Revestimiento de hormigón para la restauración de canales y protección de orillas

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1 Revestimiento de hormigón para la restauración de canales y protección de orillas Patricia Amo Sanz Dpto. Técnico de Huesker S.A. pamo@huesker.es Natalia Arizcuren Dpto. Técnico de Huesker S.A. arizcuren@huesker.es Iñaki Amigot Dpto. Técnico de Huesker S.A. amigot@huesker.es 1 Introducción Hace ya varios años que el problema del control de erosión está presente en muchos proyectos de obras hidráulicas y en obras de ingeniería civil. Los diferentes tipos de erosión en cauces son: erosión de fondo, erosión transversal, erosión al pie de obras, erosión aguas abajo de presas y erosión aguas arriba en cortes de meandros. Las fuerzas que generan estos tipos de erosión son las hidráulicas, que dependen de la naturaleza del curso y las resistentes, que dependen de la naturaleza del suelo sobre el que actúan. El objeto de este artículo es explicar la utilización de geosintéticos en restauración de canales y protección de orillas. Describiremos las fases de cálculo necesarias para el correcto empleo de estos geosintéticos, explicaremos las fases de su instalación, comentaremos las ventajas de su empleo frente a otros sistemas y finalmente expondremos varias experiencias internacionales. Figura 1 Protección de canal con hormigón revestido en Francia, 2009

2 2 Antecedentes Dentro de las estrategias de control de erosión, existen las soluciones basadas en estructuras rígidas (bloques de hormigón, pantallas, etc.) y otras semirígidas basadas en el empleo de geosintéticos, combinadas en algunos casos con el uso de vegetación. Esta vegetación una vez instaurada disminuye la velocidad del agua y la sedimentación en las proximidades del margen, además de producir efectos mecánicos de refuerzo del suelo gracias a sus raíces. Como estructuras semirígidas podemos considerar: - Bolsas rellenas de arena u hormigón: empleadas para estructuras temporales en ingeniería hidráulica. - Matriz rellena de arena: formada por dos geotextiles unidos entre sí, entre los que se dispone la arena formando una larga sección con apariencia de largos tubos. No es recomendable emplearlas con velocidades de flujo mayores a 1,5 m/s. - Colchón relleno de hormigón: denominado comercialmente por nuestra empresa Incomat que está formado por dos capas paralelas de un geotextil tejido de alta resistencia, unidas entre sí con varias hebras, formando un cuerpo de encofrado para el hormigón. 3 Colchones rellenos de hormigón Para el correcto funcionamiento de estos materiales es de gran importancia realizar una buena elección del material a emplear, un esmerado diseño y una correcta puesta en obra. 3.1 Descripción del material Como hemos mencionado anteriormente estos colchones están formados por la unión mediante unos filamentos, de dos geotextiles cuyo espacio interior será rellenado de hormigón. La longitud de las fibras de unión determinan el espesor del colchón (entre 5 y 20 cm.) y su disposición determinará también su apariencia y propiedades. Existen dos clases diferentes: Impermeable y rígida. En este caso el material está compuesto por dos capas de geotextil tejido unidas con hilos espaciadores de alta resistencia de longitud constante, garantizando una sección uniforme de hormigón. Permeable y flexible. Existen a lo largo de la superficie del colchón zonas de filtro que permiten que el sistema sea permeable y se adapte a asientos importantes. La sección de hormigón en este caso no es constante. La anchura a la que se fabrica este material suele ser de 5 metros y la longitud se define de acuerdo con los requisitos de cada proyecto. Los paneles se pueden unir en fábrica o in situ mediante cosido o mediante unas cremalleras que disponen los paños de material. Estos materiales se fabrican en poliamida, poliéster o combinación de ambos y su resistencia a tracción alcanza los 50 kn/m. La apertura del poro en los puntos de drenaje o filtro es normalmente 0.2 < O90 < 0.5 mm. Su permeabilidad (k) se encuentra entre los 0.5 a 20 mm/s. Esta solución permite su instalación sobre o bajo el agua, lo que evita la necesidad que conlleva otro tipo de soluciones de trabajar obligatoriamente en seco. Como material de relleno se puede emplear hormigón, arena o cualquier otro material que pueda ser bombeado, dependiendo de las necesidades y disponibilidad de la obra. Estos colchones proporcionan protección frente a la erosión en los taludes, fondo y orillas, en las cuales incluso se puede establecer la vegetación (a través de las zonas de filtro). Otra área de aplicación temporal, es el fortalecimiento de los ríos o de las cuencas de los lagos bajo los que se están construyendo túneles.

3 Tabla 1 Comparativa del empleo de bloques de hormigón frente al empleo de hormigón revestido con geosintéticos Estructura con bloques de hormigón Vida útil 20 años Caro empezar (necesidad de trabajar en seco) Caro mantenimiento (las juntas deben ser rellenadas, difícil operación) Estructura con geosintético Vida útil del geosintético 120 años Fácil empezar (posibilidad de instalar bajo el agua) No requiere mantenimiento No puede ser robado No puede ser destruido 3.2 Parámetros de diseño Los parámetros necesarios para el diseño de esta aplicación son: Geométricos (β _ inclinación del talud, hr _ altura talud, w _ anchura de la base, Ls _ longitud del talud) Hidráulicos ( hmax _ altura máxima del nivel del agua, hmedia _ altura media del nivel del agua, hmin _ altura mínima del nivel del agua, vmax _ velocidad máxima del agua, vmedia _ velocidad media del agua, i _ pendiente longitudinal del río) Del suelo (ϕs _ ángulo de rozamiento interno del material de relleno, δ _ ángulo de rozamiento entre el suelo y el geosintético, γsat _ peso especifico saturado del material de relleno, ϕ _ ángulo de rozamiento del material del subsuelo, γ _ peso especifico del material del subsuelo) El diseño se realiza siguiendo el modelo de K.W.Pilarczyk 1998 y sigue varias fases. En una primera fase se determina en función de los datos geométricos del cauce y los parámetros hidráulicos el espesor mínimo de colchón necesario. Una vez hemos calculado el espesor, comprobaremos el posible deslizamiento del conjunto. En este punto se deben tener en cuenta otros materiales que en ocasiones son colocados bajo el colchón y pueden generar un plano de deslizamiento potencial. Un ejemplo claro sería la colocación de un geotextil no tejido colocado en zonas con suelos muy finos que podrían lavarse a través de esas zonas de filtro o permeables del material. Según la norma alemana DIN 4084, los factores de seguridad requeridos durante la construcción y para toda la vida útil son de 1,2 y 1,3 respectivamente. Si estos factores de seguridad frente a deslizamiento no se cumplen, debemos calcular las longitudes de anclaje necesarias en cada fase. Figura 2 Esquema de diseño del geosintético

4 Tema A: Dinámica fluvial 3.3 Detalles de instalación En una primera fase de instalación debe nivelarse perfectamente la superficie donde va a colocarse le material eliminando piedras, raíces y objetos afilados. Para calcular la longitud del material se debe tener en cuenta la longitud del talud, la longitud de retracción esperada por el llenado y las longitudes de anclaje determinadas en el diseño. La unión entre los paneles individuales se realiza mediante una máquina de coser en obra o mediante unas cremalleras que vienen colocadas desde fábrica. En los casos de instalaciones en curva, los paneles también son fabricados a medida. El número de paneles unidos, que forman un colchón, es de 3 a 5 (debe ser un colchón manejable en obra). Una vez extendidos los colchones en el talud, se unen con otros siguiendo la misma operativa anterior. Figura 3 Detalle de manejo de paneles en obra El material debe extenderse sin ser arrastrado y se ancla de una manera provisional para que el material este tenso durante el llenado. Debe extenderse solamente la cantidad de material que vaya a rellenarse en un día, en caso contrario se deberán poner pesos sobre el material para que el viento no se lo lleve. La fase de llenado es la fase más delicada de la instalación. Se deben hacer dos agujeros de llenado por panel en la capa superior del material. El diámetro de la manguera de llenado será de 2/3 el espesor final del colchón. El corte debe hacerse en la dirección del talud y a como máximo 5 metros de la parte más baja de llenado para permitir la entrada del tubo de alimentación. Figura 4 Colocación de las mangueras de llenado

5 El tubo es introducido hasta la parte inferior del panel y se va elevando progresivamente a medida que el nivel de hormigón va ascendiendo. Se deben seguir varias etapas de llenado. Primero se rellena hasta una altura de un panel y se procede a llenar la misma parte del resto de los paneles. El llenado del colchón se va haciendo por niveles. Antes de rellenar el último nivel de un colchón, éste debe unirse con el siguiente a rellenar. Figura 5 Llenado por niveles En condiciones de llenado bajo el agua o cuando el espesor del material es menor de 15 cm es recomendable introducir los tubos de alimentación antes del extendido. Una vez terminada la fase de llenado se procede a la ejecución del anclaje definitivo y se debe evitar que nadie camine sobre el material hasta que el hormigón haya fraguado. El hormigón empleado debe ser de consistencia floja para que sea fácilmente bombeable. Un ejemplo de composición sería, 450 kg/m 3 de cemento con 1300 kg/m 3 de arena y 250 kg/m 3 de agua. Es de vital importancia que el bombeo de hormigón sea homogéneo para evitar saltos de presión que puedan crear roturas en el producto. Un ejemplo de ello puede verse en esta foto en el que las zonas de filtro han sido invadidas por el hormigón por un aumento de presión durante el llenado. Figura 6 Rotura de las zonas de filtro por aumentos de presión en el llenado

6 Basándonos en nuestra experiencia podemos decir que el rendimiento de instalación suele ser de unos m 2 /día. 3.4 Experiencias reales La experiencia de nuestra empresa en el diseño e instalación de este material se remonta a los años 60, época en la que este material fue muy empleado en toda Francia con el fin de proteger los taludes de sus canales. La primera experiencia española tuvo lugar en el año 2002 en el canal de Navarra Instalación de colchones de hormigón en varias estaciones hidroeléctricas en Rumania. En Rumania en el año 2001, había aproximadamente unas 110 centrales hidroeléctricas, construidas en los años 60 y 70. El método empleado para la protección de sus canales eran bloques de hormigón de unos cm de espesor. Un mal sellado de las juntas, la composición del terreno natural (materiales muy finos) y la ausencia de zonas de filtro provocaron la rotura de las protecciones de hormigón como puede verse en esta imagen. Figura 7 Rotura típica de paneles de hormigón Este caso concreto tuvo lugar en la central hidroeléctrica de Rusanesti en el año La solución adoptada fue la colocación de Incomat Flex (material con zonas de filtro) a lo largo de toda la zona afectada. Figura 8 Protección del canal de la central hidroeléctrica de Rusanesti (Rumanía,) 2001

7 Tema A: Dinámica fluvial Este material se adapta mejor a los asientos del terreno y en zonas con materiales finos permite la salida de agua a través de esas zonas de filtro, evitando el lavado del material. Esta obra llevo a la ejecución de muchas más en centrales del país como puede verse en las siguientes imágenes. Figura 9 Protección de canal en la central hidroeléctrica de Hateg (Rumanía,) 2003 Figura 10 Protección de canal en el lago Dridu (Rumanía), Restauración del canal de la estación hidroeléctrica Hirschaid en Alemania Cinco años después de la puesta en funcionamiento de esta central, comenzaron a detectarse los primeros problemas en los taludes del canal que abastecía dicha central. En su día se colocó como sistema de sellado en estos taludes una capa de 5 cm de asfalto. Con el paso del tiempo esta capa se fisuró creando graves problemas de estabilidad. La instalación de una nueva capa de asfalto u otra capa de membrana impermeable, habría exigido el vaciado del canal. Es por ello que la autoridad de aguas de Nürnenberg se decidió por el empleo de Incomat en toda la zona afectada. El hormigón empleado en este caso tenía un ratio agua/cemento de 0,5 lo que permitió un bombeo excelente de la mezcla. En este caso se fabricaron colchones de 35 metros de ancho por 15,9 de largo con el fin de facilitar la instalación. En cada unidad se colocaron 10 zonas de llenado.

8 Durante el llenado el material estaba correctamente anclado en la coronación para evitar problemas de movimientos de los paneles y para que el material estuviera tenso durante esta fase. Figura 11 Extendido del material bajo el agua Fue necesario durante la fase de llenado y extendido el trabajo de un buzo que se encargaba de controlar el llenado que llego a alcanzar los 6-8 m3/h. Figura 12 Supervisión de la fase de llenado por un buzo Los trabajos fueron completados en seis semanas cumpliendo los plazos marcados para el proyecto.

9 4 Conclusiones Este tipo de soluciones implican además de una sencilla instalación, reducción del tiempo de construcción, menos mantenimiento y durabilidad mayor que las estructuras rígidas, por lo que se presenta como una alternativa competitiva y económica, siempre que tengan detrás un exquisito y cuidado diseño. En función de varios parámetros como la geometría del cauce, composición del terreno natural existente y el comportamiento hidráulico del canal o río, debemos diseñar y elegir el material con las condiciones óptimas para cada obra. 5 Referencias bibliográficas Pilarczyk K. W., Geosynthetics and Geosystems in Hidraulic and Coastal Engineering Bruhier, J. & Nods, M, Recent examples and feedback from the first uses of geosynthetics for river banks protection and canal lining systems M. Kazem, Hassan Rahimi, Ahmad Jafari, Maddah, M, Ghotbi, SH & Jabad Moulaie, M, Rehabilitation of irrigation canals in Iran Aparicio Mijares F.J Fundamentos de hidrología en superficie Llamas J., Hidrología general Heras R., Recursos hidráulicos: síntesis metodología y normas