erosión-01

CO NTRO DE ERO N L SIzonas tropicalesen

JAIME SUREZ DAZProfesor Escuela de Ingeniera Civil UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Bucaramanga - Colombia Asesor CORPORACIN AUTNOMA REGIONAL PARA LA DEFENSA DE LA MESETA DE BUCARAMANGA CDMB

INSTITUTO DE INVESTIGACIONES SOBRE EROSIN Y DESLIZAMIENTOS

CONTROL DE EROSIN EN ZONAS TROPICALES Jaime Surez Daz

2001, Jaime Surez Daz ISBN 958-33-2734-4 Diseo de cubierta y diagramacin: Divisin Editorial y de Publicaciones Universidad Industrial de Santander Dibujos: Clmaco Acevedo P . Revisin: William Vargas F. Impresin: Divisin Editorial y de Publicaciones Universidad 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 7507 E Mail: [email protected] Librera UIS Carrera 27 Calle 9, Telfono 634 8418 Telefax 632 8212 E-mail: [email protected]

Bucaramanga - Colombia

A todos mis alumnos y en especial a aquellos que han aplicado mis enseanzas

Contenido

PRESENTACINCAPTULO 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 ................................................................................................................................ 24 1.2 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 ................................................................................................ 30 1.3.3 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 ................................................................................ 39 1.4.3 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 ............................................................................................................ 42 1.6 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 ...................................................................... 47 1.7 Erosionabilidad .......................................................................................................................... 48

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CONT ROL DE EROSIN EN ZONA S T ROPICA LES

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 ...................................................................................... 49 1.7.4 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 ........................................................................................................................ 62 2.5 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 ...................................................................................... 72 2.5.4 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 .................................................................................................... 78 2.8 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 .................................................................................. 78 2.9.2 Mtodo general de diseo ....................................................................................................... 82 CAPTULO 3

EROSIN EN ROS Y CORRIENTES DE AGUA

3.1 Etapas de la corriente de agua ................................................................................................... 86 3.1.1 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 ........................................................................................................................... 89 3.2 Hidrulica de ros ......................................................................................................................... 89 3.2.1 Parmetros fundamentales ...................................................................................................... 89 3.2.2 Clasificacin del flujo ................................................................................................................ 89 3.2.3 Ecuacin fundamental del flujo ............................................................................................... 90 3.2.4 Perfil de velocidades ................................................................................................................. 91 3.2.5 Tipo de flujo ............................................................................................................................... 91 3.3 La erosin hidrulica ................................................................................................................... 94 3.3.1 Propiedades de los sedimentos .............................................................................................. 95 3.3.2 Transporte de sedimentos ....................................................................................................... 96 3.3.3 Origen de los sedimentos ........................................................................................................ 97 3.3.4 Forma y rugosidad de la superficie de fondo ......................................................................... 97

CONTENIDO

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3.4 Morfologa fluvial ........................................................................................................................ 100 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.4.6 3.4.7 3.4.8 Perfil longitudinal del ro ...................................................................................................... 100 Seccin transversal del ro .................................................................................................. 100 Propiedades morfolgicas de los ros ................................................................................ 102 Clasificacin de los caudales .............................................................................................. 106 Canales semirectos .............................................................................................................. 106 Canales sinuosos ................................................................................................................. 107 Canales trenzados ............................................................................................................... 107 Canales anaramificados ...................................................................................................... 110

3.4.9 Corrientes de alta montaa (Torrentes) .............................................................................. 110 3.4.10 Deltas .................................................................................................................................... 112 3.4.11 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 .................................................................................. 120 3.6.2 Tipos de inestabilidad .......................................................................................................... 123 3.7 Metodologa de anlisis de la dinmica de corrientes ........................................................... 130 CAPTULO 4

CLCULO DE LA SOCAVACINComponentes de la socavacin ......................................................................................... 137 Instrumentacin de la socavacin ...................................................................................... 139

4.1 Fundamentos de la socavacin ............................................................................................... 137 4.1.1 4.1.2

4.2 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 ................................................................................... 144 4.4 Socavacin en estribos de puentes ......................................................................................... 149 4.5 Socavacin en las pilas de puentes ........................................................................................ 151 4.5.1 4.5.2 Factores que afectan la socavacin en pilas ..................................................................... 151 Mtodos de clculo .............................................................................................................. 152

4.5.3 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 ..................................................................................... 158 4.9 Sistemas de control de la socavacin ..................................................................................... 160 CAPTULO 5

EROSIN EN MASA FLUJOS Y AVALANCHAS

5.1 Modelos de fluido en avalanchas ............................................................................................. 170 5.1.1 Flujo Newtoniano (Modelo de Manning) ............................................................................ 170 5.1.2 5.1.3 Flujo de Bingham ................................................................................................................. 170 Modelo de fluido dilatante ................................................................................................... 171

5.2 Tipos principales de flujo .......................................................................................................... 174

85.2.1 5.2.2 5.2.3


Flujos de lodo ........................................................................................................................ 174 Flujos hiperconcentrados granulares .................................................................................. 177 Flujos de detritos (Debris Flows) ......................................................................................... 179

5.3 Caractersticas generales de las avalanchas .......................................................................... 181 5.4 Mecanismos de formacin de avalanchas de tierra ............................................................... 185 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.4.5 5.4.6 Deslizamientos de tierra generalizados por lluvias intensas ............................................. 185 Avalanchas por deslizamientos aislados ............................................................................ 187 Represamiento de cauces de agua..................................................................................... 188 Avalanchas por caudales y velocidades extraordinarias en cauces de agua ................. 188 Eventos ssmicos .................................................................................................................. 189 Flujos piroclsticos ............................................................................................................... 189

5.4.7 Deshielo de nevados ............................................................................................................ 189 5.5 Procedimiento de modelacin de avalanchas de tierra ......................................................... 190 CAPTULO 6

MATERIALES PARA EL CONTROL DE EROSINGeomembranas .................................................................................................................... 194 Geotextiles ............................................................................................................................. 196 Geomallas o GEOGRILLAS .................................................................................................. 201 Geocompuestos .................................................................................................................... 204 Mantos sintticos para el control de erosin (Synthetic erosion control blankets)......... 204 Esterillas tridimensionales (Turf reinforcement mats) ........................................................ 205 Matriz de hilos sintticos continuos .................................................................................... 206 Fibras sintticas sostenidas por un pegante ...................................................................... 207

6.1 Los geosintticos ...................................................................................................................... 194 6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4 6.1.5 6.1.6 6.1.7 6.1.8

6.2 Los textiles orgnicos ............................................................................................................... 208 6.2.1 Tejidos orgnicos .................................................................................................................. 208 6.2.2 6.2.3 Mantos orgnicos (Blankets) ............................................................................................... 208 Especificaciones para la colocacin de tejidos y mantos ................................................. 209

6.3 Fajinas prefabricadas ................................................................................................................ 212 6.4 Barreras de sedimentos ............................................................................................................ 214 6.5 Los geomoldes .......................................................................................................................... 214 6.6 Los prefabricados de concreto ................................................................................................ 217 6.7 Los filtros granulares ................................................................................................................. 219 6.8 Los enrocados (Rip-Rap) .......................................................................................................... 220 6.9 Mulching y protectores de la vegetacin ................................................................................ 222 6.10 Controladores de polvo fugitivo ............................................................................................... 225 CAPTULO 7

LOS GAVIONESAlambres galvanizados ........................................................................................................ 228 Las mallas .............................................................................................................................. 231 Las unidades de gaviones ................................................................................................... 235

7.1 Composicin del gavin ........................................................................................................... 227 7.1.1 7.1.2 7.1.3

CONTENIDO

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7.2 Proceso constructivo de los gaviones ...................................................................................... 236 7.3 Especificaciones para gaviones ................................................................................................ 241 7.3.1 Especificaciones Maccaferri .................................................................................................. 241 7.3.2 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 .............................................................................................................. 254 8.1.2 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 ...................................................................................... 263 8.1.6 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 ................................................................................................................................ 265 8.2.3 Caracterizacin para control de erosin .............................................................................. 269 8.3 Diseo de los componentes vegetativos ................................................................................. 271 8.3.1 Anlisis del sitio ...................................................................................................................... 271 8.3.2 Vegetacin nativa ................................................................................................................... 271 8.3.3 Diseo del tipo de especie vegetal ...................................................................................... 272 8.4 Especies vegetales ..................................................................................................................... 274 8.4.1 Pastos ..................................................................................................................................... 274 8.4.2 Hierbas y juncos .................................................................................................................... 278 8.4.3 rboles y arbustos ................................................................................................................. 278 8.5 Los nutrientes ............................................................................................................................. 285 8.5.1 Nutrientes naturales ............................................................................................................... 285 8.5.2 Colocacin de nutrientes ...................................................................................................... 286 CAPTULO 9

BIOINGENIERA Y BIOTECNOLOGA

9.1 Manejo y establecimiento de la vegetacin ............................................................................. 291 9.1.1 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 ......................................................................................................... 305 9.2.1 Hileras de vegetacin ............................................................................................................ 305 9.2.2 Hileras de matorral ................................................................................................................. 306 9.2.3 Fajinas (Wattles) ..................................................................................................................... 306 9.2.4 Cajones de ramas .................................................................................................................. 309

109.2.5 9.2.6 9.2.7 9.2.8 9.2.9


Capas de enramados ........................................................................................................... 309 Revestimiento con enramados ............................................................................................ 312 Cubiertas vivas ...................................................................................................................... 313 Enzarzado .............................................................................................................................. 315 Trinchos con vegetacin ...................................................................................................... 316

9.2.10 Taludes en escalera .............................................................................................................. 316 9.2.11 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 ................................................................................................... 323 9.3.1 Colocacin de capas germinadoras (Mulching) ................................................................ 323 9.3.2 9.3.3 9.3.4 9.3.5 Refuerzo y proteccin con telas orgnicas o sintticas .................................................... 323 Esterillas tridimensionales (TRMs) ...................................................................................... 326 Fibras con emulsin asfltica .............................................................................................. 326 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 9.4.2 9.4.3 9.4.4 Rip-Rap vegetalizado ........................................................................................................... 329 Muros criba vegetalizados ................................................................................................... 329 Colchonetas de gaviones vegetalizados ............................................................................ 332 Muros en gaviones vegetalizados ....................................................................................... 332

9.4.5 Muros de piedra vegetalizados ........................................................................................... 332 9.5 Vegetalizacin de las orillas de los ros................................................................................. 334 9.5.1 9.5.2 9.6 Sistemas de vegetalizacin de orillas ................................................................................. 334 Gua para el diseo de obras de bioingeniera para estabilizar riberas de corrientes ... 344 Planeacin y diseo de obras utilizando biotecnologa ...................................................... 347

CAPTULO 10

CONTROL DE EROSIN EN TALUDES Y OBRAS DE INGENIERA

10.1 Diseo de taludes ................................................................................................................... 350 10.2 Manejo de las aguas de escorrenta ..................................................................................... 355 10.2.1 Drenaje superficial ................................................................................................................ 356 10.2.2 Tipos de canal ....................................................................................................................... 357 10.2.3 Diseo de canales ................................................................................................................ 362 10.2.4 Canales colectores y disipadores ....................................................................................... 365 10.3 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 .............................................. 374 10.6 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

CONTENIDO

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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 .................................................................................... 396 10.11 Manejo de cuencas para el control de erosin .................................................................. 398 CAPTULO 11

REVESTIMIENTOS Y MUROSCriterios Generales de Diseo ............................................................................................. 403 Comportamiento de los revestimientos ............................................................................... 405

11.1 11.2

11.2.1 Esfuerzos sobre el revestimiento ...................................................................................... 405 11.3 Procedimientos para el diseo de revestimientos.............................................................. 408 11.3.1 11.3.2 Clculo del espesor requerido de revestimiento ............................................................. 410 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 11.6 11.7 11.8 11.9 Revestimientos con bloques de concreto ........................................................................... 424 Revestimientos de concreto ................................................................................................. 432 Revestimientos utilizando colchones de gaviones ............................................................. 440 Revestimientos utilizando asfalto ......................................................................................... 442 Revestimientos blandos ........................................................................................................ 443

11.10 Revestimientos con suelo ..................................................................................................... 446 11.11 Muros de contencin ............................................................................................................. 448 11.11.1 Muros en concreto .............................................................................................................. 448 11.11.2 Tablestacas .......................................................................................................................... 451 11.11.3 Muros criba ......................................................................................................................... 452 11.11.4 Muros en gaviones ............................................................................................................. 453 11.11.5 Muros en tierra reforzada ................................................................................................... 454 11.11.6 Pantallas ancladas de concreto o mortero lanzado ........................................................ 459 CAPTULO 12

ESPIGONESDiseo del canal de una corriente ....................................................................................... 464 Tipos de estructura lateral .................................................................................................... 466

12.1 12.2

12.3 Diseo de espigones ............................................................................................................ 469 12.3.1 Localizacin en planta ....................................................................................................... 471 12.3.2 12.3.3 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8 Separacin entre espigones ............................................................................................. 471 Orientacin de los espigones ........................................................................................... 476 Patrones de flujo en ros con espigones ............................................................................. 481 Clculo de la socavacin en espigones .............................................................................. 484 Miniespigones ....................................................................................................................... 485 Estructuras retardadoras ...................................................................................................... 485 Muros y estructuras longitudinales ...................................................................................... 487

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CAPTULO 13

CONTROL DE FONDO DE CORRIENTES

13.1 Tipos de control de fondo de cauces .................................................................................... 492 13.2 Fijacin del fondo del canal .................................................................................................... 498 13.2.1 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 ..................................................................................... 503 13.2.5 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 ................ 522 13.4 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 ......................................................................................................... 531 14.4 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 ............................................................................................................................ 539 14.4.4 Revestimientos ...................................................................................................................... 542 14.5 Peso de los elementos individuales ....................................................................................... 545

Presentacin

Es para m motivo de gran satisfaccin presentar a la Ingeniera Latinoamericana el libro CONTROL DE EROSION EN ZONAS TROPICALES, el cual intenta resumir el estado de conocimiento actual en la ciencia y el arte de control de erosin. Con un enfoque hacia los problemas ms importantes 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 de erosin 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. La erosin y sedimentacin de nuestros ros, las avalanchas producto del mal manejo del suelo, la desaparicin acelerada de los suelos orgnicos, producto de la deforestacin, amenazan con acabar la reserva ecolgica ms importante de la tierra. A pesar de los avances tecnolgicos en la tecnologa de control de erosin, los problemas de erosin son hoy ms extensos y severos, y la necesidad 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 tecnologas criollas, 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 guas publicadas 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; lo cual 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 erosin depende en gran parte de las condiciones geolgicas, climticas, topogrficas y ambientales del sitio y las prcticas que funcionaron con xito para resolver un problema en otros pases no necesariamente funcionan en el nuestro. Muchos expertos internacionales han tenido fracasos rotundos tratando de resolver problemas de erosin en pases tropicales en condiciones para ellos totalmente desconocidas.

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Los problemas de erosin en las montaas de los pases tropicales son mucho ms difciles de resolver que los problemas 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 hace que los problemas de erosin sean especialmente difciles. Ha existido en nuestro medio una cultura de subestimar la tecnologa de los sistemas de bioingeniera. Muy pocos ingenieros en el medio Latinoamericano conocen siquiera el nombre de las especies vegetales que podran utilizarse para el control de la erosin. Las escuelas de Ingeniera no preparan adecuadamente a los profesionales en estas materias, existiendo un desconocimiento sobre lo que la vegetacin puede hacer en un contexto de ingeniera. La vegetacin en Latinoamrica no se considera una obra de ingeniera, y se prefieren las obras duras en concreto 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 conocimientos limitados sobre vegetacin, se intenta que los profesionales de la ingeniera puedan entender ms fcilmente el lenguaje de la vegetacin explicado desde su propio punto de vista. La bioingeniera se merece un status profesional, 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, con capacidad para tomar decisiones de planeacin, manejo y diseo; y para ello es necesario que existan medios para acceder a la informacin. El control de erosin aunque no es una ciencia nueva, su gran desarrollo tecnolgico 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 hubiramos deseado haber escrito este libro con mucha mayor cobertura que el que estamos presentando, pero por razones de espacio fsico, tuvimos que seleccionar la informacin. Para los temas que no fueron incluidos se presentan referencias de otras publicaciones donde pueden obtenerse. La Asociacin internacional para el control de la erosin (IECA) peridicamente est realizando publicaciones cientficas las cuales son de gran utilidad para complementar la informacin del presente libro. Escribir el libro no fue tarea fcil, la recopilacin de informacin, su procesamiento y la incorporacin al ambiente latino-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 Universidad Industrial de Santander, quienes realizaron un trabajo realmente extraordinario para presentarles a ustedes un libro de la mejor calidad. A quienes aportaron su trabajo y sus ideas quiero darles las gracias. El esfuerzo vali la 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 verdadero logro 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 Daz

Noviembre, 2001

CAPTULO

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La Erosin Conceptos Bsicos

INTRODUCCINLa erosin comprende el desprendimiento, transporte y posterior depsito de materiales de suelo o roca por accin de la fuerza de un fluido en movimiento (Figura 1.1). La erosin puede ser generada 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 y la tecnologa de control de erosin. El primer captulo presenta algunos conceptos bsicos necesarios para entender los mecanismos de la erosin hdrica. Como una regla general las regiones con suelos muy erosionables, pendiente alta, clima seco y fuertes vientos pero con lluvias intensas ocasionales, sufren las mayores prdidas por erosin. Las actividades humanas frecuentemente intensifican o aceleran las ratas de erosin, especialmente por la deforestacin o la remocin dela capa vegetal, as como por la concentracin de la escorrenta en forma artificial. De los totales de erosin que se producen en el mundo cerca de 1/4 a 1/3 de los 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 volmenes de contaminantes se refiere. La erosin segn Ayres (1960), depende de cuatro variables principales:

E = f ( R. G . S .V )E= R= G= S= V= Rata de erosin Factor que depende de la cantidad e intensidad de la lluvia Factor que depende de la pendiente y topografa del terreno Factor que depende de las propiedades fsicas y qumicas del suelo Factor que depende de las caractersticas de la cobertura vegetal.

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La erosin involucra una serie de procesos en los cuales interviene una gran cantidad de factores, adems de los indicados por Ayres. En el presente captulo se analizan los parmetros y variables que afectan estos procesos, en los captulos 2 a 5 se presentan los tipos y mecanismos de erosin y en los captulos 6 a 14 se resumen las caractersticas de los materiales y los sistemas de diseo y construccin de obras para el control de la erosin.Desprendimiento Transporte

Depsito

FIGURA 1.1 Proceso de erosin.

1.1 HIDROLOGAEl anlisis hidrolgico es uno de los trabajos previos ms importantes para el diseo de obras de control de erosin, independientemente de su tamao o de su costo. Ese anlisis es importante para determinar los caudales mximos y velocidades mximas de la corrien te; las cuales son indispensables para determinar las fuerzas de erosin, debidas al flujo de agua. Si no se conocen con precisin y confiabilidad, las in tensidades mximas de precipitacin y escorrenta y los caudales mximos de las corrientes, no es posible disear adecuadamente obras para controlar la erosin. La hidrologa no es una ciencia exacta y es posible que se obtengan resultados muy diferentes de acuerdo al mto do que se utilic e para el clculo y la metodologa de manejo de la informacin; por lo tanto se deben utilizar criterios de sana ingeniera para decidir cual mtodo se debe aplicar. Cuando se disean obras para el con trol de erosin se recomien da ser prudentemente generoso en la suposicin de lluvias y caudales y no correr el riesgo de perder las obras al disear para fuerzas de erosin menores que las reales.

El ciclo hidrolgicoEl agua es un elemento natural esencial para la existencia de la vida, y esta se encuentra en la naturaleza de diferentes formas, generalmente en continuo movimiento; de acuerdo a un ciclo que incluye las nubes o vapor de agua, la precipitacin en forma de lluvia granizo o nieve, la infiltracin, la evapotranspiracin, la escorrenta, las corrientes subterrneas, los acuferos, los ros y quebradas, los mares y los lagos (Figura 1.2). El agua continuamente est cambiando de forma de acuerdo a un ciclo natural denominado ciclo hidrolgico.

1.1.1 LAS LLUVIAS Origen de la PrecipitacinLas lluvias se deben a una serie de fenmenos atmosfricos que ocurren en las nubes, entre los cuales los ms importantes son:

CA PT ULO 1. LA EROSIN CONCEPT OS B SICOS

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Acumulacin de nieve

Precipitacin

Escorrenta de deshielo Percolacin de deshielo Percolacin

Intercepcin

Evaporacin Transpiracin

Escorrenta superficial

Evaporacin

FIGURA 1.2 Ciclo hidrolgico del agua (Dunne y Leopold, 1978).

1. La precipitacin convectiva (Tormentas) Se forman movimientos verticales de aire muy fuertes localmente, en los cuales la precipitacin de partculas de lluvia se inicia en la base de las nubes y crece hacia arriba (Figura 1.3). El tiempo en que se forma la precipitacin es muy corto (aproximadamente 45 minutos). Son generalmente lluvias intensas pero de corta duracin.

Lluvia Nieve Hielo -40c

o tic re lf e iv NAlmacenamiento Escorrenta subterrnea hacia lagos, ros y ocanos Caudales de los ros Ocano

2. La precipitacin estratiforme Se forman algunos movimientos verticales de aire relativamente dbiles y se inicia precipitacin en la parte superior de las nubes. El tiempo hasta que se produce precipitacin puede ser de varias horas. Son lluvias menos intensas pero generalmente de mayor duracin que las convectivas.

Escala de vientos0 5 10 m s-1

250

PRESIN (mb)

500

0c

700

Superficie a) Desarrollo b) Madurez c) Decaimiento

FIGURA 1.3 Etapas de desarrollo de una tormenta convectiva. (Smith 1993).

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3. La precipitacin orogrfica El levantamiento del aire con nubes al pasar sobre cadenas montaosas puede producir inestabilidades convectivas que producen lluvia. Los frentes nubosos al chocar contra una cordillera generan precipitaciones muy fuertes a determinadas altitudes. 4. Los grupos de nubes (Clusters) tropicales La mayor cantidad de la precipitacin que ocurre en las zonas tropicales est asociada con grupos de nubes o clu sters qu e oc urren en la zona de convergencia de vientos. Los clusters de nubes como todos los sistemas de nubes tropicales son de origen convectivo; sin embargo, los sistemas de clusters son grupos nubosos en gran escala con reas de lluvias hasta de 50.000 km2 (Smith, 1993). Estos clusters al pasar por los sistemas de montaas generan precipitacin de tipo orogrfico y convectivo de gran magnitud e intensidad. Es comn que los clusters formen una corriente alargada de nubes o vaguada tropical que demora varios das en pasar sobre un sitio, generando lluvias no solamente de gran intensidad sino de varios das de duracin. Estas vaguadas se localizan de acuerdo a la poca del ao sobre una franja relativamente paralela al Ecuador. La localizacin precisa de estas franjas varia de ao en ao. En ocasiones, las vaguadas se vuelven persistentes en una determinada ubicacin, generando lluvias in tensas duran te semanas enteras. La ocurrencia de frentes nubosos tipo clusters y vaguadas genera una gran inestabilidad en el clima tropical. El paso de un clusters puede generar precipitaciones muy altas en zonas de precipitacin promedia muy baja, generando avalanchas o huaicos (Erosin en masa). El paso y ocurrencia de los clusters est relacionado con las corrientes de aire que llegan a los trpicos provenientes de los hemisferios norte y sur (Figura 1.4). La mayora de estos clusters en Amrica tropical ingresan desde el hemisferio sur por El Brasil, en direccin diagonal hacia Panam, durante los meses de Abril a Noviembre generndose una zona de alta pluviosidad sobre el continente americano como se muestra en la figura 1.5. Los sistemas de clusters tropicales juegan un papel muy importante en la circulacin global y tiene conexiones importantes con anomalas de circulacin atmosfrica, como el Nio. 5. El Nio y La Nia El sistema defrentes de clusters indicados en el prrafo anterior maneja la mayor parte del clima tropical. Sin embargo ocurren anomalas de vaguadas de clusters

en sentido contrario al in dic ado con nubes proven ientes del polo norte, o se produce un desplazamiento de los frentes que provienen del sur. Estas anomalas pueden generar precipitaciones muy altas en reas donde el promedio de lluvia es bajo o sea en las costas de Per y Ecuador y en la costa de Venezuela. El Nio genera vaguadas persistentes hacia el Ecuador y Per y hacia Mxico y California y posteriormente La Nia localiza estas vaguadas sobre Centroamrica, Colombia y Venezuela. Los resultados del Nio y la Nia son pocas muy intensas de lluvia o sequa, de acuerdo a la localizacin de las vaguadas. 6. Los huracanes Los huracanes son sistemas convectivos de gran magnitud que producen grandes vientos y muy fuertes lluvias. Estos sistemas son propios de la zona tropical del mar Caribe desde Mxico hasta la costa de Venezuela. La mayora de estos huracanes se forman en el ocano Atlntico y van creciendo en fuerza a medida que avanzan hacia el Caribe. Finalmente pierden poder al entrar al continente y generan grandes intensidades concentradas de lluvia. Los huracanes son una fuente muy importante de erosin en Centroamrica y Mxico.

Anomalas climticasLas anomalas climticas son modificaciones al sistema normal de precipitacin debida a fenmenos globales, como el Nio por ejemplo. Estas anomalas permiten la ocurrencia de temporadas secas en zonas normalmente lluviosas y lluvias excepcionales en zonas semi ridas, generando problemas acelerados de erosin o avalanchas. Estas anomalas generan lluvias muy por encima de los promedios (Colegio de ingenieros del Per, 1998), cau sando gran c antidad de deslizamiento s, inundaciones y daos a las obras de infraestructura, especialmente las carreteras y los puentes. Las anomalas climticasactivan focos de erosin y causan denudacin de grandes reas de suelo. Los cambios climticos anmalos que son evidentes en los ltimos aos, se atribuyen al creciente consumo de combustibles f siles, el u so del suelo y especialmente la deforestacin de los trpicos. El efecto directo mejor identificado es la disminucin de la capa de ozono.

CA PT ULO 1. LA EROSIN CONCEPT OS B SICOS

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Mxico

Venezuela Colombia Ecuador Per Brasil

Bolivia

Mes de enero

Mxico

Venezuela Colombia Ecuador Per Brasil

Bolivia

Mes de julio

FIGURA 1.4 Sistemas de circulacin de vientos superficiales en la zona tropical de Amrica.(Adaptado de Smith - 1993).

20


7 0 0

1400

2 8 0 0

700

0 0 7

2100

0 0 4 1

7 0 0

1 4 0 0

2800

0 0 1 2 0 0 4 1FIGURA 1.5 Precipitacin media anual generalizada en la zona tropical de Amrica. La informacin corresponde a los aos 1986 -1989. (Adaptado de Smith 1993).

Informacin requeridade la precipitacinEl conocimiento detallado del sistema de lluvias es una informacin bsica que se requiere para el diagnstico correcto de los problemas de erosin y el diseo de obras para su control. Se deben analizar entre otros, los siguientes aspectos: Tipos de tormenta que van a ocurrir en la zona (Orogrfica, co nvec tiva, 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.

Lluvia mxima acumulada histrica en 15 das y frecuenc ia de ocurrenc ia de grandes lluvias acumuladas en 15 das. Lluvia mxima histrica en 24 horas y frecuencia de ocurrencia de grandes lluvias en 24 horas. Lluvia mxima probable en 24 horas. Intensidad mxima histrica de lluvia / hora y frecuencia de ocurrencia de grandes intensidades de 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 con el tiempo para la lluvia de diseo. Localizacin de la tormenta de diseo con respecto a la cuenca.

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erosión-01

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