PARTE III. PROCESOS FLUVIALES

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1 1 PARTE III. PROCESOS FLUVIALES Desde el punto de vista de la hidráulica fluvial, todos los ríos están sujetos en mayor o menor grado a procesos de erosión o degradación, equilibrio y sedimentación o agradación. Un río se considera en estado de equilibrio cuando no varía el perfil del fondo y de las márgenes del cauce y por lo tanto, existe compensación entre los sedimentos que son transportados hacia el sitio y desde el sitio. Degradación se manifiesta cuando el nivel del lecho baja o si las márgenes se desplazan hacia afuera, lo que se presenta cuando la carga de sedimentos es inferior a la capacidad de transporte del flujo de agua. Agradación ocurre si el nivel del lecho baja o si las márgenes se desplazan hacia afuera, lo que se presenta cuando la carga de sedimentos es inferior a la capacidad de transporte del flujo de agua. Estos procesos se aceleran e intensifican durante crecientes, que además originan el problema de las inundaciones sobre todo en las zonas planas aluviales de los ríos. Los cambios morfológicos en los ríos pueden deberse a causas naturales o antrópicas. Las intervenciones humanas sobre un sistema hidráulico pueden desencadenar procesos a altas velocidades que naturalmente tardarían mucho tiempo en producirse y en algunos casos pueden llegar a ser irreversibles. Causas naturales - Migración lateral y longitudinal del cauce - Corte de meandros - Erosión de orillas - Incisión de cauces - Formaciones de lecho como barras e islas - Procesos de orillares Causas antrópicas - Construcción de obras hidráulicas como presas, diques, espolones, puentes, corte artificial de meandros, revestimientos del cauce. - Actividades de minería en la cuenca pueden generar la producción de sedimentos que al ser conducidos al cauce aumentan las posibilidades de agradación. - Cambios en la aptitud de uso del suelo; por ejemplo zonas agrícolas pasan a ser urbanas, cambios inapropiados de cultivos. - Aterramiento de lagunas, desecación de pantanos. Los procesos relevantes desde el punto de vista de la dinámica fluvial, agrupados en tres son: degradación, agradación e inundación y se tratan a continuación de manera introductoria.

2 2 1. Degradación La degradación de un cauce se refiere a la pérdida de material en una zona del río y es el producto del desequilibrio entre el aporte sólido que trae el agua a una cierta sección y la mayor cantidad de material que es removido por el agua de esa sección. La posibilidad de arrastre de los materiales en cada punto se considera dependiente de la velocidad media del agua y de la velocidad media requerida para arrastrar las partículas de sedimento. Para suelos sueltos, esta velocidad es la que mantiene un movimiento generalizado de partículas; para suelos cohesivos, es la velocidad capaz de ponerlos en suspensión. A continuación se explican brevemente los procesos de degradación incluyendo: remoción en masa, migración y divagación de un cauce, socavación a largo plazo, socavación general y socavación local. 1.1 Remoción en masa Los fenómenos de remoción en masa (procesos que en la actualidad tienden a ser identificados como movimientos en masa), según se describe en INGEOMINAS-CVC- Escuela Colombiana de Ingeniería, 2001, comprenden una gran variedad y complejidad de movimientos ladera abajo de material geológico debidos a la fuerza de la gravedad. En un concepto amplio, se puede aceptar que los fenómenos de remoción en masa incluyen la pérdida de materiales por deslizamiento de taludes y por erosión de laderas. El término deslizamiento puede incluir movimientos en masa tan diferentes en su mecanismo como caída de rocas, flujo de lodos o subsidencia del terreno. En el caso de la erosión, existe un agente externo (agua, hielo, viento, variaciones térmicas, organismos vivos o el hombre) capaz de arrancar y transportar materiales de una ladera o de las bancas de un cauce. La Figura 1.1 ilustra diferentes tipos de movimientos en masa. Desprendimiento de bloques Hundimiento del suelo Deslizamiento circular Deslizamiento o flujo de barro y lodo Deslizamiento de ditritus o escombros Figura 1.1. Tipos de movimientos en masa. HEC La Figura 1.2 a) corresponde a una foto que ilustra la erosión marginal en una orilla del río Desbaratado y la Figura 1.2 b) muestra el mecanismo de falla de una ladera compuesta de suelo no cohesivo en la capa inferior y suelo cohesivo en la capa superior.

3 3 Cohesivo No cohesivo b) a) Figura 1.2 a) Erosión marginal, foto tomada en el río Desbaratado. b) Ejemplo de un tipo de falla de laderas. Lagasse, O. F., Schall J. D., Richardson, E. V. (2001). 1.2 Migración y divagación de un cauce La migración de un cauce se presenta especialmente en curvas unidas por tramos rectos que dan origen a los meandros, caracterizados por la capacidad de arrastre de sólidos, mayor en la parte externa en donde se origina erosión, que en la parte interna en donde existe depositación de sedimentos. La divagación de la corriente es el movimiento que ocurre eventualmente en el cauce principal dentro del plano de inundación propio de zonas bajas inundables y de piedemonte. Las corrientes son dinámicas por el desplazamiento permanente de las bancas, en tanto que las estructuras hidráulicas tienden a ser estáticas al fijar la corriente en un lugar, en tiempo y en espacio. Por ésto, la migración natural y la divagación pueden poner en peligro la estabilidad de obras civiles como viviendas, puentes, vías de comunicación y obras de control fluvial, por lo que estos procesos deben ser tenidos en cuenta en su diseño, construcción y mantenimiento. La Figura 1.2 a) ilustra con una foto el problema causado por la socavación debida a la migración lateral de la corriente que está afectando la población de Cantarito sobre el río Palo. En la Figura b) se esquematiza el movimiento de un cauce que originalmente seguía la línea sólida pero que por su movilidad tiende a ir incrementando la sinuosidad del meandro y cambiando el curso a la línea punteada. a) Figura 1.2 a) Tendencia a la migración lateral en tramos curvos, foto tomada en Cantarito, Río Palo. b) Esquema del movimiento de un meandro. Lagasse, O. F., Schall J. D., Richardson, E. V. (2001). b)

4 4 El transporte y la acumulación de sedimentos durante una crecida dependen de la duración de ésta y de la calidad y cantidad de sedimentos disponibles. Los riesgos directos sobrevienen cuando se llevan a cabo obras dentro del lecho del río o en las riberas adyacentes, que pueden ser parcial o totalmente dañadas. Los riesgos indirectos se relacionan con el incremento de la inestabilidad y movilidad del cauce a consecuencia de la descarga de sedimentos en el lecho y en la llanura baja de desbordes del río. En general, los factores que afectan la migración y la divagación de un cauce son: Geomorfología de la corriente Localización de las obras hidráulicas en la zona Características del flujo Características del material del lecho y las bancas Corte de meandros Otro problema se presenta cuando el flujo tiende a cortar el meandro lo cual puede ocurrir por procesos naturales o antrópicos. La inestabilidad del cauce significa cambios en la geometría, que ocurren para intentar restablecer condiciones de equilibrio que se pierden durante crecientes. En el terreno, ésto se refleja en un desplazamiento, captura o modificación de los meandros, que en algunos casos generan rectificación del cauce y aparición de madres viejas, que con el tiempo empiezan a ser utilizadas para diferentes fines como agrícolas, habitacionales, recreacionales, etc. Sin embargo, se debe tener en cuenta que en condiciones de crecida, el río puede reactivar cauces abandonados y modificar o remodelar su trazado, causando problemas si es que estas zonas han sido ocupadas, olvidando la gente lo que es la memoria del agua, al tender los ríos a recuperar sus antiguos cauces. Figura 1.3. Río Magdalena, Meandro Pinillos casi a punto del corte natural. Cortesía Lilian Posada. 1.3 Socavación a largo plazo y agradación La socavación del cauce a largo plazo se refiere a la tendencia a la degradación que el lecho presenta a lo largo del tiempo debido a causas externas, ya sean naturales o inducidas por el hombre, pero sin tenerse en cuenta eventos extremos o crecientes. Por no ser de naturaleza transitoria, o sea que no se presenta durante crecientes, la socavación a largo plazo se considera de tipo permanente. Algunos autores la llaman socavación general a largo plazo pues se manifiesta en grandes extensiones a lo largo del cauce. El fenómeno contrario es la agradación.

5 5 La elevación del lecho del cauce cambia a través del tiempo debido a causas naturales o artificiales como son: construcción de presas, corte natural o artificial de meandros, canalizaciones, cambios en el control aguas abajo (presas, formaciones rocosas, tributarios o confluencias), extracción de materiales, desviación de agua desde o hacia el cauce, movimientos naturales del cauce, modificaciones en el uso del suelo de la cuenca de drenaje (urbanización, deforestación, etc.). La Figura 1.4 a) esquematiza el efecto de la extracción de materiales de un cauce que produce discontinuidad y descenso del lecho, intersección de sedimentos provenientes de aguas arriba, aumento de la pendiente del cauce hacia aguas arriba al tratar de empatar el fondo del hueco dragado con el lecho original, disminución de la pendiente del cauce hacia aguas abajo al tratar de empatar el fondo del hueco dragado con el lecho original. Figura 1.4 b) es una foto correspondiente a la explotación de materiales que se realiza en el río Palo, hacia aguas arriba de la población de Guachené. a) b) Figura 1.4 a) Efecto de la extracción de sedimentos en un río. Martín V., J. P b) Extracción de sedimentos río Palo aguas arriba de Guachené. La degradación del cauce hace que el fondo se profundice, a lo que también se llama incisión. Este proceso puede llevar a cambios en el ancho de la sección transversal que usualmente se amplia en cauces aluviales, tal como se ilustra en la siguiente Figura 1.5.

6 6 1.4 Socavación general Figura 1.5. Evolución de los cauces incisados. Lagasse, O. F., Schall J. D., Richardson, E. V. (2001). La socavación general es el descenso generalizado del fondo del río como consecuencia de una mayor capacidad de la corriente para arrastrar y transportar sedimentos del lecho durante crecientes. Ocurre a todo lo largo del río y no necesariamente se debe a factores humanos como la construcción de un puente o de otra estructura. La socavación general difiere de la socavación a largo plazo, que es permanente, puesto que al ocurrir durante crecientes se considera de carácter transitorio o cíclico. El descenso del lecho puede ser uniforme o no uniforme a través de la sección transversal. El fenómeno es todavía poco conocido siendo lo único seguro las medidas de campo pues los métodos de cálculo son apenas una lejana representación del comportamiento físico que ocurre en la realidad. La socavación general es debida principalmente a la contracción del flujo ya sea en sentido vertical y horizontal, que ocasiona la remoción de material a través de todo o casi todo el ancho del cauce. La socavación general es causada principalmente por la disminución del ancho del flujo ya sea por causas naturales o artificiales (puentes) o por el cambio en el control aguas abajo de la elevación de la superficie del agua. La causa mas común de socavación por contracción es la reducción de la sección del flujo por los terraplenes de acceso a un puente y en menor grado por las pilas que bloquean parte de la sección recta. Diques para control de inundaciones o estructuras transversales como espolones construidos en el cauce, también son causantes de contracción lateral. La obstrucción es grande si las estructuras se proyectan hasta el cauce principal o si interceptan amplias zonas de inundación. La disminución en la sección mojada implica aumento de la velocidad media

7 7 del agua y del esfuerzo cortante. Por lo tanto, se presenta aumento en las fuerzas erosivas en la contracción ocasionando que la cantidad de material del lecho que es removido supere al que es transportado hacia el sitio. El aumento en velocidad produce el incremento en el transporte de material haciendo que el nivel del lecho descienda, que la sección mojada aumente, por lo que la velocidad y el esfuerzo cortante nuevamente disminuyen, haciendo que el equilibrio del río se vaya restableciendo con el tiempo. Esta situación de equilibrio se da cuando el material que es removido es igual al material que es transportado hasta el sitio en consideración. La Figura 1.6 a) ilustra el efecto de la contracción de un cauce debido a los estribos de un puente pues parte del agua, que sin puente pasaría por las laderas de inundación, con puente se concentra para pasar solo por su abertura. Este fenómeno se observa por ejemplo, en el puente sobre el río Desbaratado a la entrada de Incauca tal como se ilustra en la foto 1.6 b). Otras condiciones de socavación general resultan de las características relacionadas con la corriente (recta, meándrica o entrenzada), controles variables del flujo aguas abajo, flujo en codos, confluencias y otros cambios que causen degradación del cauce. a) b) Figura 1.6 a) Contracción debido a estribos que se proyectan dentro del cauce principal. HEC b) Foto del puente a la entrada de INCAUCA sobre el Río Desbaratado. Algunas condiciones que producen socavación general están asociadas con particularidades de la morfología del cauce como cauces trenzados que tendrán huecos de socavación mas profundos cuando dos cauces se unen aguas abajo de una isla. Otros factores que causan socavación por contracción son: Contracciones naturales de la corriente. Islas o barras de sedimentos en el puente, aguas arriba o aguas abajo. Acumulación de basuras o hielo. Crecimiento de vegetación en el cauce, en las bancas, o en la zona de inundación.

8 8 1.5 Socavación local La socavación local se refiere a la remoción del material que circunda pilas y estribos de un puente, o que se presenta aguas abajo de presas vertedoras y alcantarillas. Es causada por el cambio de dirección de las líneas de corriente, la turbulencia, la aceleración del flujo y los vórtices resultantes inducidos por la obstrucción al flujo Socavación local en pilas El mecanismo que produce la socavación local en pilas está asociado a la separación tridimensional del flujo en la cara aguas arriba de la pila y a un vórtice periódico al pie de ella tal como se ilustra en la Figura 1.7 a), (Dargahi, B. 1990). La acumulación de agua hacia aguas arriba de la obstrucción produce una especie de onda en la superficie y un flujo vertical hacia abajo que crea un fuerte gradiente de presiones lo que ocasiona separación del flujo, como consecuencia de lo cual se origina un sistema de vórtices al pie de la pila llamados vórtices de herradura que son los principales causantes de la socavación. Bajo la acción de los vórtices, el sedimento es transportado de manera rotacional. El flujo hacia abajo al frente de la pila actúa como un jet vertical que forma un surco para luego girar 180. El flujo hacia arriba combinado con los vórtices de herradura que se forman en la base de la pila remueve el material del lecho y si la tasa de transporte de sedimento desde la zona de obstrucción es mayor que el aporte de sedimentos proveniente de aguas arriba, se crea el hueco de socavación. El vórtice de herradura se extiende hacia aguas abajo de la pila hasta que pierde su identidad al confundirse con la turbulencia general del flujo. B. W. Melville (1983) describió los vórtices con su centro de bajas presiones como si fueran máquinas aspiradoras. El puente sobre el río Palo cerca de la población de Guachené, Figura 1.7 b), experimentó en el pasado problemas en su pila por socavación del cauce, posiblemente debido a un proceso combinado de socavación local y a largo plazo, actuando sobre una pila con cimentación superficial. a) b) Figura 1.7 a) Comportamiento del flujo en una pila cilíndrica. Raudkivi, A. J., b) Puente fallado por socavación en la pila, foto cortesía Ing. Jorge Molina R.

9 9 La separación del flujo a los lados de la pila crea otros vórtices más débiles, llamados vórtices de estela, que también se trasladan hacia abajo e interactúan con los vórtices de herradura haciendo que el lecho oscile lateral y verticalmente. La influencia de estos vórtices cesa rápidamente a medida que se alejan de la pila hacia aguas abajo. Por ésto, aguas abajo de la pila generalmente se presenta sedimentación, (Raudkivi, A. J., 1986). Indicio de la existencia de vórtices de estela es la presencia de material orgánico muy liviano que tiñe las aguas de color café. En la mayoría de los puentes, la socavación producida por los vórtices débiles es insignificante y en muchos casos no existe pues la tendencia general es que aguas abajo de la pila se deposite el sedimento removido por los vórtices de herradura. Sin embargo, puede llegar a ser de gran magnitud en cauces aluviales de arena fina con condiciones de agua clara y debe considerarse especialmente cuando un puente se construye inmediatamente aguas abajo de otro, (Stevens, M. A., Gasser, M. M. y B. A. M. S. Mohamed, 1991) Socavación local en estribos La socavación en estribos se ha investigado menos que en pilas pero se piensa que está afectada por los mismos fenómenos que causan la socavación local en pilas como son separación del flujo y vórtices de herradura que remueven partículas localmente. La socavación local se produce en los estribos que obstruyen el paso del agua. Esta obstrucción forma un vórtice de eje horizontal que empieza en la parte aguas arriba y corre a lo largo del pie de la estructura y un vórtice de eje vertical al final de la misma, tal como se ilustra en la Figura 1.8 a). El vórtice al pie del estribo es muy similar al vórtice de herradura de las pilas y el vórtice al final es similar a los vórtices de estela más débiles que se forman aguas abajo (Melville, B. W., 1992). a) b) Figura 1.8 a) Comportamiento del flujo en un estribo. b) Foto que muestra la socavación local en un estribo del Puente El Descanso, Río Guengué. Por ejemplo, este problema se ha presentado en un estribo del puente el Descanso sobre el río Guengué, Figura 1.8 b) Socavación local en estructuras hidráulicas

10 10 El agua al verter por encima de estructuras de rebose cae con una energía muy alta proporcional al desnivel del agua entre aguas arriba y aguas abajo teniendo gran poder erosivo. Igual ocurre con el agua que sale de alcantarillas y otras estructuras hidráulicas. La Figura 1.9 a) ilustra cómo aguas abajo de una presa se presenta degradación del cauce en tanto que aguas arriba la tendencia es a que haya agradación debido a la acumulación de materiales frente a la estructura. Esta situación posiblemente ha contribuido a la falla de una presa baja vertedora construida sobre el río Paila, tal como se muestra en la foto de la Figura 1.9 b). a) b) Figura 1.9 a) Cambios en el cauce debidos a la construcción de una presa. b)presa fallada, río Paila. 2. Agradación La agradación es el proceso que se presenta si el nivel del lecho del río se eleva o si las márgenes se desplazan hacia el interior del cauce y ocurre cuando hay exceso de sedimentos que la corriente no puede arrastrar. Este problema se presenta especialmente en el piedemonte en que las corrientes llegan con gran cantidad de material sólido proveniente de la degradación en la zona de montaña, que al llegar a zonas de bajas pendientes no pueden ser transportados quedando depositados. El principal problema que causa la agradación es la disminución de la sección hidráulica y de la capacidad de transporte de caudal en una corriente, lo que puede inducir o agravar el problema de inundaciones. Este problema se ilustra en las fotos Figura 2.1 a) y b); es muy común en la zona de piedemonde de los ríos en que existe una gran depositación de materiales que el cauce no puede arrastrar. Esto hace que el nivel del fondo se eleve y que el cauce al tratar de mantener su capacidad hidráulica, empiece a socavar las laderas, presentando procesos combinados de agradación del lecho y degradación de las orillas. Este problema se esquematiza en la Figura2.1 c).

11 11 a) b) b) Figura 2.1 Depósitos de sedimentos en barras e islas. a) Río Desbaratado, Colombia. b) Puente Jones, Guatemala. c) Agradación del cauce y ampliación de las orillas por erosión marginal, Lagasse, O. F., Schall J. D., Richardson, E. V. (2001). Se presenta también en la parte interna de los meandros en donde se forman barras punta. Otras evidencias de agradación son las islas y los procesos de orillares en que barras de sedimentos tienden a unirse con las orillas, Figuras 2.2 y 2.3. Figura 2.2. Barras intermedias y barras punta.

12 12 Figura 2.3. Cambio en la morfología del río debido a la captura de la isla por procesos de orillares. Cortesía Ing. Javier Valencia. 3. Inundación Es la acumulación de agua causada por: lluvias intensas sobre áreas planas; deficiencias de drenaje; desbordamiento de corrientes naturales; desbordamiento de ciénagas; avalanchas producidas por erupciones volcánicas, sismos, deslizamientos y formación de presas naturales; obstáculos al flujo por la construcción de obras civiles y sedimentación de cauces. Las inundaciones son parte de un proceso natural como respuesta a eventos climáticos de autorregulación del propio ciclo hidrológico. Estos eventos influencian con mayor fuerza la dinámica fluvial, sin embargo, cuando los asentamientos humanos no consideran los límites naturales necesarios para evacuar las crecientes, se crea por ende una susceptibilidad al evento, y la vulnerabilidad de los elementos expuestos debido a él es función de la capacidad de protección que desarrolle el asentamiento. Los valles aluviales están formados por depósitos de sedimentos transportados por corrientes superficiales. En épocas de lluvias y/o caudales altos, en ocasiones, la capacidad hidráulica del cauce llega a su límite (banca llena), el agua sobrepasa las bancas y discurre por la llanura de inundación, depositando los sedimentos transportados y conformando lentamente el valle aluvial. El tipo de cauce y las características geométricas de las secciones condicionan directamente la severidad de la creciente y la vulnerabilidad de las áreas ribereñas asociadas. De esta forma, secciones hidráulicas de ríos de montaña podrán contener mejor crecientes menos frecuentes, que un canal aluvial con llanuras y/o planicies de inundación. En ambos casos, la pendiente del cauce está relacionada con el tamaño de los materiales transportados, los cuales influencian la rugosidad del cauce; la rugosidad de las bancas y de las llanuras de inundación, se asocian a factores naturales y antrópicos afectando directamente la velocidad de propagación de la avenida. La 3.1 ilustra una creciente del río Molino en que el agua está a punto de sobrepasar las laderas.

13 13 Figura 3.1 Río Molino. Creciente de Controles al flujo Los ríos responden a las influencias hidrológicas, hidráulicas, geomorfológicas y antrópicas de diversas formas. Debido a las múltiples variables involucradas, son sistemas altamente dinámicos donde domina la variabilidad y la complejidad. Sin embargo, existen condiciones que controlan el flujo impidiendo su movimiento libre. Estos controles inducen la presentación o no de algunos de los procesos anteriormente descritos y pueden ser de cuatro tipos: a) Controles geológicos impuestos por la presencia de rocas o estratos resistentes al flujo. b) Controles estructurales como fallas y pliegues c) Controles naturales como lagos y océanos que definen el nivel base de un río controlando su avance de la juventud a la vejez. d) Controles antrópicos como presas, diques, espolones y en general, obras de control fluvial. La Figura 4.1 ilustra la degradación del cauce del río Cauca a lo largo de varios años y puntos en donde ha permanecido estable. Figura 4.1. Perfil longitudinal del río Cauca para varios años.

14 14 Los cambios en la forma del lecho requieren la mínima cantidad de energía y tiempo. El acorazamiento del lecho requerirá más tiempo y energía; si el acorazamiento no tiene lugar (debido a la distribución, tamaño y disponibilidad de sedimento), el siguiente proceso de ajuste será el cambio en el ancho del canal. El proceso posterior será el cambio en el patrón de alineamiento que requiere mayor gasto de energía y tiempo. Sin embargo, si las condiciones hidráulicas y topográficas o los controles impuestos (restricción del movimiento lateral mediante obras para estabilización de bancas, por ejemplo) no permiten el cambio, empezarán los ajustes o alteraciones del perfil del lecho; éste último generalmente demanda el mayor consumo de energía y tiempo de los procesos de ajuste. El siguiente proceso es el cambio en la hidrología y transporte de sedimento. Los controles físicos que promueven o restringen el movimiento lateral o vertical de un canal son los responsables de su forma y en consecuencia, de sus características sedimentológicas. Es posible que el sistema llegue a una condición de equilibrio dinámico sin necesidad de llevar a cabo todos los procesos de ajuste mencionados; también puede realizarse una combinación simultánea de varios ajustes. Es muy importante conocer la profundidad y características del estrato subaluvial y las formaciones geológicas que puedan estar controlando la pendiente, ya que ésta es una de las principales variables que determina la dinámica de los procesos del cauce. 5. Metodología para el análisis de un problema fluvial El estudio y análisis de un problema fluvial implica que se lleven a cabo las siguientes actividades: a. Identificación del problema b. Recopilación y análisis de información necesaria c. Realización visita de reconocimiento en campo d. Análisis geomorfológico de la cuenca de drenaje e. Análisis geomorfológico del cauce f. Análisis y diseño de las estructuras y acciones de protección y complementarias g. Análisis de las posibles respuestas del sistema fluvial. h. Construcción e implementación del proyecto. i. Monitoreo de la respuesta del sistema fluvial. a. Identificación del problema. Los problemas locales en una corriente fluvial son el resultado de las acciones sobre el sistema, aguas arriba o aguas abajo del sitio en cuestión y en una época que puede ser reciente o no. Los cambios en los volúmenes de agua y sedimentos que resultan de los usos del suelo y del subsuelo, de la derivación, adición ó almacenamiento de agua tienen su impacto en el río, impactos que pueden ser a corto, mediano y largo plazo. Los problemas de estabilidad pueden tener su origen en causas naturales o antrópicas, pueden resultar de desbordamientos o drenaje de las bancas, uso local de la tierra, agradación o degradación local del canal, controles geológicos, etc.

15 15 b. Recopilación y análisis de la información necesaria. El tamaño del proyecto y los beneficios esperados indicarán la extensión de la recolección de datos y su análisis; sin embargo, ningún proyecto debe empezar sin una inspección inicial del sitio, seguido de un análisis geomorfológico cualitativo a nivel de cuenca y de cauce y tan extenso en la medida que el proyecto lo permita y lo amerite. La recopilación de información incluye: Recopilación de la información secundaria disponible Cartografía base y mapas de uso de suelo para generación de mapas temáticos Información sobre aspectos geológicos y geomorfológicos Información hidrológica (registros disponibles, estaciones de precipitación, caudal, sedimentos, etc.) Historia del problemac. Realización visita de reconocimiento en campo. La visita de campo busca entre otras cosas: Identificar zonas de trabajo aptas para realizar los levantamientos topográficos. Definir los sitios representativos para hacer los aforos. Observar las formas del paisaje e identificar controles geológicos, estructurales, antrópicos. Identificar posibles causas y consecuencias del problema. Se deben recolectar todos los datos significativos que ayuden a solucionar el problema. Para ello, se debe conocer el sistema fluvial involucrado y entender el problema que necesita solución. Los datos básicos de campo deben incluir información de tipo geológico, geodésico, hidrológico y de sedimentos. Un análisis geomorfológico de todo el sistema le da la importancia adecuada a los parámetros en cada categoría; así, los datos geológicos esenciales son la resistencia erosiva, el método de falla y la distribución en la cuenca de cada unidad geológica. La correlación entre las características de la corriente y la geología dará una estimación del grado de modificación que ocurrirá en el canal y los trabajos de estabilización que se requerirán. d. Análisis geomorfológico de la cuenca de drenaje. Se busca identificar la causa y el origen del problema para poder encontrar las soluciones más viables. Para ello, se deben determinar los parámetros geomorfológicos más importantes; la forma de la cuenca y el modelo de la red de drenaje están estrechamente relacionados con la forma del hidrograma de caudales medios. El análisis geomorfológico busca: Determinar los parámetros geomorfológicos más importantes y el modelo de la red de drenaje para inferir la forma del hidrograma de caudales medios. Perfil altimétrico sirve para conocer la pendiente del cauce y determinar cambios bruscos que permitan identificar zonas de agradación o degradación. Un mapa de pendientes, superpuesto a un mapa geológico, permite determinar zonas de erosión potenciales o existentes. El mapa de usos del suelo permite identificar zonas más propensas a erosión para correlacionar esta información con la calidad y cantidad de los sedimentos en el cauce. Fotografías aéreas de diferentes períodos sirven para detectar evolución del cauce, controles de tipo geológico, ubicar zonas de almacenamiento en la llanura de inundación tales como ciénagas, pantanos, madreviejas; zonas de alto potencial erosivo. Identificar la causa y el origen del problema e. Análisis geomorfológico del cauce. Análisis del sistema para detectar medios alternos de detención o minimización del problema. Los problemas fluviales causados por transporte no uniforme de sedimentos se agrupan en una de las siguientes categorías:

16 16 Cuando la tasa de transporte es mayor que la tasa de equilibrio se puede presentar agradación aguas arriba, sedimentación en embalses y ríos, abanicos (llegada de afluentes), islas y barras, cambio en el patrón de alineamiento. Un cauce principal en agradación induce a que los tributarios estén sometidos también a este proceso. Cuando la tasa de transporte es menor que la tasa de equilibrio puede ocurrir degradación aguas abajo, socavación del lecho o de las bancas (agua clara tiene alto poder erosivo), degradación de afluentes. Un cauce principal en degradación induce a que los tributarios estén sometidos también a este proceso. La respuesta del río a la presencia de estructuras hidráulicas será diferente según la zona en donde se encuentren, tal como las describió por ejemplo Schumm y se vio en la Parte I sobre Geomorfología Fluvial. La acción del clima y el hombre en el régimen físico produce un régimen hidrológico que determina la tasa y modo del movimiento de agua y sedimentos dentro de los cauces de la cuenca. La pendiente del valle, la cantidad y tipo de sedimentos y el caudal son producto del régimen hidrológico y de la geología. La interacción de los parámetros hidrológicos produce el régimen fluvial; éstos interactúan para producir el régimen hidráulico, el cual es determinado por las características locales. El régimen hidráulico es la respuesta integrada de la historia completa del sistema fluvial. f. Análisis y diseño de las estructuras y acciones de protección y complementarias. Una vez analizada la cuenca de drenaje y el sistema fluvial completo, se tienen unas buenas bases para diseñar las estructuras de protección o estabilización que componen el proyecto. Con el conocimiento obtenido se pueden plantear diseños que minimicen el mantenimiento y que se ajusten a cambios anticipados en los volúmenes de agua y sedimento, para garantizar la estabilidad o permanencia de las estructuras. Es aconsejable dividir el río en tramos de propiedades geológicas similares y proponer criterios de diseño para cada tramo, ya que muy frecuentemente los puntos de división geológica coinciden con los puntos de interrupción de las variables geométricas. A pesar de los muchos parámetros que deberían ser considerados en un diseño específico existen algunos criterios generales que deberían tenerse en cuenta en el diseño de cualquier proyecto (Winkley, 1987): - Cuando se previene el movimiento lateral debe anticiparse el vertical, propiciando procesos de acorazamiento del lecho o con estructuras para control de pendiente. - La geometría controla la hidráulica. Las orillas y la estructura deberán estar alineadas con la corriente, tanto como sea posible. Las transiciones bruscas crean turbulencia que puede causar socavación excesiva y la falla de la estructura. Para diseños específicos, existen cuatro enfoques posibles (Winkley, 1987): - No intervenir. El río deberá recuperarse si la corriente no es muy dinámica. - Estabilizar sólo cuando una estructura hecha por el hombre esté en peligro. Se debe conocer perfectamente la dinámica del río para garantizar que el problema no se trasladará a otro sitio a causa de las obras de estabilización.

17 17 - Suministrar suficiente control estructural. Requiere mantenimiento continuo cuyos costos, especialmente en el caso de canales aluviales grandes, podrían hacer el proyecto poco atractivo y antieconómico, ya que se debe controlar la dinámica variable en el sistema completo. - Control geomorfológico en toda la cuenca. Especialmente recomendable en ríos grandes. Requiere menos controles estructurales y garantiza mantenimiento propio. El movimiento de sedimento es un proceso natural que no se puede interrumpir; puede solamente ser manejado hasta un mínimo controlable (o se depositan o se hacen mover con la corriente). La mejor manera de controlar sedimentos es controlar la erosión en las zonas de producción. Los sedimentos en un río son el resultado de la historia geológica de la cuenca de drenaje. No hay problema de río alguno que no tenga que ver con los sedimentos que lleva; de ellos, el 50% provienen del mismo canal y el otro 50% de la llanura de inundación y de las acciones antrópicas. La mitad de los sedimentos que lleva un río llegan a los océanos. g. Análisis de las posibles respuestas del sistema fluvial. Es necesario considerar las posibles respuestas del sistema ante el proyecto propuesto. Un análisis cualitativo de la respuesta del río a la construcción de una obra que interfiere con su uso natural, permite mejorar el estimativo que se tiene de las condiciones futuras del canal aunque no se evalúen cuantitativamente. Un canal bien diseñado tiende a buscar un mantenimiento propio y permite que las crecientes y los sedimentos asociados se muevan a través del cauce con un mínimo de problemas de mantenimiento. No hay diseño infalible. Siempre existe la posibilidad de que un evento intente destruir cualquier estructura en el río. Las relaciones propuestas por Lane (1955) y Schumm (1969), que se verán mas adelante, permiten conocer cómo responden los parámetros geométricos e hidráulicos. h. Construcción e implementación del proyecto. Durante la construcción de la obra proyectada, cualquier retraso puede anular la efectividad de las medidas de estabilización. Las etapas de construcción deben planificarse teniendo en cuenta la hidrología y aprovechando las épocas de estiaje. Una interrupción prolongada en los procesos constructivos puede dar lugar a que se agrave el problema y a la pérdida de gran parte de la obra encareciendo así los costos estimados. i. Monitoreo de la respuesta del sistema. Cualquier estructura requiere observación permanente durante la primera fase después de la construcción. Si se realiza un monitoreo de la obra y su incidencia en las condiciones del río, se pueden remediar pequeñas fallas de la estructura antes de que la obra entera llegue a perderse. Aún en etapas posteriores se debe chequear periódicamente el funcionamiento de las estructuras y realizar las actividades de mantenimiento requeridas, en especial después eventos extraordinarios y de períodos de crecidas y de sequías, hasta que el sistema alcance el equilibrio. Las características geométricas importantes deben evaluarse en varias secciones a través del río (relación ancho/profundidad, ángulo entre aguas altas y aguas bajas en los cauces, profundidad, ancho) y evaluar estadísticamente la frecuencia de los parámetros. No se puede eliminar el problema de mantenimiento; éste será menor mientras más se acerquen las características geométricas a los datos estadísticos. Todo el diseño se reduce a una buena geometría para lograr un mantenimiento mínimo.

18 18 6. Evaluación de la estabilidad de un cauce En este numeral se incluyen algunos conceptos básicos para identificar problemas de inestabilidad de cauces que pueden afectar a estructuras a construirse o ya construidas sobre una corriente fluvial. Su alcance es preliminar y no desarrolla exhaustivamente el tema para lo que debe recurrirse a referencias como HEC-20, 2001, o Richardson E. V., Simons D. B. y Julien P. Y. (1990). Los efectos típicos asociados con cambios en la elevación del lecho al construirse una estructura hidráulica en un río son la degradación y la agradación del cauce. Un cauce estable no cambia de tamaño, forma o posición con el tiempo, pero los cauces aluviales tienden a ser inestables. Desde el punto de vista del interés del ingeniero practicante, un cauce se considera inestable si la rata o la magnitud del cambio es suficientemente grande que puede afectar la localización, el diseño y el mantenimiento de una estructura. Si se trata por ejemplo de construir un puente en un cauce, los factores estructurales a considerar son: localización, orientación, diseño, longitud, número de luces, localización de las pilas y estribos, elevación de la superestructura y medidas de protección. Los factores hidráulicos involucrados en la estabilidad del cauce son numerosos e incluyen magnitud y frecuencia de las crecientes, velocidades del flujo, niveles del agua, formas de lecho, transporte de sedimentos, resistencia al flujo, tipo de flujo, basuras y cuerpos flotantes, contracciones al flujo. Los factores geomorfológicos que afectan potencialmente la estabilidad de la corriente se resumieron en la Parte I (Geomorfología Fluvial) y sirven para hacer una caracterización de la corriente apoyándose en fotografías aéreas y en visitas al sitio. Estos factores incluyen: tamaño de la corriente, régimen del flujo, material del fondo del cauce, topografía del valle, planicies de inundación, sinuosidad, trenzamiento, ramificación, variabilidad del ancho, encajonamiento, erosión de las orillas, material de las márgenes, laderas del cauce y vegetación. Ejemplos de factores externos ajenos a una estructura que alteran el cauce, inducidos o no por el hombre, y tal como se verá mas adelante, son: presas y embalses, dragados, canalizaciones, corte de meandros, confluencias y bifurcaciones de cauces, cambios en el uso del suelo, entre otros. Causas naturales comprenden terremotos, actividades volcánicas, cambios climáticos, fuego y erosión del fondo y bancas del cauce. Todo estudio inicia con la recolección de información existente y reconocimiento de la zona buscando identificar el problema, evaluar la estabilidad del sistema fluvial y su comportamiento futuro. Las técnicas de evaluación son cualitativas y cuantitativas y su uso dependerá del nivel de análisis necesario según sea la complejidad del cauce en que se va a construir una estructura o en el que ya está construida. En general, el procedimiento para analizar la estabilidad de un cauce consta de tres niveles, (Lagasse, O. F., Schall J. D., Richardson, E. V. (2001). Nivel 1: Aplicación de conceptos geomorfológicos sencillos y otros análisis cualitativos basándose en mapas, fotografías aéreas, fotografías, reportes históricos del cauce, actividades del hombre y cambios hidrológicos e hidráulicos, Figura 6.1. Nivel 2: Aplicación de conceptos básicos de hidrología, hidráulica y transporte de sedimentos para lo que se requiere básicamente de información sobre caudal dominante, curvas de duración de caudales, curvas de frecuencia de caudales, secciones transversales, coeficientes

19 19 de rugosidad del cauce y las bancas, alineamiento del cauce y toda la información necesaria para calcular perfiles de flujo. El análisis del transporte de sedimentos requiere información sobre el uso del suelo, tipos y propiedades de los suelos (tamaño, forma, velocidad de caída, cohesión, densidad y ángulo de reposo), condiciones geológicas y tasas de transporte de sedimentos, Figura 6.2. Nivel 3: Aplicación de modelaje físico y matemático. Para su ejecución se requiere de la misma información del Nivel 2 pero típicamente en mayor detalle para usar modelos computacionales como el HEC-6 o construir modelos físicos. Los siguientes diagramas de flujo ilustran el procedimiento general a aplicarse.

20 1. Determinación de las características del cauce Identificación de cambios en el uso del suelo 3. Análisis de la estabilidad general del cauce incluyendo existencia de abanicos fluviales, presas y embalses, formas del cauce, derivaciones, tamaño del sedimento REALICE ANÁLISIS NIVEL 2 SI 4. Análisis de la estabilidad lateral del cauce incluyendo erosión de las márgenes y migración de meandros Inestable Estable 5. Análisis de la estabilidad vertical del cauce incluyendo degradación y agradación Inestable SE NECESITA UN ANÁLISIS MÁS DETALLADO? Estable 6. Análisis de la respuesta de la corriente considerando impactos presentes o anteriores y relaciones simplificadas como las de Lane: QS Q s D 50 Posible inestabilidad NO Estable FIN DE LA EVALUACIÓN Figura 6.1. Pasos de un análisis geomórfico cualitativo, Nivel 1. Lagasse, O. F., Schall J. D., Richardson, E. V. (2001).

21 PARTE III. 1. PROCESOS Estudio del FLUVIALES historial de crecientes y comportamiento hidrológico Estudio de las condiciones hidráulicas como velocidad y niveles del agua para caudales de creciente con ayuda de programas como el HEC- RAS 3. Análisis de los materiales del lecho y del cauce REALICE ANÁLISIS NIVEL 3 SI 4.Evaluación de la carga de sedimentos de la cuenca de drenaje Carga cambiante Carga constante 5. Análisis del movimiento incipiente de sedimentos Cauce estable Cauce inestable SE NECESITA UN 6. Evaluación del potencial de acorazamiento Acorazamiento No hay potencial de acorazamiento ANÁLISIS MÁS DETALLADO? 7. Evaluación de cambios en la curva de calibración a través del tiempo Elevación constante Elevación del lecho variable 8. Evaluación de las condiciones de socavación: general por contracción u otros factores, local, a largo plazo y por migración lateral de la corriente Alto potencial de socavación NO Sin socavación DISEÑO DE LA ESTRUCTURA, MEDIDAS DE CONTROL O RECUPERACIÓN DEL CAUCE Figura 6.2. Pasos de un análisis básico, Nivel 2. Lagasse, O. F., Schall J. D., Richardson, E. V. (2001).

22 22 7. Evaluación de la degradación y agradación a largo plazo La socavación del cauce a largo plazo se refiere a la tendencia a la degradación que el lecho presenta a lo largo del tiempo debido a causas externas, ya sean naturales o inducidas por el hombre, pero sin tenerse en cuenta eventos extremos o crecientes. La socavación a largo plazo se considera de tipo permanente, o sea que no es transitoria ya que no depende de la ocurrencia de un evento extremo como una creciente. Si las acciones son antiguas y el proceso está en curso, pueden existir signos de los cambios y también es posible que existan reportes de inspecciones previas que den información sobre la magnitud y progreso de la socavación. Información real de campo siempre es más valiosa que cualquier tipo de estimación o simulación. Si la degradación del cauce por ejemplo, es causada por la construcción de una presa, el proceso de erosión es progresivo hacia aguas abajo, lento y asintótico en el tiempo; pero si es causada por el corte súbito de un meandro, la erosión es progresiva hacia aguas abajo y regresiva hacia aguas arriba y puede ser bastante mas rápida que la erosión progresiva porque empieza con pendientes mayores, (Figuras 7.1 a) y 7.1 b). El efecto se puede sentir a lo largo de varios kilómetros, alcanzar varios metros de profundidad y en tiempo variable. Punto fijo Figura 7.1. a) Erosión progresiva. b) Erosión regresiva. Martín V., J. P Entre las causas de socavación a largo plazo se considera que una de las más graves y frecuentes es la extracción de materiales de un cauce. Una extracción de materiales en gran magnitud y duración, significa la interrupción casi total del transporte sólido hacia aguas abajo (erosión progresiva) y un descenso brusco del fondo hacia aguas arriba (erosión regresiva), Figura 7.2. Otra causa es el encausamiento de una corriente que causa erosión regresiva hacia aguas arriba y progresiva hacia aguas abajo, Figura 7.3. Figura 7.2. Efecto de la extracción de sedimentos en un río. Martín V., J. P

23 23 Figura 7.3. Efecto de un encauzamiento para suprimir curvas. Martín V., J. P La evaluación de la socavación a largo plazo puede ser cualitativa o cuantitativa dependiendo del tipo de información que se tenga. 7.1 Evaluación cualitativa Estudios cualitativos (Nivel 1) se pueden realizar para evaluar el comportamiento de un cauce cuando no se tiene información suficiente ni precisa desde el punto de vista hidrológico, hidráulico y geomórfico. Un análisis cuantitativo de la respuesta de un río se puede lograr sólo si todos los datos requeridos son conocidos con suficiente precisión. Generalmente, los datos requeridos no son suficientes, por lo cual hay que recurrir a las ecuaciones empíricas disponibles en la literatura técnica para estimar la respuesta. La respuesta de un canal y el gradiente longitudinal pueden predecirse, en términos generales en cuanto a los cambios geomorfológicos producidos por las variaciones del caudal de agua y sedimentos, con base en las investigaciones realizadas por Lane (1955), Leopold y Maddock (1953), Schumm (1971), Simons (1972) y otros. Dichos estudios conducen a las siguientes relaciones útiles, entre otras: - "La profundidad del flujo, h, es directamente proporcional a la descarga líquida Q, para una sección dada". - "El ancho del canal B, es directamente proporcional a la descarga de agua y sedimentos" - "La forma del canal, expresada por la relación B/h, está directamente relacionada con la descarga de sedimentos Q s ". - "La pendiente del canal, S, es inversamente proporcional al caudal líquido Q y directamente proporcional al caudal sólido, Q s y al tamaño de los granos D 50 ". - "El transporte de material, Q s está directamente relacionado con potencia del flujo, τ o V, y con la concentración de sedimentos finos, C f, e inversamente relacionado con el diámetro medio de los granos, D 50 "(Simons, 1975).

24 Relación de Lane Para analizar cualitativamente las respuestas de un río se usan relaciones simplificadas como la propuesta por Lane (1955) quien estudió los cambios en la morfología de la corriente causados por modificaciones del caudal líquido o sólido. Lane estableció que el producto de la descarga líquida Q y la pendiente S es proporcional al producto de la capacidad del cauce, S b y el tamaño medio de los granos, D 50, según la siguiente relación: QS S b D Q S S b D 50 = caudal líquido = pendiente = caudal sólido = diámetro medio del sedimento En la relación de Lane se asume que el cauce responde a cambios de caudal o suministro de sedimentos y se mueve de una forma de equilibrio a otra, ya sea cambiando de pendiente o de tamaño del material. Un desequilibrio puede causar erosión y ésta desarrollarse en el sentido de disminuir la pendiente si se mantiene un punto de control aguas abajo y a la inversa. Nivel base o punto de control Figura 7.4. Basculamiento del fondo del cauce. 1) Erosión. 2) Sedimentación. Martín V., J. P Por ejemplo, si el caudal y el tamaño del sedimento permanecen constantes, un aumento del caudal sólido (S b + ) lleva como consecuencia un incremento en la pendiente (S + ) para conservar el balance geomórfico propuesto por Lane; por lo tanto, habrá sedimentación Q S Sb D Algunos ejemplos de evaluación cualitativa se dan a continuación. a. Respuesta del río a la construcción de una presa Figura 7.5. Cambios en el canal debidos a la construcción de una presa.

25 25 Aguas arriba de la presa, en el embalse, se presentará depositación, por tanto, el lecho se agradará. El agua que sale del embalse estará libre de sedimento, por lo cual se presentará una reducción en S s. Asumiendo que el caudal sea el mismo (aguas abajo se garantiza el mismo caudal del río) y que el diámetro medio permanece constante, entonces la pendiente S debe disminuir aguas abajo para equilibrar la proporcionalidad. Q 0 S - S - b D Si además, el caudal que pasa hacia aguas abajo fuera menor, la situación implicaría una reducción del tamaño del material transportado. Q S - S - b D "El gradiente original (línea CA) entre la presa y algún control geológico aguas abajo se reducirá al gradiente C'A, como producto de una degradación gradual. Si el embalse tiene muy poca capacidad de almacenamiento puede inducir socavación y posteriormente depositación (una vez se colmate) en un período relativamente corto (cuando el sedimento no sea retenido más en el embalse)", (Simons, 1977). Cambios aguas arriba ocasionados, esencialmente por el ascenso del lecho: - Disminución de la pendiente y velocidad que originan agradación en el canal, el cual actúa como control o nivel base para los afluentes aguas arriba. - Reducción de las zonas de almacenamiento del canal aguas arriba, lo cual propicia más vulnerabilidad para las inundaciones, alteración de cultivos por ascenso del nivel freático, pérdida de capacidad de los cauces. - Agradación en los afluentes (en la zona de influencia) debido a que la pendiente del lecho de los afluentes también se reduce. Cambios aguas abajo de la presa, debidos al descenso del nivel del lecho: - Se presenta inicialmente, degradación en el canal desde la presa hasta un punto de control aguas abajo (algún control geológico, por ejemplo) y también degradación en los afluentes que drenan aguas abajo de la presa. - Las zonas de almacenamiento aumentan modificando la hidrógrafa de crecidas. - Posibles cambios en el patrón de alineamiento, en la estabilidad de las bancas y posible falla por socavación al volverse las bancas más inestables. En el caso de la construcción de una presa, el escenario mas probable es que tanto el caudal líquido como el sólido disminuyan y es posible que el tamaño del sedimento aguas abajo aumente debido a acorazamiento o aporte de sedimentos de un tributario. En este caso la respuesta sobre la pendiente dependerá de la magnitud de los cambios en las otras variables.