encauzamiento de cauces fluviales mediante geosintéticos de

ENCAUZAMIENTO DE CAUCES FLUVIALES MEDIANTE GEOSINTÉTICOS DE
REVESTIMIENTO SEMBRADOS
SANTIAGO JUEZ CARRASCO, MIGUEL ROSET RAMOS Y JAVIER AINCHIL LAVÍN
FCC Construcción, S.A.
RESUMEN
La deseada integración de las soluciones constructivas en el medio ambiente y los recientes avances tecnológicos
hacen posible hoy en día ejecutar soluciones menos agresivas en obras de encauzamientos, que permiten incluso la
creación de mantos vegetales de renaturalización y recuperación, así como de posible protección contra la erosión
hidráulica. Al efecto se analizan con detalle experiencias en cauces de la cuenca inferior del río Llobregat donde se
han aplicado con éxito estas técnicas en refuerzos de manto a base de goesintéticos.
Las soluciones consideradas incluyen por un lado las denominadas geoesteras pesadas rellenas de gravilla tratada
con betún, donde el material granular aporta protección suficiente en el lapso en el que la vegetación no se
encontrara totalmente desarrollada. La otra solución que se ha aplicado es la geoestera compuesta por fibra de coco
aleatoria y red de polipropileno, donde la fibra de coco permanece cuando es más preciso, o sea en las primeras
edades, y se va degradando a medida que se desarrolla el pasto. También se analizan otras alternativas de la misma
familia que finalmente fueron descartadas.
Estos sistemas han sido ejecutados y funcionan adecuadamente, constituyendo una alternativa satisfactoria a los
tradicionales basados en gaviones, escolleras o mantos de rip-rap.
PROTECCIÓN DE TALUDES FRENTE A LA ACCIÓN DEL AGUA MEDIANTE
COBERTURAS DE PASTO
Es creciente la sensibilización medioambiental y por ello, el campo de la restauración fluvial en
entornos urbano, periurbano o rural (renaturalización) es cada vez más importante. En el caso de
un encauzamiento se trata de resolver tanto un problema de protección de márgenes frente a
avenidas, como que se obtenga un valor añadido de índole medioambiental con el uso de
vegetación para la defensa de las márgenes.
Si el terreno natural que conforma el cauce de un río no es suficientemente competente para
soportar el efecto de una avenida que lo alcance, el agua producirá erosiones que irán arrastrando
material hacia aguas-abajo, deteriorando las márgenes y provocando pérdida de suelo.
En el caso por ejemplo de un nuevo cauce surgido del desvío de un río, nuevas motas terraplenadas
y nuevo terreno natural van a verse sometidos a tensiones hidráulicas a las que no se habían
enfrentado antes (se entiende que hablamos de un entorno geológico actual). Esto obliga a calcular
con rigor las tensiones hidráulicas actuantes y a diseñar las protecciones con exquisito cuidado.
1
En este campo de las obras de defensa, sólo últimamente se han desarrollado métodos alternativos
a los tradicionales basados en gaviones, escollera o mantos de rip-rap.
En los años ochenta y sobre todo los noventa del siglo pasado, el avance en el estudio de
protección de márgenes con vegetación y en concreto con mantos de pasto ha sido espectacular. Se
ha estudiado el comportamiento frente a acciones hidráulicas de especies diferentes de pasto,
crecidas en distintas calidades de substrato. Gracias a ello, hoy conocemos razonablemente bien las
relaciones existentes entre resistencia, desarrollo y carga hidráulica que pueden soportar distintas
especies de plantas.
En concreto, hoy se puede afirmar que para velocidades tangenciales de agua inferiores a 2 m/s no
existe erosión en márgenes protegidas por mantos de pasto bien desarrollado.
No obstante, merece la pena extenderse algo más en esto para intentar comprender mejor esta
tipología de protección:
•
El turf y el sward
La parte aérea de la planta (sward) soporta la corriente durante un tiempo limitado. Es el conjunto
suelo más raíces (turf) el que aguanta largos periodos. La corriente va erosionando progresiva y
uniformemente el turf hasta que alcanza el estrato de suelo no trabado por las raíces. Es entonces
cuando se producen erosiones concentradas en la margen, que se manifiestan en forma de agujeros
erráticos en la superficie, con erosiones locales importantes.
La comprensión de este fenómeno ha sido quizá el avance conceptual más importante en este
campo, ya que los primeros modelos atribuían al sward la resistencia del manto (resistencia de la
planta a ser arrancada).
El comportamiento físico del turf difiere de aquel del suelo original y su formación se prolonga
durante años. Es una estructura de pequeños agregados laminares de arcilla unidos por material
viscoso y raíces. El material viscoso es resultado de la acción de gusanos, larvas y fauna
microscópica en general y, sobre todo, resultado del proceso nutrición-penetración de humedad de
las propias raíces.
Estructuralmente, el turf no se desmorona con la saturación sino que se vuelve blando, pudiendo
ser dañado con facilidad por simples pisadas, por ejemplo.
En definitiva puede afirmarse que la capacidad de un manto de pasto para proteger contra la
erosión una margen depende del grado de desarrollo y calidad de su turf.
No obstante, su éxito depende en gran medida de su mantenimiento. De acuerdo con la experiencia
acumulada, el sward debe cortarse una o dos veces al año y no fertilizarse (o muy poco). Así, se
desarrollará la especie de manera adecuada a esta situación (escasa nutrición y humedad) que dará
como resultado una amplia y densa red de raíces.
El proceso descrito debe estar completado en 3 ó 5 años, aunque hasta pasados 15-30 años no se
estabiliza por especies la colonización. Durante los dos primeros, el manto es susceptible de ser
erosionado.
Abundando en el mantenimiento, es necesario indicar que no es compatible un manto de pasto
como protección y como productor de forraje, debido a la fertilización necesaria para el segundo
2
fin (lo cual no es incompatible con la retirada del sward se haga mediante el pastoreo en vez de
mediante siega).
De hecho, no es grave que eventualmente aparezcan zonas sin sward (calvas) a causa de la escasez
de humedad y fertilizantes, siempre que el turf esté intacto.
•
El suelo
El terreno natural o el material compactado para formar una mota o dique de protección pierden
parte de su resistencia superficialmente debido a la intemperie. Por otra parte el turf desarrollado
tiene más resistencia que el terreno (natural o mota). De esto se deduce que el momento más
precario no es el inmediatamente posterior al retaluzado de un cauce o terraplenado de una mota,
sino algún tiempo después, cuando la intemperie haya alterado la superficie, pero antes de que se
haya desarrollado el turf.
Es adecuado señalar que, si es posible, en los 25 centímetros superiores de las motas es
conveniente aumentar la cantidad de arena del terraplén ya que ello favorece una mayor rapidez en
el crecimiento y una mayor profundidad del entramado de raíces.
De acuerdo con todo lo anterior, está claro que un manto bien desarrollado de pasto es un eficaz
medio de proteger las márgenes frente a la erosión.
Pero, a diferencia de elementos de protección más tradicionales como gaviones o escollera, que no
necesitan ningún mantenimiento, los mantos de pasto necesitan ser cuidados (no mucho) para
cumplir su función.
MATERIALES Y SISTEMAS DE CONTROL DE LA EROSIÓN
Como apoyo para las actuaciones en entornos fluviales (bien se trate de obras de defensa, de
restauración fluvial, de regeneración, etc.) se han desarrollado numerosas experiencias con
productos de lo más variado y con éxito diverso.
En cualquier caso, siempre ha existido una manera de pensar común que se ha convertido en
tendencia, que se traduce en el principio que cualquier interacción con un medio natural tan
sensible como las riberas ha de realizarse cuidadosamente, procurando que los materiales
empleados para dar solución a los problemas existentes no sean excesivamente agresivos ni
totalmente ajenos al propio entorno.
Así, las actuaciones más recientes tienden al uso de materiales reciclados y biodegradables, sin
demasiada manufactura a ser posible y siempre que sean viables técnica y económicamente.
Ha proliferado el uso de paja, telas de cáñamo, madera de desbroce en rollos, y otros análogos en
combinación con geotextiles naturales o artificiales para los más variados usos. De todas formas,
también parece consolidarse una idea: el uso de elementos biodegradables es más indicado para
actuaciones en las que su función sea temporal (obras de carácter provisional por ejemplo) ya que
están destinados a desaparecer.
3
COBERTURAS DE PASTO REFORZADAS
Si nos centramos en actuaciones fluviales de control de erosión mediante coberturas de pasto,
surge de inmediato una idea:
Sabemos que el manto de pasto necesita ayuda externa para poder cumplir su misión, al menos
durante los dos o tres primeros años, ya que hasta esa edad no se encuentra totalmente
desarrollado. Además existen casos en los que –aún con el manto desarrollado completamente- las
tensiones de arrastre sean demasiado grandes para confiar sólo en el turf natural.
En ambos casos pudiera encomendarse esta resistencia extra a alguno de los productos apuntados.
Varias son las posibilidades, todas ellas basadas en un principio: el producto lo que hace es
conseguir al final que el turf resultante sea más denso, profundo y eficaz una vez desarrollado y
que durante el periodo transitorio para su desarrollo (los citados dos o tres años) proporcione cierta
resistencia inicial a la erosión.
En primer lugar se trata por tanto de determinar si será necesario sólo un refuerzo en las etapas
iniciales de crecimiento o si por el contrario dicho refuerzo ha de ser permanente. Esto es
importante porque si la necesidad de protección es sólo temporal pueden usarse materiales
biodegradables, mientras que si la necesidad es permanente deben usarse materiales sintéticos o
una combinación de sintéticos y biodegradables.
En general puede afirmarse:
•
Los productos sintéticos son más resistentes y duraderos y por tanto más adecuados para
tensiones de arrastre elevadas donde el manto no sea capaz de impedir la erosión por sí solo.
•
Los productos biodegradables son más respetuosos e incorporan un valor añadido
medioambiental superior. Son más indicados en obras provisionales o en obras definitivas con
cargas erosionantes resistibles por un turf desarrollado.
•
Los geocompuestos mixtos, formados por fibras naturales reforzadas con fibras sintéticas
suponen una solución de compromiso entre las anteriores.
Independientemente de la clasificación anterior, unos y otros geocompuestos pueden o no tener
una capa de geotextil. La presencia de dicha capa presenta ventajas e inconvenientes; impiden la
pérdida de finos por bombeo o pumping pero dificultan la penetración de las raíces en la margen
del cauce.
Al respecto, cabe decir que, aunque ha habido (y hay) experimentos al respecto, el estudio de la
penetrabilidad de los geotextiles por las plantas está en un estado incipiente, no se han
estandarizado los ensayos apenas existen resultados fiables. No obstante, puede decirse que el
número de penetraciones por m2 depende del peso/m2 en los geotextiles tejidos, mientras que el
tamaño del poro es el parámetro determinante en los geotextiles no-tejidos.
En cualquier caso parece que el número de penetraciones no es tan alto como podría esperarse.
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ENCAUZAMIENTO DEL RÍO LLOBREGAT EN SU TRAMO FINAL
El caso que nos ocupa corresponde a un cauce nuevo que se construye para desviar el río Llobregat
en su tramo final entre el puente de Mercabarna y el mar, posibilitándose de esta manera la
ampliación del Puerto de Barcelona. Es decir que las aguas son desviadas a un cauce nuevo que es
excavado en terrenos que anteriormente eran campos de cultivo y delimitado por dos familias de
motas, las correspondientes a aguas bajas y aguas altas.
Del estudio tensional realizado en la redacción del proyecto constructivo, se pueden extraer las
siguientes consideraciones referentes al talud de aguas altas:
1. El estudio se ha basado en los resultados obtenidos para las secciones en las que se ha
considerado distribución transversal de velocidades en el talud y que figuran en la tabla
correspondiente del final del anexo específico
2. Las tensiones adoptadas corresponden los valores pésimos en cada sección, es decir, a los
correspondientes a la parte inferior del talud.
3. Las tensiones de arrastre que se adoptan son las siguientes:
Tramo
Tensión de
diseño
(N/m2)
Q=4000m3/s
Tensión de
comprobació
n (N/m2)
Q=4980 m3/s
Desde puente
Mb hasta desembocadura
40
50
4. De acuerdo con el “Pliego General de Obras Hidráulicas” del M.O.P.T., son válidos
revestimientos a base de geomalla tridimensional si las velocidades no exceden los 2 m/s
(P.G.O.H., tomo 4.VI, “Obras Fluviales”, cap.46, pg.140). Es nuestro caso las velocidades son de
1.63 m/s aguas abajo del puente de Mercabarna y de 1.04 m/s junto a la desembocadura.
A la vista de los valores de tensión de arrastre y velocidad, puede decirse que no son
excesivamente elevados y sea cual sea la solución que se adopte no va a ser excesivamente
comprometida.
Podríamos pensar en los siguientes tipos de refuerzo del manto:
•
Geoestera 3D de malla de polipropileno o nylon aleatoria con grava trabada.
Debido a su peso (20 kg/m2) aporta buena protección desde el primer día. No tiene materia
orgánica, por lo que no es biodegradable y por tanto supone un refuerzo a la vegetación durante
mucho tiempo. Ejemplo comercial: ENKAMAT A20 de COLBOND
•
Geoestera 3D de malla de polipropileno o nylon aleatoria.
A largo plazo aporta similar protección que la anterior (quizá algo menor) porque el conjunto
raíces más geoestera más suelo es el mismo en ambos casos, pero a corto plazo su
comportamiento es lógicamente peor por la falta de trabazón del suelo incorporado durante la
colocación. Al ponerlo en servicio se corre el riesgo de que una avenida dañe la margen. No
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obstante, en ocasiones es un riesgo asumible (por ejemplo cuanto se coloca en el cauce de
aguas altas de los ríos, ya que la probabilidad de que en 2-3 años -tiempo de generación del
turf- se presente una avenida que lo dañe es bajo). Ejemplo comercial: ENKAMAT 7020 de
COLBOND
•
Geoestera compuesta por fibra de coco aleatoria y red de polipropileno o nylon.
A largo plazo, una vez degradada la fibra de coco, sigue aportando trabazón al turf gracias a la
presencia de fibras sintéticas.
A corto plazo ofrece mayor resistencia que las geoesteras de fibra sintética sin lastrar pero
menos que las de fibra sintética lastrada. Además aportan una ventaja: la fibra de coco tiene
gran capacidad para retener el agua y eso ayuda en el crecimiento del pasto, colonizándose con
más facilidad la margen a proteger.
Puede decirse que la fibra de coco permanece cuando es necesaria (en los primeros años) y se
va degradando a medida que va dejando de serlo (a medida que se desarrolla el pasto). Gran
idea. Ejemplo comercial: C-350 de North American Green.
A modo de resumen podríamos decir que a corto plazo las geoesteras sintéticas con grava ofrecen
la mejor protección, sobre todo por su peso. El peor comportamiento correspondería a las
geoesteras sintéticas si grava trabada, en las que se erosionaría sin dificultad el suelo.
A largo plazo, las geoesteras sintéticas serían las de mejor refuerzo ya que en ellas el entramado
sintético es más denso que en las geoesteras compuestas con fibra natural.
En cualquier caso, cabe hacer algunas reflexiones:
1. Este encauzamiento es particular por cuanto se trata de excavar un nuevo cauce y no de
proteger un cauce existente, de manera que hasta que no se ponga en servicio no existirá
peligro de que una avenida dañe los mantos en fase todavía en inmadura.
2. Aún cuando se tratase de márgenes ya existentes, es bastante improbable que se presente en los
2-3 primeros una avenida con 2000 m3/s de caudal punta, valor con el que se superaría el talud
de aguas altas (ver anexo).
3. En cualquier caso, la acción hidráulica no es grande (comparada por ejemplo con las de un
cauce más joven). Las velocidades y tensiones no son excesivas y cualquiera de las soluciones
descritas es técnicamente viable.
De cara a definir la solución finalmente adoptada, se estudia el tratamiento de control de la
erosión de los márgenes del río con una solución “blanda” de control de la erosión a base de una
malla de geoestera tridimensional tipo Enkamat. Este material permite el crecimiento de la
vegetación incrementando su efectividad en la función de control de la erosión.
Tal como se ha insinuado anteriormente, el empleo con éxito de este tipo de sistemas para
protección de cauces depende de diversos factores como:
-
Cargas Hidráulicas: velocidad del agua; oleaje; nivel del agua.
Aspectos Geotécnicos: dimensiones y estabilidad de los taludes.
Crecimiento de la Vegetación: suelos; condiciones climáticas, tipos de plantas.
Otras: instalación; impacto ambiental; durabilidad; mantenimiento.
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Como ya se ha indicado anteriormente, la velocidad crítica (a partir de la cual se produce el
movimiento de las partículas o la erosión), depende del tipo de terreno, la geometría del talud, el
tiempo de exposición del margen a dicha velocidad y sobre todo de la densidad y crecimiento de
la vegetación existente.
Por ello, para determinar el tipo de Enkamat adecuado, se deberán tener en cuenta todos los
aspectos mencionados anteriormente en el momento en el que se produce la avenida y el margen
se encuentra expuesto a estas velocidades.
Los datos que actualmente podemos tomar como referencia se han obtenido a partir de ensayos
de laboratorio y de campo. Del gráfico siguiente se observa que a partir de un determinado
tiempo de exposición del cauce a cierta velocidad, las curvas toman valor asintótico para las
cuales, una velocidad menor no produce erosión. Por lo tanto, considerando una vegetación ya
crecida y permanente en los márgenes con una velocidad de hasta 3,0 – 3,5 m/seg, alguna de las
variedades del Enkamat, puede proteger el talud de la erosión si el tiempo de duración de la
avenida supera las 100 horas. En caso de menor tiempo de duración de avenida, podría soportar
una mayor velocidad (Ver Figura 1).
Máx.. Velocidad del agua (m/s)
6
5
4
Enkamat + hierba
Controlar
si la
vegetación
permanece
intacta
3
Hierba en arcilla
2
1
Solo hierba
0
1
2
5
10
20
50
100
tiempo (hrs)
VEGETACION PERMANENTE
Figura 1. Velocidad Crítica en el Tiempo para un talud con Vegetación
Debemos considerar además que la velocidad máxima se producirá en la zona central del cauce,
pero a medida que nos acercamos a los márgenes (zona que va a ser protegida) dicha velocidad
se reduce. En un cauce de anchura importante este hecho debe considerarse. Como generalidad y
en función del tipo de Enkamat utilizado se confecciona el siguiente gráfico obtenido de ensayos
de laboratorio (Figura 2)
7
3.5
Velocidad Crítica (m/s)
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
Enkamat
10 mm
Enkamat
20 mm
Enkamat
Rellena
Enkamat A20
Vegetada
Enkamat sin vegetación
Enkamat con escasa vegetación (< 1 año)
Enkamat con buena vegetación
Figura 2. Velocidad Crítica en función del tipo de tratamiento
La limitación en el empleo de este tipo de solución depende como ya hemos dicho de varios
factores, en cuanto a la velocidad debemos ver el tiempo de exposición del talud a esta
velocidad, y debemos ver el tipo de cauce que va a ser protegido. Un canal con velocidad
constante sólo podrá ser protegido si la velocidad crítica del material (la asintótica) a emplear es
inferior a la del agua en el canal. En cambio, si lo que se pretende es proteger un cauce de
avenidas, la velocidad crítica a considerar vendrá determinada por el tiempo de exposición o de
duración de la crecida. Además es posible aceptar velocidades mayores si se está dispuesto a
aceptar daños cuantificables y puntuales con posibilidad de reparación.
Debemos asegurar que el margen va a estar protegido con vegetación permanente, ya que la
efectividad del tratamiento depende de la calidad de la vegetación a largo plazo. En zonas donde
no va a crecer vegetación el sistema no es efectivo.
Una vista de la solución finalmente ejecutada puede verse en la fotografía siguiente (Figura 3)
ENCAUZAMIENTO DE LOS TORRENTES DE LLOPS Y DE PALAU
La obra consiste en la restauración y estabilización de los márgenes de los torrentes de Llops en
Martorell y de Palau en Sant Andreu de la Barca, afluentes ambos del río Llobregat y afectados
por el desdoblamiento de la vía de los Ferrocarriles de la generalidad de Cataluña entre el
apeadero de Palau y la estación de Martorell.
En estas obras se instalaron 18.200 m2 de la geomalla de alta resistencia C-350 de North
American Green antes citada. La estructura estabilizada contra rayos ultra violeta UV de la
manta C350 esta constituida por una red o malla de alta resistencia en la superficie inferior, una
malla de alta resistencia corrugada en medio y otra en la superficie superior, adheridas
mecánicamente formando una matriz tridimensional que reforzará tanto la vegetación recién
establecida así como la existente. Según datos del fabricante, estudios de longevidad han
demostrado que la estructura permanente de la geomalla C350, mantiene prácticamente la
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totalidad de sus propiedades físicas: la tensión tangencial admisible, resistencia a la tracción y
todas aquellas propiedades de la triple malla de polipropileno, habiendo substituido la matriz de
coco por una capa orgánica de sistema radicular y componente edáfica.
Figura 3. Desvío del Río Llobregat. – Enkamat A20
Como complemento de la geomalla anterior, fue preciso emplear 420 unidades de carrizales
estructurados en fibra de la marca Plant Ballet. El herbazal es monoespecífico estructurado en
fibra de coco y vegetado habitualmente con enea (Typha sp.) o carrizo (Phragmites australis),
mientras que los materiales que forman la geomalla son matriz de fibra de coco, red estructural
exterior de fibra de coco de 3 cm de malla y 0,5 cm de diámetro. En puntos localizados se
recurrió al empleo de gaviones flexibles Rock Roll como alternativa al gavión clásico de tela
metálica. En el caso que nos ocupa se empleó gavión estructurado en una red de polipropileno de
alta densidad y relleno de grava, estando compuesta la red estructural exterior de polipropileno
de 5 centímetros de malla y 4,5 milímetros de diámetro, tejida sin nudos y resistente a los UVA,
así como cuerda de polipropileno de diámetro 5 milímetros y gravas de 7 a 15 centímetros de
diámetro.
CONCLUSIONES
Las soluciones aplicadas permiten integrar las soluciones constructivas en el medio ambiente,
han sido ejecutados y funcionan adecuadamente, constituyendo una alternativa satisfactoria a
otros sistemas convencionales a base de gaviones, escolleras o mantos de rip-rap, y competitiva a
cuanto a sistemas rígidos de encauzamiento con estructuras de hormigones en masa o armados.
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