeniera ....................................... 318
9.3 Proteccin de la vegetacin ............................................................................................... 3239.3.1 Colocacin de capas germinadoras (Mulching) .............................................................. 323
9.3.2 Refuerzo y proteccin con telas orgnicas o sintticas .................................................. 323
9.3.3 Esterillas tridimensionales (TRMs) ................................................................................... 326
9.3.4 Fibras con emulsin asfltica ........................................................................................... 3269.3.5 Refuerzo con enmallado metlico .................................................................................... 327
9.3.6 Uso de sistemas sintticos de confinamiento del suelo .................................................. 327
9.4 Vegetalizacin de estructuras ............................................................................................. 329
9.4.1 Rip-Rap vegetalizado ....................................................................................................... 3299.4.2 Muros criba vegetalizados ............................................................................................... 329
9.4.3 Colchonetas de gaviones vegetalizados ......................................................................... 332
9.4.4 Muros en gaviones vegetalizados .................................................................................... 332
9.4.5 Muros de piedra vegetalizados ........................................................................................ 3329.5 Vegetalizacin de las orillas de los ros .............................................................................. 334
9.5.1 Sistemas de vegetalizacin de orillas .............................................................................. 334
9.5.2 Gua para el diseo de obras de bioingeniera para estabilizar riberas de corrientes ... 344
9.6 Planeacin y diseo de obras utilizando biotecnologa .................................................... 347
CAPTULO 10
CONTROL DE EROSIN EN TALUDESY OBRAS DE INGENIERA
10.1 Diseo de taludes ............................................................................................................... 350
10.2 Manejo de las aguas de escorrenta .................................................................................. 35510.2.1 Drenaje superficial ............................................................................................................ 356
10.2.2 Tipos de canal .................................................................................................................. 357
10.2.3 Diseo de canales ............................................................................................................ 362
10.2.4 Canales colectores y disipadores .................................................................................... 36510.3 Proteccin de la superficie del talud .................................................................................. 369
10.3.1 Barreras para el control de surcos y crcavas................................................................. 371
10.4 Estabilizacin de crcavas ................................................................................................. 374
10.5 Control de erosin durante la construccin de obras civiles ............................................ 37410.6 Proteccin de los taludes de las carreteras ....................................................................... 380
10.7 Proteccin de derechos de va de oleoductos .................................................................. 388
10.8 Control de erosin en zonas urbanas ................................................................................ 391
10.8.1 reas de amortiguacin junto a las corrientes de agua (Riparian Buffer) ...................... 391
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CONTENIDO 11
10.8.2 Proteccin y construccin de bajos y pantanos (Swales) ............................................ 393
10.8.3 Control de erosin en reas de recreacin pasiva ....................................................... 393
10.9 Control de erosin en rellenos de residuos ..................................................................... 393
10.10 Control de erosin en zonas rurales ................................................................................. 39610.11 Manejo de cuencas para el control de erosin ................................................................ 398
CAPTULO 11
REVESTIMIENTOS Y MUROS
11.1 Criterios Generales de Diseo .......................................................................................... 40311.2 Comportamiento de los revestimientos ............................................................................ 405
11.2.1 Esfuerzos sobre el revestimiento................................................................................... 405
11.3 Procedimientos para el diseo de revestimientos ........................................................... 408
11.3.1 Clculo del espesor requerido de revestimiento .......................................................... 41011.3.2 Clculo del tamao de los bloques o elementos individuales ..................................... 412
11.3.3 Proteccin de los revestimientos................................................................................... 416
11.4 Revestimientos con enrocado .......................................................................................... 417
11.5 Revestimientos con bloques de concreto ........................................................................ 42411.6 Revestimientos de concreto ............................................................................................. 432
11.7 Revestimientos utilizando colchones de gaviones........................................................... 440
11.8 Revestimientos utilizando asfalto ...................................................................................... 44211.9 Revestimientos blandos .................................................................................................... 443
11.10 Revestimientos con suelo ................................................................................................. 446
11.11 Muros de contencin ......................................................................................................... 448
11.11.1 Muros en concreto .......................................................................................................... 44811.11.2 Tablestacas ..................................................................................................................... 451
11.11.3 Muros criba ..................................................................................................................... 452
11.11.4 Muros en gaviones ......................................................................................................... 453
11.11.5 Muros en tierra reforzada ............................................................................................... 45411.11.6 Pantallas ancladas de concreto o mortero lanzado ...................................................... 459
CAPTULO 12
ESPIGONES
12.1 Diseo del canal de una corriente .................................................................................... 464
12.2 Tipos de estructura lateral ................................................................................................ 466
12.3 Diseo de espigones ........................................................................................................ 469
12.3.1 Localizacin en planta ................................................................................................... 47112.3.2 Separacin entre espigones .......................................................................................... 471
12.3.3 Orientacin de los espigones ........................................................................................ 476
12.4 Patrones de flujo en ros con espigones .......................................................................... 481
12.5 Clculo de la socavacin en espigones ........................................................................... 48412.6 Miniespigones ................................................................................................................... 485
12.7 Estructuras retardadoras .................................................................................................. 485
12.8 Muros y estructuras longitudinales ................................................................................... 487
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CONTENIDO 12
CAPTULO 13
CONTROL DE FONDO DE CORRIENTES
13.1 Tipos de control de fondo de cauces ................................................................................. 492
13.2 Fijacin del fondo del canal ................................................................................................ 49813.2.1 Diseo de la pendiente del cauce .................................................................................... 500
13.2.2 Determinacin del nmero y altura de las estructuras .................................................... 500
13.2.3 Tipos de estructura ........................................................................................................... 501
13.2.4 Partes de una estructura vertedero .................................................................................. 50313.2.5 Diseo de un vertedero .................................................................................................... 507
13.2.6 Diseo del pozo de aquietamiento .................................................................................. 511
13.2.7 Diseo de vertederos en gradera .................................................................................... 521
13.3 Materiales para la construccin de estructuras de control de fondo de cauces ............... 52213.4 Estabilidad de las estructuras ............................................................................................. 522
CAPTULO 14
ESTRUCTURAS MARINAS
14.1 Erosin por oleaje ............................................................................................................... 526
14.2 Niveles de agua del mar ...................................................................................................... 528
14.3 Caracterizacin de las olas ................................................................................................. 531
14.3.1 Movimiento de las olas ..................................................................................................... 53114.4 Estructuras para el control de la erosin marina ................................................................ 533
14.4.1 Muros rgidos .................................................................................................................... 533
14.4.2 Espigones marinos ........................................................................................................... 533
14.4.3 Rompeolas ........................................................................................................................ 53914.4.4 Revestimientos ................................................................................................................. 542
14.5 Peso de los elementos individuales .................................................................................... 545
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Presentacin
Es para m motivo de gran satisfaccin presentar a la Ingeniera Latinoamericana el libro CONTROLDE EROSION EN ZONAS TROPICALES, el cual intenta resumir el estado de conocimientoactual en la ciencia y el arte de control de erosin. Con un enfoque hacia los problemas msimportantes de erosin en Amrica tropical, pero dentro de una perspectiva tecnolgica global,incorporando los ltimos avances a nivel mundial.
Este libro es un resumen de los modelos conceptuales y matemticos de los mecanismos deerosin y un estado del arte de las prcticas de ingeniera en el control de la erosin.
La erosin es uno de los procesos que mayor dao ha causado al medio ambiente tropical. Laerosin y sedimentacin de nuestros ros, las avalanchas producto del mal manejo del suelo, ladesaparicin acelerada de los suelos orgnicos, producto de la deforestacin, amenazan conacabar la reserva ecolgica ms importante de la tierra. A pesar de los avances tecnolgicos en latecnologa de control de erosin, los problemas de erosin son hoy ms extensos y severos, y lanecesidad de conocimientos sobre el control de la erosin son cada da ms necesarios.
En Colombia al igual que en otros pases de la regin se han desarrollado algunas tecnologascriollas, con muy poco anlisis de laboratorio pero con una gran cantidad de ensayos en campo;y algunas de ellas han tenido xitos sorprendentes. Sin embargo, existen muy pocas guaspublicadas que muestren la efectividad y limitaciones de estos sistemas.
Debido a la influencia de los pases desarrollados, acelerada por la apertura de los mercados,existe una tendencia muy marcada a emular la tecnologa de los Estados Unidos o de Europa; locual tiene unas ventajas debido a la existencia de materiales especficos para el control de erosin,publicaciones, sistemas de diseo y programas de Software; sin embargo, el control de la erosindepende en gran parte de las condiciones geolgicas, climticas, topogrficas y ambientales delsitio y las prcticas que funcionaron con xito para resolver un problema en otros pases nonecesariamente funcionan en el nuestro. Muchos expertos internacionales han tenido fracasosrotundos tratando de resolver problemas de erosin en pases tropicales en condiciones paraellos totalmente desconocidas.
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PRESENTACIN 14
Los problemas de erosin en las montaas de los pases tropicales son mucho ms difciles de resolver que losproblemas que se enfrentan en los Estados Unidos y en Europa. La profundidad y la rapidez de la meteorizacin,la alta erosionabilidad de los materiales, la tectnica, la topografa y sobre todo la intensidad de las lluvias haceque los problemas de erosin sean especialmente difciles.
Ha existido en nuestro medio una cultura de subestimar la tecnologa de los sistemas de bioingeniera. Muypocos ingenieros en el medio Latinoamericano conocen siquiera el nombre de las especies vegetales quepodran utilizarse para el control de la erosin. Las escuelas de Ingeniera no preparan adecuadamente a losprofesionales en estas materias, existiendo un desconocimiento sobre lo que la vegetacin puede hacer en uncontexto de ingeniera.
La vegetacin en Latinoamrica no se considera una obra de ingeniera, y se prefieren las obras duras enconcreto o gaviones, sobre las cuales si existe un mejor conocimiento ingenieril.
Este manual pretende llenar parte de ese vaco cultural y aunque es escrito por un Ingeniero, con conocimientoslimitados sobre vegetacin, se intenta que los profesionales de la ingeniera puedan entender ms fcilmente ellenguaje de la vegetacin explicado desde su propio punto de vista. La bioingeniera se merece un statusprofesional, y este libro es un avance en esa direccin.
Se requiere la formacin en Amrica latina de profesionales y de especialistas en el control de erosin, concapacidad para tomar decisiones de planeacin, manejo y diseo; y para ello es necesario que existan mediospara acceder a la informacin. El control de erosin aunque no es una ciencia nueva, su gran desarrollotecnolgico en los ltimos aos la ha catalogado como una de las reas del conocimiento de mayor crecimiento.Ha sido tal la magnitud del desarrollo de la ciencia de control de erosin en la ltima dcada, que hubiramosdeseado haber escrito este libro con mucha mayor cobertura que el que estamos presentando, pero por razonesde espacio fsico, tuvimos que seleccionar la informacin. Para los temas que no fueron incluidos se presentanreferencias de otras publicaciones donde pueden obtenerse. La Asociacin internacional para el control de laerosin (IECA) peridicamente est realizando publicaciones cientficas las cuales son de gran utilidad paracomplementar la informacin del presente libro.
Escribir el libro no fue tarea fcil, la recopilacin de informacin, su procesamiento y la incorporacin al ambientelatino-tropical, requiri de varios aos de trasnochos y de mucha energa espiritual.
En esta tarea se cont con la colaboracin de mis grandes amigos de la Divisin de Publicaciones de la UniversidadIndustrial de Santander, quienes realizaron un trabajo realmente extraordinario para presentarles a ustedes unlibro de la mejor calidad. A quienes aportaron su trabajo y sus ideas quiero darles las gracias. El esfuerzo valila pena. Hemos logrado esta meta, y nos sentimos satisfechos y orgullosos.
Este libro es solo un pequeo paso en el camino hacia la recuperacin de nuestro medio ambiente. El verdaderologro lo pueden realizar los profesionales latinoamericanos, utilizando, mejorando y aplicando estas tecnologas,con criterios de Ingeniera para dejarles a nuestros hijos un mundo menos erosionado que el actual.
Jaime Surez DazNoviembre, 2001
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CAPTULO
La Erosin Conceptos Bsicos
INTRODUCCIN
La erosin comprende el desprendimiento, transporte y posterior depsito de materiales de sueloo roca por accin de la fuerza de un fluido en movimiento (Figura 1.1). La erosin puede sergenerada tanto por el agua como por el viento.
El presente libro intenta resumir el estado del arte actual en el anlisis de los procesos erosivos yla tecnologa de control de erosin. El primer captulo presenta algunos conceptos bsicosnecesarios para entender los mecanismos de la erosin hdrica.
Como una regla general las regiones con suelos muy erosionables, pendiente alta, clima seco yfuertes vientos pero con lluvias intensas ocasionales, sufren las mayores prdidas por erosin.Las actividades humanas frecuentemente intensifican o aceleran las ratas de erosin, especialmentepor la deforestacin o la remocin de la capa vegetal, as como por la concentracin de la escorrentaen forma artificial. De los totales de erosin que se producen en el mundo cerca de 1/4 a 1/3 delos sedimentos se transportan hasta el mar y los dems se depositan en los planos de inundacin,los canales de los ros, los lagos y los embalses.
La erosin es tal vez el factor ms importante de contaminacin del agua en cuanto a volmenesde contaminantes se refiere.
La erosin segn Ayres (1960), depende de cuatro variables principales:
)...( VSGRfE =
E = Rata de erosinR = Factor que depende de la cantidad e intensidad de la lluviaG = Factor que depende de la pendiente y topografa del terrenoS = Factor que depende de las propiedades fsicas y qumicas del sueloV = Factor que depende de las caractersticas de la cobertura vegetal.
1
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CAPTULO 1. LA EROSIN CONCEPTOS BSICOS 16
Desprendimiento Transporte
Depsito
La erosin involucra una serie de procesos en los cuales interviene una gran cantidad de factores, adems delos indicados por Ayres. En el presente captulo se analizan los parmetros y variables que afectan estosprocesos, en los captulos 2 a 5 se presentan los tipos y mecanismos de erosin y en los captulos 6 a 14 seresumen las caractersticas de los materiales y los sistemas de diseo y construccin de obras para el control dela erosin.
FIGURA 1.1 Proceso de erosin.
1.1 HIDROLOGA
El anlisis hidrolgico es uno de los trabajos previosms importantes para el diseo de obras de controlde erosin, independientemente de su tamao o desu costo. Ese anlisis es importante para determinarlos caudales mximos y velocidades mximas de lacorriente; las cuales son indispensables paradeterminar las fuerzas de erosin, debidas al flujo deagua. Si no se conocen con precisin y confiabilidad,las intensidades mximas de precipitacin yescorrenta y los caudales mximos de las corrientes,no es posible disear adecuadamente obras paracontrolar la erosin.
La hidrologa no es una ciencia exacta y es posibleque se obtengan resultados muy diferentes de acuerdoal mtodo que se utilice para el clculo y lametodologa de manejo de la informacin; por lo tantose deben utilizar criterios de sana ingeniera paradecidir cual mtodo se debe aplicar. Cuando sedisean obras para el control de erosin serecomienda ser prudentemente generoso en lasuposicin de lluvias y caudales y no correr el riesgode perder las obras al disear para fuerzas de erosinmenores que las reales.
El ciclo hidrolgico
El agua es un elemento natural esencial para laexistencia de la vida, y esta se encuentra en lanaturaleza de diferentes formas, generalmente encontinuo movimiento; de acuerdo a un ciclo queincluye las nubes o vapor de agua, la precipitacin enforma de lluvia granizo o nieve, la infiltracin, laevapotranspiracin, la escorrenta, las corrientessubterrneas, los acuferos, los ros y quebradas, losmares y los lagos (Figura 1.2). El agua continuamenteest cambiando de forma de acuerdo a un ciclo naturaldenominado ciclo hidrolgico.
1.1.1 LAS LLUVIAS
Origen de la Precipitacin
Las lluvias se deben a una serie de fenmenosatmosfricos que ocurren en las nubes, entre loscuales los ms importantes son:
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CAPTULO 1. LA EROSIN CONCEPTOS BSICOS 17
Evaporacin
superficial
Intercepcin
Evaporacin
Almacenamiento
PrecipitacinAcumulacin
Percolacin
Nivel fretico
de deshieloPercolacin
de nieve
de deshielo
Transpiracin
Caudales de
Escorrenta
Escorrenta
Escorrenta subterrneahacia lagos, ros y ocanos los ros
Ocano
a) Desarrollo b) Madurez c) Decaimiento
Superficie
-40c
0c
250
500
700
LluviaNieveHielo
0 5
Escala de vientos
PR
ES
IN
(mb)
10 m s-1
1. La precipitacin convectiva (Tormentas)
Se forman movimientos verticales de aire muy fuerteslocalmente, en los cuales la precipitacin de partculasde lluvia se inicia en la base de las nubes y crece haciaarriba (Figura 1.3). El tiempo en que se forma laprecipitacin es muy corto (aproximadamente 45minutos). Son generalmente lluvias intensas pero decorta duracin.
FIGURA 1.2 Ciclo hidrolgico del agua (Dunne y Leopold, 1978).
FIGURA 1.3 Etapas de desarrollo de una tormenta convectiva. (Smith 1993).
2. La precipitacin estratiforme
Se forman algunos movimientos verticales de airerelativamente dbiles y se inicia precipitacin en laparte superior de las nubes. El tiempo hasta que seproduce precipitacin puede ser de varias horas. Sonlluvias menos intensas pero generalmente de mayorduracin que las convectivas.
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CAPTULO 1. LA EROSIN CONCEPTOS BSICOS 18
3. La precipitacin orogrfica
El levantamiento del aire con nubes al pasar sobrecadenas montaosas puede producir inestabilidadesconvectivas que producen lluvia. Los frentes nubososal chocar contra una cordillera generan precipitacionesmuy fuertes a determinadas altitudes.
4. Los grupos de nubes (Clusters) tropicales
La mayor cantidad de la precipitacin que ocurre enlas zonas tropicales est asociada con grupos denubes o clusters que ocurren en la zona deconvergencia de vientos. Los clusters de nubes comotodos los sistemas de nubes tropicales son de origenconvectivo; sin embargo, los sistemas de clusters songrupos nubosos en gran escala con reas de lluviashasta de 50.000 km2 (Smith, 1993). Estos clusters alpasar por los sistemas de montaas generanprecipitacin de tipo orogrfico y convectivo de granmagnitud e intensidad.
Es comn que los clusters formen una corrientealargada de nubes o vaguada tropical que demoravarios das en pasar sobre un sitio, generando lluviasno solamente de gran intensidad sino de varios dasde duracin. Estas vaguadas se localizan de acuerdoa la poca del ao sobre una franja relativamenteparalela al Ecuador. La localizacin precisa de estasfranjas varia de ao en ao. En ocasiones, lasvaguadas se vuelven persistentes en una determinadaubicacin, generando lluvias intensas durantesemanas enteras. La ocurrencia de frentes nubosostipo clusters y vaguadas genera una gran inestabilidaden el clima tropical.
El paso de un clusters puede generar precipitacionesmuy altas en zonas de precipitacin promedia muybaja, generando avalanchas o huaicos (Erosin enmasa). El paso y ocurrencia de los clusters estrelacionado con las corrientes de aire que llegan a lostrpicos provenientes de los hemisferios norte y sur(Figura 1.4). La mayora de estos clusters en Amricatropical ingresan desde el hemisferio sur por El Brasil,en direccin diagonal hacia Panam, durante losmeses de Abril a Noviembre generndose una zonade alta pluviosidad sobre el continente americanocomo se muestra en la figura 1.5. Los sistemas declusters tropicales juegan un papel muy importanteen la circulacin global y tiene conexiones importantescon anomalas de circulacin atmosfrica, como elNio.
5. El Nio y La Nia
El sistema de frentes de clusters indicados en el prrafoanterior maneja la mayor parte del clima tropical. Sinembargo ocurren anomalas de vaguadas de clusters
en sentido contrario al indicado con nubesprovenientes del polo norte, o se produce undesplazamiento de los frentes que provienen del sur.Estas anomalas pueden generar precipitaciones muyaltas en reas donde el promedio de lluvia es bajo osea en las costas de Per y Ecuador y en la costa deVenezuela.
El Nio genera vaguadas persistentes hacia el Ecuadory Per y hacia Mxico y California y posteriormente LaNia localiza estas vaguadas sobre Centroamrica,Colombia y Venezuela. Los resultados del Nio y laNia son pocas muy intensas de lluvia o sequa, deacuerdo a la localizacin de las vaguadas.
6. Los huracanes
Los huracanes son sistemas convectivos de granmagnitud que producen grandes vientos y muy fuerteslluvias. Estos sistemas son propios de la zona tropicaldel mar Caribe desde Mxico hasta la costa deVenezuela. La mayora de estos huracanes se formanen el ocano Atlntico y van creciendo en fuerza amedida que avanzan hacia el Caribe. Finalmentepierden poder al entrar al continente y generangrandes intensidades concentradas de lluvia. Loshuracanes son una fuente muy importante de erosinen Centroamrica y Mxico.
Anomalas climticas
Las anomalas climticas son modificaciones alsistema normal de precipitacin debida a fenmenosglobales, como el Nio por ejemplo. Estas anomalaspermiten la ocurrencia de temporadas secas en zonasnormalmente lluviosas y lluvias excepcionales enzonas semi ridas, generando problemas aceleradosde erosin o avalanchas.
Estas anomalas generan lluvias muy por encima delos promedios (Colegio de ingenieros del Per, 1998),causando gran cantidad de deslizamientos,inundaciones y daos a las obras de infraestructura,especialmente las carreteras y los puentes. Lasanomalas climticas activan focos de erosin y causandenudacin de grandes reas de suelo.
Los cambios climticos anmalos que son evidentesen los ltimos aos, se atribuyen al creciente consumode combustibles fsiles, el uso del suelo yespecialmente la deforestacin de los trpicos. Elefecto directo mejor identificado es la disminucin dela capa de ozono.
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CAPTULO 1. LA EROSIN CONCEPTOS BSICOS 19
Mes de enero
Mes de julio
Mxico
Colombia
Brasil
Bolivia
Per
Ecuador
Mxico
Colombia
Ecuador
Per Brasil
Bolivia
Venezuela
Venezuela
FIGURA 1.4 Sistemas de circulacin de vientos superficiales en la zona tropical de Amrica.(Adaptado de Smith - 1993).
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CAPTULO 1. LA EROSIN CONCEPTOS BSICOS 20
700
1400
700
1400
700
1400
2100
7001400
28002100
2800
700
Informacin requerida de laprecipitacin
El conocimiento detallado del sistema de lluvias esuna informacin bsica que se requiere para eldiagnstico correcto de los problemas de erosin y eldiseo de obras para su control.
Se deben analizar entre otros, los siguientes aspectos:
Tipos de tormenta que van a ocurrir en la zona(Orogrfica, convectiva, grandes clusters,vaguadas tropicales, etc.)
Promedio de lluvia acumulada anual
Lluvia acumulada anual mnima
Lluvia acumulada anual mxima
Distribucin promedio de lluvias a lo largo del ao,periodos lluviosos y periodos secos.
FIGURA 1.5 Precipitacin media anual generalizada en la zona tropical de Amrica. La informacin corresponde a los aos1986 -1989. (Adaptado de Smith 1993).
Lluvia mxima acumulada histrica en 15 das yfrecuencia de ocurrencia de grandes lluviasacumuladas en 15 das.
Lluvia mxima histrica en 24 horas y frecuenciade ocurrencia de grandes lluvias en 24 horas.
Lluvia mxima probable en 24 horas.
Intensidad mxima histrica de lluvia / hora yfrecuencia de ocurrencia de grandes intensidadesde lluvia.
Duracin de las intensidades mximas de lluvia.
Intensidad mxima probable de lluvia en mm/hora.
Duracin de la tormenta de diseo.
Volumen total de lluvia de la tormenta de diseo.
Hietograma o grfico de intensidad de la lluvia conel tiempo para la lluvia de diseo.
Localizacin de la tormenta de diseo con respectoa la cuenca.
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CAPTULO 1. LA EROSIN CONCEPTOS BSICOS 21
Intensidades esperadas de la tormenta de diseoen las diferentes reas de la cuenca.
Indice de la precipitacin antecedente.
Curvas intensidad duracin frecuencia.
Para conocer los diversos mtodos que existen parael anlisis de precipitaciones y el proceso de lainformacin climtica se recomienda consultar laspublicaciones especializadas sobre meteorologa ehidrologa.
Medicin de la precipitacin
La precipitacin puede medirse de varias formas:
a. Lluvia en un punto
El pluvimetro y el pluvigrafo permiten medir la lluviaque cae en un punto especfico de la superficie de latierra. La lluvia se acumula en un recipiente cuyasuperficie de captacin es generalmente un reacircular de 8 pulgadas de dimetro. En esta forma semide en milmetros la lluvia que cae en un puntodurante un determinado tiempo.
b. Distribucin espacial de la lluvia
Como en todos los sitios no cae la misma cantidad deprecipitacin se requiere conocer la distribucin de lalluvia en un rea determinada o cuenca. La medicinde la lluvia en unos pocos puntos no necesariamentepresenta la lluvia real en el rea de una cuenca, serequiere de una gran cantidad de informacin paratener certeza de la forma como se distribuye laprecipitacin.
En Cuencas o reas muy pequeas se puede asumirque la lluvia en la tormenta de diseo es uniformesobre toda el rea de la cuenca, pero en cuencas dems de 500 Km2, esta condicin es muy difcil de lograr.En cuencas con cambios fuertes de altitud laintensidad y magnitud de las lluvias vara con la altitudy los cambios topogrficos pueden inducir cambiosen la precipitacin.
Un sistema de radar permite determinar la distribucinespacial de la lluvia, y el mejor sistema es el radarcalibrado con una serie de pluvimetros en variospuntos del rea.
Actualmente con equipos de satlite se puede obteneruna informacin aproximada de lluvias en reasdonde no se tienen equipos de medicin en el terreno;sin embargo, esta informacin debe evaluarse concuidado para evitar errores muy grandes.
Sistema anual de lluvias
La magnitud e intensidad de las lluvias vara a lo largodel ao en cada sitio, dentro de un sistemametereolgico mundial. En algunas zonas el sistemaes unimodal con una gran temporada lluviosa anualcon mximos en los meses de mayo a octubre y unatemporada seca en los meses de diciembre a febreroy en otras zonas el sistema es bimodal con dostemporadas secas en diciembre-enero y en julio-agosto y dos temporadas lluviosas, con mximosaproximadamente en mayo y octubre.
Dentro del sistema general ocurren anomalas cadadeterminado nmero de aos, durante las cuales lasmagnitudes e intensidades suben abruptamente odisminuyen marcadamente en una temporada. Estasanomalas dependen de sucesos metereolgicosextraordinarios como son los fenmenos de el Nioo de la Nia.
Informacin requerida para el anlisisespacial de las lluvias
Segn el Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidospara la correcta medicin de lluvias en un rea plana,se requiere una densidad de mnimo una estacin porcada 100 kilmetros cuadrados y en zonas de montaauna por cada 10 kilmetros cuadrados, para erroresde aproximadamente el 10%. En todos los casos paraun anlisis aceptable en cuencas pequeas serecomienda un mnimo de cuatro estacionespluviomtricas.
Si se tiene un buen cubrimiento de estaciones existenmtodos de anlisis confiables para determinar ladistribucin de la lluvia en una cuenca. Si no existeun nmero suficiente de estaciones los errores sonmuy grandes.
Es prctica corriente suponer una lluvia uniforme enel rea determinada, sin embargo, en las zonas demontaa tropical, como es el caso de los AndesColombianos, la magnitud e intensidad de lastormentas varan en forma importante de un punto aotro, dependiendo de varios factores entre los cualesse encuentran los sistemas de vientos y la altitud. Enel caso de cadenas montaosas de gran altura,comnmente las lluvias de mayor intensidad ocurrenen puntos intermedios entre el Piedemonte y el Pramo(Figura 1.6), en la zona donde el frente nuboso seencuentra con las montaas.
En el caso de Amrica latina la escasez de datosconfiables para una cuenca determinada es un casode comn ocurrencia y se debe recurrir a anlisis
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CAPTULO 1. LA EROSIN CONCEPTOS BSICOS 22
regionales correlacionando las lluvias de una cuencaa otra o relacionndolos con la altitud. El anlisisregional de las tormentas permite definir la magnitude intensidad de la tormenta para cada altitud o paradeterminada zona ambientalmente homognea. Esteanlisis regional aunque no es preciso puede sersignificantemente ms confiable que el realizado sindatos o con informacin deficiente (U.S. Corps ofEngineers, 1997).
Tormenta de diseo
Para el diseo de obras para el control de erosin esfundamental tener como base una tormenta mximapara diseo, y un clculo de caudales; y para ello losestimativos basados en anlisis de frecuencia de loseventos son una herramienta muy til. La metodologaa emplear depende de las caractersticas de los datosdisponibles.
Los mtodos a utilizar pueden ser los siguientes:
1. Anlisis estadstico de datos de caudales medidosen la corriente.
2. Anlisis regionales de frecuencia de lluvias.
3. Anlisis de un evento de precipitacin tipo contormentas hipotticas.
4. Anlisis de un periodo con mediciones deprecipitacin y caudales.
Al definir la lluvia hipottica de diseo se debedeterminar la intensidad de la lluvia y la duracin dela tormenta. La tormenta escogida para diseo paracuencas pequeas o medianas segn el U.S. Corpsof Engineers debe tener una duracin igual o superioral tiempo de concentracin de la cuenca para que estarepresente un caso crtico de caudales en la corrienteanalizada.
Los caudales generados por una tormenta dependendel estado de la cuenca antes de la tormenta. Unagran tormenta con la cuenca seca genera caudalesmedianos, pero si la cuenca est saturada puedeproducir caudales muy grandes. Adems la coberturavegetal acta como acumuladora del agua de latormenta y afecta considerablemente la respuesta dela corriente (Ver captulo 8). Se requiere entoncesanalizar un nmero grande de tormentas y estadosde la cuenca. Los caudales mximos generalmente,ocurren cuando la cuenca est saturada por lluviasantecedentes importantes y las infiltraciones yacumulaciones son mnimas.
La informacin de la tormenta de diseo, junto conlas caractersticas de la cuenca permiten calcular loscaudales de las corrientes de agua y de estos caudalesdepende su comportamiento erosivo.
Concepto de precipitacin mxima probable(PMP)
La precipitacin mxima probable es una tormentahipottica que presenta la mxima altura deprecipitacin, que es fsicamente posible para unadeterminada duracin, sobre un rea determinada, enuna localizacin geogrfica particular, en cierta pocadel ao.
1.1.2 LA ESCORRENTA
Escorrenta es la proporcin de lluvia que fluye sobrela superficie del terreno. El camino y el tiempo quetoma el agua desde que cae en forma de lluvia hastaque alcanza una caada o ro depende de lascaractersticas fsicas de la cuenca, particularmentede las pendientes del terreno, textura del suelo yvegetacin. El agua corre laminarmente al comienzo,luego en concentraciones pequeas, las cuales vancreciendo ladera abajo.
La cantidad y concentracin de la escorrenta dependede varios factores as:
1. Intensidad de la lluvia.
2. Area y forma de la superficie del terreno.
3. Pendiente y longitud de las laderas o taludes.
4. Naturaleza y extensin de la cobertura vegetal.
5. Rugosidad de la superficie del terreno.
6. Caractersticas de los suelos subsuperficiales.
Caudales concentrados
La escorrenta se acumula a lo largo de las zonas msbajas o enterradas formando caudales concentrados,los cuales a su vez pueden producir surcos o crcavasde erosin. La magnitud de los caudales deescorrenta recolectados en un rea de superficie deterreno puede ser determinada referencindose alhidrograma unitario; Sin embargo la utilizacin delmtodo de hidrogramas unitarios para el clculo decaudales en reas pequeas puede no ser prctico.Generalmente, para el clculo de caudalesrecolectados en reas pequeas, para propsito dediseo de obras para el control de erosin, se utilizael Mtodo Racional, el cual es ms prctico y presentaresultados satisfactorios.
Es importante en todos los casos la observacin dela escorrenta durante perodos de lluvias intensas. Laevidencia de caudales concentrados puede serencontrada en lneas de lodo y residuos que se formanen las reas de cobertura vegetal de poca altura. Laexperiencia muestra que la presencia de estas
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CAPTULO 1. LA EROSIN CONCEPTOS BSICOS 23
1500
1500
0
20
40
60
80
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120
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180
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0
500
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8500
PR
EC
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Mximo 24 Horas
ELEVACIN (m.s.n.m.)700
Mximo Total Anual
ELEVACIN (m.s.n.m.)700
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100 0 200
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13001200 1400
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into
Cor
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1600
FIGURA 1.6 Relacin entre la magnitud de las lluvias y la altitud en las cuencas del Piedemonte llanero Colombiano.
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CAPTULO 1. LA EROSIN CONCEPTOS BSICOS 24
concentraciones de agua, es precursora de problemasde erosin y la deteccin a tiempo de un problemapermite su control en forma fcil y econmica.
Otra clave para detectar concentraciones de agua deescorrenta es el exceso de humedad, el cual semanifiesta en el carcter verde de la vegetacin envecindades de los sitios de concentracin de agua.Ciertas plantas solamente crecen en reas deconcentracin de humedad. La localizacin decaudales concentrados ya sea intermitentes opermanentes, deben ser localizados en los mapastopogrficos.
1.1.3 INFILTRACIN
El agua de la lluvia al caer sobre el suelo trata deinfiltrarse, desplazando el agua existente hacia abajopor macro poros, formando una especie de onda depresin de agua dentro del suelo, la cual produce unfrente hmedo de infiltracin.
Al inicio de la lluvia la totalidad de la precipitacin seinfiltra humedeciendo el suelo. La humedad en el sueloantes de la lluvia es determinante en la cantidad deinfiltracin porque al llover, el agua trata de penetraral suelo humedecindolo y creando una capa delgadade saturacin; y hasta que sta capa no haya llegadoa un punto de equilibrio no se forman una escorrentay una corriente de infiltracin. El equilibrio se logracuando todo el perfil est transmitiendo agua a lamxima rata permitida por la parte menos permeablede los horizontes. Esto puede ocurrir entre diezminutos o varias horas despus de iniciada lalluvia.(Figura 1.7)
El agua en exceso que no puede infiltrarse se quedaen la superficie. De acuerdo con la intensidad de lluvia,la infiltracin y las caractersticas fsicas del terreno seproduce una corriente superficial (escorrenta), unaserie de corrientes subterrneas semiparalelas a lapendiente del terreno y una corriente semivertical deinfiltracin hacia el nivel fretico.
Capacidad de infiltracin
Las capacidades de infiltracin varan de dos a dosmil quinientos milmetros por hora, dependiendo dela cobertura vegetal, pendiente, textura del suelo,humedad natural y prcticas de agricultura. Los suelosms permeables (Tabla 1.1) como las gravas y arenasposeen una capacidad mayor de infiltracin. Lasgravas y arenas son mucho ms permeables que lasarcillas.
FIGURA 1.7 Lluvias, infiltracin y escorrenta durante unatormenta.
TABLA 1.1 Coeficientes de permeabilidad y capacidad deinfiltracin.
Suelo Permeabilidad K cm/seg
Capacidad deinfiltracinmm/hora
Arcillas < 10 x 10-9 0.25 a 2.5Limos 1 x 10-9 a 1 x 10-7 2.5 a 8Arenasfinas 1 x 10
-7 a 1 x 10-5 8 a 13
Arenasgruesas 1 x 10
-5 a 1 x 10-2 13 a 20
Gravas > 1 x 10-2 20 a 30
La infiltracin es tambin influenciada por la pendientedel terreno y por la textura del suelo; Sin embargo,hay otros factores que determinan la infiltracin comoson: las prcticas agrcolas que crean zonas deacumulacin de agua y aumentan la porosidad delsuelo subsuperficial. Una pasada de tractor en unrea semiplana puede aumentar la rata de infiltracinen un ochenta por ciento. Igual situacin ocurre conla siembra siguiendo las lneas de nivel.
Cuando la lnea del nivel de agua est muy cerca a lasuperficie, esta puede interceptarse con las corrientessuperficiales formndose una zona de flujocombinado. Esta situacin es comn en depresionesen reas de lutitas meteorizadas, especialmente en lacordillera oriental de Colombia, formndose unasemicuenca saturada dentro de la cuenca general,la cual va creciendo durante el tiempo que dure lalluvia.
50
40
30
20
10
00 0.5 1.0 1.5 2.0
RA
TAS
EN
mm
/hor
a
TIEMPO EN HORAS
Intensidad de Lluvia
EscorrentaCurva de Infiltracin
Agua Infiltrada
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CAPTULO 1. LA EROSIN CONCEPTOS BSICOS 25
FOTOGRAFA 1.1 y 1.2 Erosin diferencial en formaciones de origen sedimentario.
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CAPTULO 1. LA EROSIN CONCEPTOS BSICOS 26
Cauceprincipal
Punto de salida
Divisoriade aguas
B
1.2 LA CUENCA
Como un resultado de la precipitacin se produce unflujo superficial y subsuperficial hacia una grancantidad de corrientes tributarias, las cuales al unirsevan formando quebradas y ros. El rea total que drenahacia el ro principal y sus tributarios se le denominacuenca de drenaje. El concepto de cuenca omicrocuenca es bsico en el anlisis y diseo de obraspara el control de la erosin. Cada cuenca esecolgicamente una unidad independiente, nosolamente con relacin al agua, sino con otros factoresinterrelacionados con el elemento agua.
Primero es importante definir cual es el lmite de lacuenca que afecta el anlisis. Como las cuencas estnconformadas por un grupo de sub-cuencas mspequeas, la cuenca debe definirse con referencia aun punto que es la salida del agua recogida por todala cuenca. La cuenca consiste en toda el rea deterreno que puede conducir agua hacia el punto desalida durante una lluvia (Figura 1.8).
Propiedades principales de la cuenca
Entre los factores a analizar en un proyecto de controlde erosin se encuentran las siguientes propiedadesde una cuenca:
a. Area de drenaje
En todo diseo o anlisis es importante delimitar elrea de la cuenca, la cual esta circunscritaprincipalmente por lneas de divisin de aguas odivisin de drenajes. El rea de drenaje es una de lascaractersticas ms importante de las cuencas, debidoa que esta rea determina la cantidad de aguarecogida por la cuenca.
El rea de drenaje est limitada por una divisoria deaguas fcil de determinar. Generalmente, el rea dedrenaje se mide en hectreas o en kilmetroscuadrados. Dentro de las mismas condicionesgeolgicas y ambientales, la escorrenta esproporcional al rea drenada. El rea del drenajepuede obtenerse por medio de planos topogrficosque ya han sido publicados, o por la medicin enfotografas areas. Si no existen planos o fotografasse debe realizar una medicin en campo del rea dela cuenca.
b. Longitud de la cuenca
La longitud de la cuenca se define usualmente, comola distancia medida a lo largo del canal principal dedrenaje desde la salida de la cuenca hasta la divisoria
de aguas en el extremo superior de la cuenca. El canalprincipal debe seguir la lnea de mayores caudales.La longitud se toma a lo largo de los canales y no enlnea recta (McCuen, 1989). La longitud de la cuencava a determinar un parmetro tiempo, que es la medidadel tiempo de transporte del agua desde la divisoriade aguas hasta la salida de la cuenca.
c. Pendiente de la cuenca
La pendiente de la cuenca es un factor muy importantepara definir el momentum de una avenida de agua yel momentum a su vez refleja la magnitud de laavenida. Es importante analizar tanto la pendiente delcanal principal como la pendiente de los taludes y delos canales secundarios. Por esta razn es esencialpara el anlisis, que se describan las diferentespendientes y no se resuma la informacin en un solodato de la pendiente del canal principal. En ocasionesse divide la cuenca en subcuencas y se calculan laspendientes de cada subcuenca. Las cuencas demayor pendiente tienen una respuesta ms rpida quelas de menor pendiente.
d. La altitud
La altitud y las diferencias de elevacin tienen graninfluencia sobre los niveles de precipitacin eintensidad de las lluvias, as como sobre la temperaturay la disponibilidad de agua.
Existen determinadas altitudes en una cordillera a lascuales los niveles de precipitacin son mximos.
FIGURA 1.8 Delimitacin de una cuenca
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CAPTULO 1. LA EROSIN CONCEPTOS BSICOS 27
c) Cuenca en abanico
b) Cuenca ancha
a) Cuenca larga
FIGURA 1.9 Formas bsicas de una cuenca
e. Curva hipsomtrica
La curva hipsomtrica es una descripcin de la relacinacumulativa entre la elevacin y el rea dentro de cadaintervalo de elevacin. La curva se traza con laelevacin como ordenada y el rea de cuenca porencima de esa elevacin en la abscisa. Esta curvapuede dibujarse utilizando los valores reales oestandarizando estos valores en fracciones de 0.0 a1.0.
La curva hipsomtrica es til para comparar lascaractersticas rea elevacin de diferentes cuencas.Tambin se puede obtener curvas hipsomtricastpicas o promedio para varias cuencas de una regin.
f. Forma de la cuenca
La forma de la cuenca afecta la rata a la cual el aguaes suministrada al canal principal. Para el anlisisconceptual de problemas de erosin o avalanchas esmuy importante analizar la forma de la cuenca; aunquelos anlisis hidrolgicos tradicionales generalmenteno la tienen en cuenta en los modelos. La forma de lacuenca influye definitivamente en la determinacin dela forma del hidrograma de la cuenca y la forma deeste determina en buena parte la magnitud de losproblemas de avalancha, socavacin y erosin.
g. Forma del sistema de drenaje
Las cuencas pueden tener diferentes formas,estructura y densidad de los patrones de drenaje, deacuerdo a las caractersticas topogrficas y geolgicas.La mayora de las cuencas de drenaje puedenagruparse en tres categoras generales con relacin ala forma del sistema:
1. Sistema de drenaje alargado
2. Sistema de drenaje ancho
3. Sistema de drenaje en abanico.
La forma del sistema de drenaje est relacionado conla forma de la cuenca (Figura 1.9). La forma delsistema de drenaje influye grandemente en loscaudales pico y la forma del hidrograma. Por ejemplo,para la misma rea, un sistema de drenaje alargadopresenta caudales de hasta el doble de los obtenidosen un sistema ancho o de abanico. La forma puede asu vez representarse por un parmetro K, donde:
5.0AxKL =
L = Longitud del cauce principalA = Area total de la cuencaK = Factor de forma de la cuenca (K puede variar
de 1.3 a 4.6, de acuerdo a la forma de lacuenca).
Otra forma de describir la forma de la cuenca esmediante los factores de forma de Egleason m y a
LBa
LBAm ==
B = Ancho mximo de la cuenca
h. Densidad y estructura del sistema de drenaje
La densidad del drenaje es el nmero de corrientesque hay en un sistema de drenaje y la forma internade esta red se le llama estructura de drenaje. Lascuencas con suelos impermeables o arcillosos poseenuna mayor densidad de estructuras de drenaje quelos suelos permeables o arenosos.
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CAPTULO 1. LA EROSIN CONCEPTOS BSICOS 28
De otra parte la estructura de drenaje influye en losprocesos hidrolgicos y de erosin.
La densidad del sistema de drenaje se puederepresentar por la relacin entre la sumatoria de latotalidad de las longitudes de todos los tributarios detodos los grados y el rea total de la cuenca.
ALDd =
LnLLL ...21 ++=
i. Cobertura vegetal y uso de la tierra
Las actividades humanas cambian las caractersticasde la superficie de la cuenca y por lo tanto su respuestahidrolgica. El tipo y porcentaje de la coberturavegetal, las zonas de cultivos, las zonas de potreros,las zonas urbanas o reas pavimentadas determinanla magnitud y caractersticas de los caudales y la formadel hidrograma de las crecientes.
Los efectos de la urbanizacin sobre los caudalesmximos dependen del porcentaje de reaimpermeabilizada, los cambios realizados al sistemanatural de drenaje, la instalacin de alcantarillados, yla modificacin de los canales de las corrientes. Laurbanizacin generalmente aumenta los valores de loscaudales mximos y la rapidez de la respuesta a laprecipitacin.
j. Rugosidad de la superficie
La rugosidad va a determinar la velocidad del aguaen la superficie del terreno y esta a su vez tieneimportancia fundamental sobre los caudales.
k. Geologa y tipos de Suelo
Las caractersticas geolgicas y el suelo tienen un granefecto en la infiltracin. La geologa caracteriza laspropiedades del subsuelo y otros factores geotcnicosque pueden ser significativos como la posibilidad dedeslizamientos, los cuales a su vez afectan laocurrencia de caudales extraordinarios, flujoshiperconcentrados y avalanchas.
l. Configuracin de los canales y geometratransversal
Los canales en forma de U presentan velocidadesmenores que los canales en forma de V y la presenciade zonas de inundacin junto al canal permiten lasedimentacin en las inundaciones, disminuyendo lacarga de materiales en la corriente. La sinuosidadafecta la capacidad de acumulacin de agua y loscaudales.
m. Hidrologa
La experiencia ha demostrado que para el correctodiseo de las obras de Ingeniera se debe tener unainformacin hidrolgica adecuada. El Ingeniero debeestar familiarizado con los muchos factores que afectanel rgimen hidrulico de caadas y ros.
Debe realizarse una investigacin completa, en lacuenca afectada y en toda el rea de caractersticasclimticas y ambientales similares. Cuando no existeinformacin de lluvias, generalmente se recurre azonas similares lo ms cercanas posible, pero se correel riesgo de imprecisiones y por esta razn serecomienda para el diseo de obras del control deerosin ser generosos en la apreciacin de caudalespara evitar posteriores fallas en las estructuras.
n. Historia de inundaciones y eventosextraordinarios
Los eventos histricos que ocurrieron antes de quese tuviera instrumentacin de una corriente,representan una informacin muy valiosa para la tomade decisiones sobre obras de control. Es importantedefinir no solamente la fecha de ocurrencia sinotambin su magnitud y las consecuencias del evento.Existen otros eventos que aunque no se tengainformacin histrica, s pueden encontrarseevidencias morfolgicas o estratigrficas. Lainformacin de los peridicos antiguos es muy valiosa.
Estos paleo-eventos pueden servir como gua paraanalizar la posibilidad de ocurrencia de eventosextraordinarios, los cuales no es posible predecir conbase en las informaciones recogidas de solamente laspocas ms recientes.
1.3 RGIMEN DE CAUDALES
El caudal de una corriente vara en el transcurso deltiempo de forma natural, los caudales son diferentesa lo largo del ao y de unos aos a otros. El rgimende caudales define en trminos estadsticos ladistribucin de los caudales a lo largo del ao en unaseccin especfica de la corriente.
Parmetros a definir en cada seccin
Se considera importante definir para cada seccinanalizada los siguientes elementos:
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CAPTULO 1. LA EROSIN CONCEPTOS BSICOS 29
Caudal promedio anual (media aritmtica de loscaudales medios diarios) volumen / tiempo
Escorrenta media anual ( caudal medio divididopor la superficie de drenaje aportante) en mm.
Caudal mximo anual.
Variabilidad temporal de los caudales.
Caudales medios y mximos mensuales.
Variacin de los caudales a lo largo del ao.
Caudal mximo para diseo.
Frecuencia de ocurrencia de los caudales mximos(intervalo medio en aos en que el caudal superaun determinado valor).
Duracin en el tiempo de los caudales mximos.Un volumen o caudal determinado de agua puedeno representar una amenaza de erosin oinundacin, la amenaza depende de la distribucinen el tiempo de ese caudal.
Ocurrencia histrica de grandes crecientes. Caudalmximo histrico.
Evidencias de ocurrencia de Paleo-caudalesextraordinarios. Un gelogo puede determinar sise observa que han ocurrido grandes caudales oavalanchas en el pasado y cual ha sido su altura yun hidrlogo puede calcular su caudal.
Tiempo de Concentracin
El tiempo de concentracin est definido como eltiempo requerido para el viaje del agua desde el puntoms alejado de la cuenca hasta el sitio objeto deldiseo.
Para la formulacin de predicciones de caudales seasume que la mxima rata de flujo se obtiene con unalluvia de intensidad uniforme sobre la totalidad de lacuenca, cuando la duracin de la lluvia es igual altiempo de concentracin, o sea que en ese momentotodos los puntos de la cuenca estn contribuyendo alcaudal. El tiempo de concentracin se requiere paradeterminar la intensidad promedio de la lluvia a utilizaren un anlisis de caudales.
El tiempo de concentracin es la suma de todos lostiempos, incluyendo el de la escorrenta sobre elterreno, las corrientes secundarias y primarias y el flujocanalizado o conducido por ductos.
1.3.1. VIDA TIL Y PERODO DERETORNO
La mayora de las obras de control de erosin sedisean y construyen para una vida til especificada,
dependiendo de la funcin que debe cumplir laestructura. Las obras temporales se disean para unavida til corta y normalmente su diseo es muy simple.Una estructura ms permanente como un muro deproteccin de ribera o una obra de drenaje para unava se disean comnmente para una vida til de 50 ode 100 aos. La vida til de diseo puedeseleccionarse con criterios econmicos, tales comoel costo de reemplazo.
Para el diseo esta vida til debe convertirse en unperiodo de retorno de un fenmeno metereolgico.En la realidad el periodo de recurrencia de unfenmeno metereolgico es indeterminado. El U.S.Corps of Engineers (1997) considera que ladenominacin de tormenta de 100 aos, tormentade 25 aos, etc., puede ser engaosa. Debido a lanaturaleza estocstica de los fenmenos existe unriesgo muy alto de que un fenmeno con un perodode retorno determinado, ocurra dentro de ese mismolapso de tiempo. Por ejemplo, si se tiene unaestructura que se requiere que tenga una va til de50 aos y se disea para un perodo de retorno de 50aos, existe una probabilidad del 63% de que el eventode diseo sea superado durante la vida til de laestructura. Si la superacin de este evento puededestruir la estructura, existe entonces un 63% deposibilidad de que la estructura sea destruida durantesu vida til de diseo (Figura 1.10), lo cual no esaceptable en criterios de ingeniera; Sin embargo,comnmente no es econmicamente posible disearuna estructura para un riesgo de excedencia del 0 %de un evento durante la vida til. Por lo tanto, elingeniero debe definir el nivel aceptable de riesgo deexcedencia y con l disear la estructura.
El Cdigo Britnico (British Standards Institution, 1991)presenta la siguiente expresin para encontrar laprobabilidad P de que ocurra un evento con unperodo de retorno TR durante una vida til de diseoN.
NRTp )/11(1 =
Criterio de creciente para diseo
En los Estados Unidos para el diseo de obras decontrol de erosin se utilizan alguno de los dos criteriossiguientes:
a. Creciente bsica
La creciente bsica se define como la creciente quesolo tiene 1% de posibilidad de ocurrencia en un ao,lo cual equivale a una creciente con perodo de retornode 100 aos. Este criterio es utilizado por lascompaas de seguros y algunas agencias menores.
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CAPTULO 1. LA EROSIN CONCEPTOS BSICOS 30
VIDA TIL DE DISEO N
5
2
2
5 10
PE
RO
DO
DE
RE
TOR
NO
(A
OS
)
10
20
50
100
200
500
1000
2000
20 50 100 200PR
OB
ABI
LID
AD
DE
QU
E O
CU
RR
AE L
EV
EN
TO M
X
IMO
DU
RA
NTE
T =1-N
100P1-
1
63
50
LA V
IDA
TI
L
1
25
105
FIGURA 1.10 Relacin entre el perodo de retorno de un fenmeno meteorolgico y la probabilidad de que este sea superadodurante la vida til de una estructura (British Standards Institution, 1991)
b. Creciente mxima
La creciente mxima o supercreciente es la que tieneun 0.2 % de probabilidad de ocurrencia en un ao,equivalente a una creciente con periodo de retornode 500 aos.
Sin embargo de acuerdo a las caractersticas de laobra y la agencia o entidad reguladora se puedenestablecer otros criterios. Generalmente este criterioes definido por norma de una entidad y no comosuposicin del diseador.
En muchos pases de Amrica latina no existen normasa este respecto y se disean obras con perodos derecurrencia muy bajos, los cuales no permitengarantizar una vida til aceptable de la obra.
1.3.2 HIDROGRAMA DE UNACRECIENTE
La mejor forma de representar los caudales de unacorriente es mediante un hidrograma del flujo. Unhidrograma es una serie en el tiempo de los caudales.Es una grfica de caudal contra tiempo. El perodode tiempo puede ser minutos, horas o das y debeseleccionarse en tal forma que sea representativo dela respuesta de la cuenca. En un hidrograma sepueden obtener una serie de variables como tiempode demora, tiempo de creciente y tiempo hasta el pico(Figura 1.11).
La forma del hidrograma depende de la geologa, tipode suelo, vegetacin, intensidad de la lluvia, duracin,
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CAPTULO 1. LA EROSIN CONCEPTOS BSICOS 31
Escorrenta
Hietograma de lluvias
TIEMPO (hrs)
hietograma de lluvias
Curva de agua retenida
Centroide del hietograma
Centroide de escorrenta
Punto medio de
Flujo base
CAU
DAL
- IN
TEN
SID
AD D
E LL
UV
IA
b
Pico
c
da
a = Tiempo de retraso
b = Retraso de la cuenca
c = Tiempo de ascenso
d = Tiempo al pico
Centroide del hidrograma
Hidrograma
rea de precipitacin, topografa, morfologa, tamaoy forma de la cuenca, densidad de drenaje y de laforma y caractersticas del canal de la corriente deagua. Por ejemplo, en las cuencas relativamentepequeas en zonas de montaa, una lluvia corta eintensa puede producir un hidrograma de gran pico.Estas cuencas reaccionan muy rpidamente y elcaudal puede lograr su valor mximo durante la lluviao inmediatamente despus de la lluvia.
En ros de tamao mediano las diferencias en el tiempode concentracin de los ros tributarios conducen aun balance o compensacin de las diversasintensidades de la precipitacin y el hidrograma tiendea ser relativamente ancho e incluso tener varios picos.Los ros grandes donde los principales tributariosfluyen por reas semiplanas, los hidrogramas tiendena ser muy anchos y de poca pendiente con perodoslargos, de das o de semanas.
Hidrograma Unitario