TEMA IV OBRAS DE DEFENSA Y ABRIGO

Objetivo: diseñar obras de protección y canales de acceso.

IV.1 Función y clasificación de las obras de protección.

•    Clasificación de obras

Son obras destinadas a evitar la erosión y la socavación en ríos y esteros producto del flujo del agua.

Las obras en los cauces, casi sin excepción, producen estrechamientos que originan las aceleraciones y desaceleraciones que arrastran el material del cauce produciendo la erosión. Las obras de defensa están destinadas a controlar este problema.

Se identifican con claridad dos tipos de socavación en los cauces:

   Socavación General: se produce con ocasión de grandes crecidas, durante las cuales el agua arrastra material en suspensión aumentando con ello el área de la sección transversal de la sección de escurrimiento. Al producirse la recesión de la crecida el material en suspensión precipita y se deposita en el fondo. Este tipo de socavación se produce de manera natural y no depende de la existencia de obras civiles artificiales.

   Socavación Local: en este caso, la socavación ocurre en puntos localizados y en general está asociada a la existencia de obras civiles presentes en el cauce. Es un fenómeno que persiste mientras persista el elemento que lo produce.

•    Tipos de obra

    Enrocamiento: Los enrocados son revestimientos del cauce ejecutados por medio de la colocación ordenada de grandes rocas que por su peso y trabazón no son removidas por el flujo. Se disponen tanto en el fondo como en las orillas del cauce, y su diseño se realiza en función de la velocidad del flujo y de la profundidad de las socavaciones esperadas.

Los enrocados se pueden construir con una o más capas de rocas. Su estabilidad depende del ángulo que la cara mojada presenta respecto a la vertical. Se fundan a una profundidad mayor que la socavación general o local esperada. Se pueden definir dos tipos de enrocados.

    Enrocados simples: son aquellos que se instalan sueltos, sin un material aglutinante.

    Enrocados Consolidados: en este caso, se dispone un material que produce adherencia entre las rocas, como el concreto.

Este tipo de obras se utilizan en las siguientes situaciones:

• Para provocar los estrechamientos por aguas arriba de obras como bocatomas y puentes y para evitar la erosión en las expansiones del flujo que ocurren aguas abajo de esas mismas obras.
• Protección del fondo del cauce a la salida de compuertas y radiares.
• Construcción de barreras fijas en bocatomas.

    Espigones: rompeolas o escollera es una estructura no lineal construida con bloques de mármol de dimensiones considerables, o de elementos prefabricados de tierra, llamados catrápodos, cuando la piedra se seca, son colocados dentro del agua, en ríos, arroyos o próximos a la costa marítima, con la intención de aumentar el flujo en varias direcciones determinadas, aumentar el oleaje o evitar la decantación de arena.

    Gaviones: los gaviones son contenedores de piedras retenidas con malla de alambre. Se colocan a pie de obra desarmados y, una vez en su sitio, se rellenan con piedras del lugar.

Los muros de gaviones están diseñados para mantener una diferencia en los niveles de suelo en sus dos lados constituyendo un grupo importante de elementos de soporte y protección cuando se localiza en lechos de ríos.

El gavión acelera el estado de equilibrio del cauce. Evita erosiones, transporte de materiales y derrumbamientos de márgenes, además el gavión controla crecientes protegiendo valles y poblaciones contra inundaciones.

    Muros de borde: Estas obras cumplen con la función de evitar el rebose del agua hacia lugares no deseados, producto de la existencia de sectores en que el borde es bajo o no existe. En general se construyen en canales en zonas de cruces de quebradas, bajos, desagües y, en general, atraviesos de sectores en terraplén.

Estos muros pueden estar construidos con materiales definitivos o rústicos de distinto tipo:

• Hormigón simple o armado
• Albañilería de piedra
• Mamposterías de pircas
• Tacos de tierra y champas
• Gaviones estucados o con hormigón proyectado

IV.2 Diseño de rompeolas.

El objetivo de la construcción de un rompeolas es establecer una zona de mar en calma en la que las embarcaciones se puedan amarrar con seguridad durante períodos meteorológicos adversos. Es, por lo tanto, importante para la comunidad local que el rompeolas sea capaz de soportar el impacto de las olas normalmente propias de la zona. La no consecución de estos objetivos en situaciones normales (sin contar el efecto de tormentas extraordinariamente fuertes) podría provocar daños considerables a la flota pesquera. Para evitar que esto suceda se deberán tomar todo tipo de precauciones al construir un rompeolas a nivel artesanal con muy poca o ninguna ayuda o supervisión por parte del ministerio de obras públicas. De hecho, en litorales rocosos, no se debería intentar construir rompeolas en profundidades superiores a los 3m sin contar con asistencia técnica, debido a la compleja naturaleza de las olas en aguas más profundas. Por otra parte, en las costas arenosas siempre debe recabarse el asesoramiento de expertos, cualquiera que sea la profundidad del agua.

Sección transversal típica de un rompeolas de escollera.

El rompeolas típico consiste en una cresta de piedra basta, también llamada núcleo, cubierta o protegida por recubrimientos o capas de piedras más pesadas

    El núcleo: Normalmente consiste en desechos de cantera sin las partículas finas (polvo y arena) vertidos en un montón en el mar por medio de un camión volquete. Para facilitar el vertido por medio de un camión, el núcleo debe tener preferiblemente una anchura de 4 a 5m en su extremo superior y encontrarse a una altura aproximada de 0,5 m por encima del nivel medio del mar o, cuando hubiera una gran amplitud de mareas, por encima del nivel de pleamar en marea viva. El extremo superior del núcleo se deberá mantener nivelado y uniforme por medio de una máquina explanadora a fin de permitir que los camiones volquete puedan viajar a lo largo de todo el rompeolas. Cuando se echa al agua, el núcleo de escollera queda descansando con una pendiente aproximada de 1 a 1, lo que quiere decir que su nivel desciende en 1 m por cada metro que avanza. Dado el poco peso de la escollera en el núcleo, todo el trabajo de construcción relacionado con rompeolas deberá efectuarse durante las estaciones de más calma.

    La primera capa inferior: La primera capa inferior de piedra que protege el núcleo de escollera para impedir que sea arrastrado normalmente consiste en piezas sueltas de piedra cuyo peso varía entre un mínimo de 500 kg hasta un máximo de 1000 kg.

Estas piezas se depositan normalmente en dos capas como mínimo con una pendiente que es generalmente menos acusada que la del núcleo, 2,5/1 en la pendiente exterior y 1,5/1 en la pendiente interior. Una pendiente de 2,5/1 quiere decir que el nivel desciende 1 m por cada 2,5 m de avance. La primera capa de piedra puede ser colocada con una excavadora hidráulica. También se puede utilizar una grúa normal si hay espacio para las patas de apoyo; no se deben utilizar las grúas con ruedas de goma en ningún momento sobre un núcleo desnivelado sin que sus patas de apoyo se encuentren en la posición extendida

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La excavadora debe colocar la piedra más pesada tan rápido como sea posible sin dejar demasiado núcleo de escollera expuesto a la acción de las olas. Si llegara una tormenta al lugar con demasiado núcleo expuesto, existe el grave peligro de que el núcleo sea arrastrado y distribuido por las olas en toda la zona de construcción del puerto.

Se muestran en las figuras la distribución de un perfil de piedra determinado, en este caso con una pendiente de 2,5/1: la distancia H es la altura de la parte superior de la nueva capa descendente por encima del nivel del fondo del mar. Sería conveniente colocar una pértiga de madera en la punta del núcleo subyacente y fijarla en su sitio con mortero. Se debería colocar una plomada pesada de piedra en el fondo del mar con una boya marcadora a una distancia igual a 2,5 x H. Posteriormente se debería llevar una cuerda de nilón de un color fuerte desde la plomada a la altura requerida de la pértiga. Este procedimiento debe repetirse cada 5 m a fin de ayudar al operador de la grúa o de la excavadora a colocar la capa superior. Un nadador equipado con gafas de buceo debe asegurarse de que cada una de las piedras sueltas quede colocada dentro del perfil señalado.

    La capa principal de protección: La capa principal de protección, como su propio nombre indica, constituye la defensa principal del rompeolas a la embestida de las olas. La existencia de cualquier tipo de defecto en la calidad de la roca (Capítulo 4), graduación (tamaño demasiado pequeño) o colocación (pendiente desnivelada o demasiado acusada) pondría a todo el rompeolas en grave peligro. Por esto se deberá tener mucho cuidado al seleccionar y colocar las piedras correspondientes a la capa principal de protección.

Colocación del núcleo de la escollera.
 

Colocación de la capa inferior.

Estas piedras grandes se deben izar una a una utilizando una eslinga o valvas mordientes y colocar en el agua con la ayuda de un submarinista o de una embarcación con tripulación equipada con un tubo con un cristal tapando uno de sus extremos. La capa de protección se debe colocar piedra a piedra en una secuencia que asegure su interconexión; por ejemplo, la piedra número 2 es mantenida en su sitio entre las piedras 1 y 3, mientras que la piedra 4 está bloqueada entre las piedras 3 y 5

Colocación de la capa principal de protección.

Se asegura así que una ola no pueda arrancar una de las piedras y hacer que las que están encima caigan por la pendiente, rompiendo la capa de protección y exponiendo la escollera más pequeña que hay debajo. Para asegurar la correcta colocación de las piedras, el submarinista o ayudante en la embarcación debe dirigir al operador de la grúa cada vez que se coloca una nueva piedra hasta que la capa de piedras sobrepase la superficie del agua. Al igual que con la primera capa inferior, se necesitan dos capas de piedras de protección para completar la capa principal de protección.

 Excavadora hidráulica colocando la escollera sobre la cresta.

Muestra la excavadora retrocediendo al principio del rompeolas cerrando las capas superiores simultáneamente. El final o cabezal del rompeolas es la parte más delicada del mismo y requiere un mayor cuidado. Se deberá aumentar la pendiente exterior de 2.5/1 a 3/1 a fin de mejorar la estabilidad.

IV.3 Diseño de muros verticales.

•    Diseño de muros verticales

Para la construcción de un rompeolas de paredes verticales, se usan dos métodos básicos: pantallas arriostradas y muros de gravedad. Las pantallas son estructuras con tablestacas de acero, concreto o madera, hincadas en el terreno en una o dos filas, y cuya estabilidad está relacionada con su capacidad como voladizo.

El cálculo se realiza con las fórmulas de empuje lateral en suelos y de capacidad estructural de elementos. Cuando se usa una fila, la pantalla también puede arriostrarse con pilotes. En un sistema de dos filas, se usan anclajes entre ellas y se rellena el espacio interior con arena o piedra. Los muros de gravedad son estructuras que soportan el oleaje y sub-presiones por medio del peso propio.

El terreno donde se cimientan debe poder soportar dicho peso con seguridad y sin asentamientos significativos. Se forman con bloques de concreto, cajones de concreto o madera, y celdas circulares de acero. Tanto los bloques como los cajones son colocados sobre una berma en el fondo marino. Los bloques se van instalando uno a uno traslapando las piezas previas, generalmente sin cementante entre ellos. Los cajones son estructuras huecas que usualmente son construidas o flotadas desde tierra y hundidas en su posición rellenando con arena o piedra.

Las celdas de acero se forman por tablestacas planas hincadas en el terreno formando figuras circulares que se rellenan con material granular. En la Figura 1 se muestra un ejemplo de un rompeolas con celdas circulares de acero.

•    Cálculo de fuerzas de oleaje

Las fuerzas de oleaje ejercidas una pared vertical pueden ser debidas al oleaje sin romper, en rompiente con frente vertical o con aire entrapado, y colapsado. Una estructura es sometida a cada tipo de oleaje dependiendo de las características del mismo, la profundidad del agua, la pendiente del fondo marino delante del rompeolas y de la geometría de la estructura.

Para el caso de ola no rompiente la variación de presión en la pared se presenta casi en fase con el oleaje de forma que se dice que son cargas cuasiestáticas o pulsantes, y su periodo es mayor al de vibración de la estructura. Si es rompiente de frente vertical, se da un pico en la fuerza sobre la pared del orden de centésimas de segundo. Cuando la ola entrapa aire, se da un doble pico en milésimas o centésimas de segundo cada uno, y un periodo de oscilación de 0,2 a 1 segundo. El oleaje colapsado se presenta cuando hay taludes de enrocamiento o pendientes largas frente a la pared.

En el caso de estructuras de paredes verticales a mayor ola, mayor fuerza sobre la pared, por lo que generalmente ésta es la que se usa para el diseño. Algunas fórmulas son aplicables sólo a ondas regulares o sea con el mismo periodo y altura, y se usan sólo por simplicidad. La presión hidrodinámica de la ola consiste en dos componentes variables que son la presión hidrostática y la presión dinámica. Dos de las fórmulas más ampliamente usadas para el cálculo de presiones de olas sobre paredes verticales son las de Sainfluo y la de Goda.

•    Efectos del ángulo de incidencia del oleaje

Como es de esperarse, olas incidiendo oblicuamente a una pared vertical tienen menor fuerza de impacto que una ola golpeando perpendicularmente. Existen dos efectos que produce el oleaje incidente a un ángulo. Uno es la reducción de la presión en la pared respecto a un ataque frontal, o reducción de fuerza por la presión de punto. Las pruebas en modelos han demostrado que se puede considerar éste incluido en la fórmula de Goda.

Por otra parte, al entrar la ola en ángulo, las presiones pico no se dan simultáneamente frente a la pared, lo que se denomina reducción de fuerza por retraso en el pico. Con Ls la longitud del rompeolas, la reducción de la fuerza (rf) para olas regulares puede ser predicha por la fórmula de Batjes.

IV.4 Evolución playera por construcción de obras. Tiempo de llenado

La ingeniería de costas, en lo relacionado con los puertos, comienza con el desarrollo de las civilizaciones ancestrales a la par que el tráfico marítimo, quizás alrededor del 3500 a. C. Las dársenas, los rompeolas y otras obras portuarias fueron construidos manualmente y a menudo a gran escala.

Algunas de las obras portuarias son todavía visibles en unos pocos puertos que todavía hoy existen, mientras que otros han sido recientemente explorados por la arqueología subacuática. Muchas de las obras portuarias ancestrales han desaparecido tras la caída delImperio romano.
Muchos de los esfuerzos costeros ancestrales estaban dirigidos a las estructuras portuarias, con la excepción de algunos pocos lugares donde la vida dependía de las protecciones costeras. Venecia y su laguna es uno de esos casos. Las protecciones de las costas de Italia,Inglaterra y Holanda pueden ser rastreadas hasta al menos el siglo VI. En la antigüedad se comprendieron fenómenos como las corrientes del Mediterráneo y los patrónes eólicos, así como la conexión causa-efecto entre los vientos y las olas.

Roma introdujo muchas innovaciones revolucionarias en el diseño de puertos. Aprendieron a construir muros subacuáticos y se las arreglaron para construir sólidos rompeolas para proteger puertos completamente expuestos. En algunos casos puede que se empleara la reflexión de las olas para prevenir la colmatación. También emplearon rompeolas superficiales bajos para provocar la rotura de las olas antes de que alcanzaran los rompeolas principales. Fueron los primeros en dragar en Holanda para mantener el puerto en Velsen. Los problemas de colmatación de este puerto fueron resueltos cuando los muelles sólidos anteriores fueron reemplazados con nuevos espigones apilados de una forma abierta. Los romanos introdujeron también en el mundo el concepto de las vacaciones en la costa.

La amenaza de ataque desde el mar causó que muchas ciudades costeras y sus puertos fuesen abandonados. Otros puertos se perdieron debido a causas naturales como la rápidad colmatación, el avance o retroceso de la línea de costa, etc. La Laguna de Venecia fue una de las pocas áreas costeras pobladas que continuó con su prosperidad y con su desarrollo donde los informes escritos documentan la evolución de los trabajos de protección costera. Los conocimientos científicos e ingenieriles permanecieron vivos en el este, en Bizancio, donde el Imperio romano oriental sobrevivió seiscientos años mientras la Roma occidental decaía.

Edad Moderna

Leonardo da Vinci puede ser considerado el precursor de la ciencia de la ingeniería de costas, ya que ofreció ideas y soluciones frecuentemente con más de tres siglos de antelación de su aceptación general. Mientras que la ciencia avanzaba a grandes saltos, la construcción de puertos mejoró poco respecto de los métodos romanos después del Renacimiento. A principios del siglo XIX, la llegada de la máquina de vapor, la búsqueda de nuevos territorios y rutas comerciales, la expansión del Imperio Británico a través de sus colonias, y otras influencias, contribuyeron a la revitalización del comercio marítimo y renovaron el interés en las obras portuarias.

Siglo XX

Se produce una evolución de la protección costera y el paso desde la construcción de estructuras de defensa a la regeneración de playas. Anteriormente a 1950 la práctica general era usar estructuras duras de protección contra la erosión costera o contra los efectos de los temporales. Estas estructuras consistían normalmente en armaduras costeras tales como rompeolas y revestimientos o estructuras de trampas de arena tales como espigones en peine. Durante los años 1920s y '30s, los particulares y las comunidades locales interesadas protegieron muchas áreas de la costa usando técnicas de alguna manera ad hoc. En ciertas zonas de recreo, las estructuras han proliferado hasta tal extremo que la protección impide en la actualidad el uso recreativo de las playas. La erosión de la arena continuó, pero la parte posterior de la línea de la playa fijada se mantuvo, resultando en una pérdida de superficie de playa. La prominencia y el coste de estas estructuras llevaron a finales de los 1940s y a principios de los 1950s a la búsqueda de un método nuevo, más dinámico. Los proyectos ya no confiaron más en las estructuras de defensa costera en exclusiva, a medida que el desarrollo de técnicas fue reproduciendo las características protectoras de las playas naturales y de los sistemas dunares. El uso resultante de playas artificiales y dunas estabilizadas como enfoque ingenieril resultó un medio económicamente viable y medioambientalmente más amigable para disipar la energía de las olas y proteger los desarrollos costeros.

Durante los últimos cien años, el limitado conocimiento de los procesos de transporte sedimentario costero al nivel de las autoridades locales a menudo ha desembocado en medidas inapropiadas destinadas a combatir la erosión costera. En muchas ocasiones, tales medidas han resuelto localmente la erosión costera, pero han exacerbado los problemas erosivos en otras localizaciones -diez kilómetros más allá- o han creado otros problemas ambientales.


IV.5 Dimensionamiento de canales de navegación

Los canales de navegación de preferencia deberán ser rectos los de acceso tendera a ser normal a la costa o paralelos a la dirección predominante de los temporales.

Los canales de navegación interiores tendrán un cambión de dirección la curva entre dos tangentes no será mayor de 30° lo que equivale a un radio de  5E lo recomendable por seguridad para barcos mayores de 30,000 TPM es de un radio de 10E el ancho de la plantilla en las curvas del canal se aumentara un 30% respecto a la parte recta.

La determinación de la profundidad en el anterior del puerto depende fundamentalmente del canal de carga del barco, la densidad del agua u en menor magnitud de altura del laula y el asentamiento del barco ya que la velocidad tiende a cero.

Para la navegación de canales interiores debemos tomar en cuenta la densidad del agua dulce la cual aumenta en calada aproximadamente 3% dado que la embarcación de la entrada cruza la bocana a 5 ó 8 nudos de velocidad la distancia de frenado en el orden de los 5E contadas a partir que la popa del barco está en zona protegida por los rompeolas.