ENCAUZAMIENTO DE CAUCES FLUVIALES MEDIANTE GEOSINTTICOS DE REVESTIMIENTO SEMBRADOS

SANTIAGO JUEZ CARRASCO, MIGUEL ROSET RAMOS Y JAVIER AINCHIL LAVN FCC Construccin, S.A.

RESUMEN La deseada integracin de las soluciones constructivas en el medio ambiente y los recientes avances tecnolgicos hacen posible hoy en da ejecutar soluciones menos agresivas en obras de encauzamientos, que permiten incluso la creacin de mantos vegetales de renaturalizacin y recuperacin, as como de posible proteccin contra la erosin hidrulica. Al efecto se analizan con detalle experiencias en cauces de la cuenca inferior del ro Llobregat donde se han aplicado con xito estas tcnicas en refuerzos de manto a base de goesintticos. Las soluciones consideradas incluyen por un lado las denominadas geoesteras pesadas rellenas de gravilla tratada con betn, donde el material granular aporta proteccin suficiente en el lapso en el que la vegetacin no se encontrara totalmente desarrollada. La otra solucin 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 ms preciso, o sea en las primeras edades, y se va degradando a medida que se desarrolla el pasto. Tambin 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. PROTECCIN DE TALUDES FRENTE A LA ACCIN DEL AGUA MEDIANTE COBERTURAS DE PASTO Es creciente la sensibilizacin medioambiental y por ello, el campo de la restauracin fluvial en entornos urbano, periurbano o rural (renaturalizacin) es cada vez ms importante. En el caso de un encauzamiento se trata de resolver tanto un problema de proteccin de mrgenes frente a avenidas, como que se obtenga un valor aadido de ndole medioambiental con el uso de vegetacin para la defensa de las mrgenes. Si el terreno natural que conforma el cauce de un ro no es suficientemente competente para soportar el efecto de una avenida que lo alcance, el agua producir erosiones que irn arrastrando material hacia aguas-abajo, deteriorando las mrgenes y provocando prdida de suelo. En el caso por ejemplo de un nuevo cauce surgido del desvo de un ro, nuevas motas terraplenadas y nuevo terreno natural van a verse sometidos a tensiones hidrulicas a las que no se haban enfrentado antes (se entiende que hablamos de un entorno geolgico actual). Esto obliga a calcular con rigor las tensiones hidrulicas actuantes y a disear las protecciones con exquisito cuidado.

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En este campo de las obras de defensa, slo ltimamente se han desarrollado mtodos alternativos a los tradicionales basados en gaviones, escollera o mantos de rip-rap. En los aos ochenta y sobre todo los noventa del siglo pasado, el avance en el estudio de proteccin de mrgenes con vegetacin y en concreto con mantos de pasto ha sido espectacular. Se ha estudiado el comportamiento frente a acciones hidrulicas 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 hidrulica 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 erosin en mrgenes protegidas por mantos de pasto bien desarrollado. No obstante, merece la pena extenderse algo ms en esto para intentar comprender mejor esta tipologa de proteccin:

El turf y el sward La parte area de la planta (sward) soporta la corriente durante un tiempo limitado. Es el conjunto suelo ms races (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 races. Es entonces cuando se producen erosiones concentradas en la margen, que se manifiestan en forma de agujeros errticos en la superficie, con erosiones locales importantes. La comprensin de este fenmeno ha sido quiz el avance conceptual ms importante en este campo, ya que los primeros modelos atribuan al sward la resistencia del manto (resistencia de la planta a ser arrancada). El comportamiento fsico del turf difiere de aquel del suelo original y su formacin se prolonga durante aos. Es una estructura de pequeos agregados laminares de arcilla unidos por material viscoso y races. El material viscoso es resultado de la accin de gusanos, larvas y fauna microscpica en general y, sobre todo, resultado del proceso nutricin-penetracin de humedad de las propias races. Estructuralmente, el turf no se desmorona con la saturacin sino que se vuelve blando, pudiendo ser daado con facilidad por simples pisadas, por ejemplo. En definitiva puede afirmarse que la capacidad de un manto de pasto para proteger contra la erosin una margen depende del grado de desarrollo y calidad de su turf. No obstante, su xito depende en gran medida de su mantenimiento. De acuerdo con la experiencia acumulada, el sward debe cortarse una o dos veces al ao y no fertilizarse (o muy poco). As, se desarrollar la especie de manera adecuada a esta situacin (escasa nutricin y humedad) que dar como resultado una amplia y densa red de races. El proceso descrito debe estar completado en 3 5 aos, aunque hasta pasados 15-30 aos no se estabiliza por especies la colonizacin. 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 proteccin y como productor de forraje, debido a la fertilizacin necesaria para el segundo

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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 est intacto.

El suelo El terreno natural o el material compactado para formar una mota o dique de proteccin pierden parte de su resistencia superficialmente debido a la intemperie. Por otra parte el turf desarrollado tiene ms resistencia que el terreno (natural o mota). De esto se deduce que el momento ms precario no es el inmediatamente posterior al retaluzado de un cauce o terraplenado de una mota, sino algn tiempo despus, cuando la intemperie haya alterado la superficie, pero antes de que se haya desarrollado el turf. Es adecuado sealar que, si es posible, en los 25 centmetros superiores de las motas es conveniente aumentar la cantidad de arena del terrapln ya que ello favorece una mayor rapidez en el crecimiento y una mayor profundidad del entramado de races. De acuerdo con todo lo anterior, est claro que un manto bien desarrollado de pasto es un eficaz medio de proteger las mrgenes frente a la erosin. Pero, a diferencia de elementos de proteccin ms tradicionales como gaviones o escollera, que no necesitan ningn mantenimiento, los mantos de pasto necesitan ser cuidados (no mucho) para cumplir su funcin. MATERIALES Y SISTEMAS DE CONTROL DE LA EROSIN Como apoyo para las actuaciones en entornos fluviales (bien se trate de obras de defensa, de restauracin fluvial, de regeneracin, etc.) se han desarrollado numerosas experiencias con productos de lo ms variado y con xito diverso. En cualquier caso, siempre ha existido una manera de pensar comn que se ha convertido en tendencia, que se traduce en el principio que cualquier interaccin con un medio natural tan sensible como las riberas ha de realizarse cuidadosamente, procurando que los materiales empleados para dar solucin a los problemas existentes no sean excesivamente agresivos ni totalmente ajenos al propio entorno. As, las actuaciones ms recientes tienden al uso de materiales reciclados y biodegradables, sin demasiada manufactura a ser posible y siempre que sean viables tcnica y econmicamente. Ha proliferado el uso de paja, telas de camo, madera de desbroce en rollos, y otros anlogos en combinacin con geotextiles naturales o artificiales para los ms variados usos. De todas formas, tambin parece consolidarse una idea: el uso de elementos biodegradables es ms indicado para actuaciones en las que su funcin sea temporal (obras de carcter provisional por ejemplo) ya que estn destinados a desaparecer.

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COBERTURAS DE PASTO REFORZADAS Si nos centramos en actuaciones fluviales de control de erosin mediante coberturas de pasto, surge de inmediato una idea: Sabemos que el manto de pasto necesita ayuda externa para poder cumplir su misin, al menos durante los dos o tres primeros aos, ya que hasta esa edad no se encuentra totalmente desarrollado. Adems existen casos en los que an con el manto desarrollado completamente- las tensiones de arrastre sean demasiado grandes para confiar slo 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 ms denso, profundo y eficaz una vez desarrollado y que durante el periodo transitorio para su desarrollo (los citados dos o tres aos) proporcione cierta resistencia inicial a la erosin. En primer lugar se trata por tanto de determinar si ser necesario slo 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 proteccin es slo temporal pueden usarse materiales biodegradables, mientras que si la necesidad es permanente deben usarse materiales sintticos o una combinacin de sintticos y biodegradables. En general puede afirmarse: Los productos sintticos son ms resistentes y duraderos y por tanto ms adecuados para

tensiones de arrastre elevadas donde el manto no sea capaz de impedir la erosin por s solo. Los productos biodegradables son ms respetuosos e incorporan un valor aadido

medioambiental superior. Son ms 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 sintticas

suponen una solucin de compromiso entre las anteriores. Independientemente de la clasificacin anterior, unos y otros geocompuestos pueden o no tener una capa de geotextil. La presencia de dicha capa presenta ventajas e inconvenientes; impiden la prdida de finos por bombeo o pumping pero dificultan la penetracin de las races 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 est en un estado incipiente, no se han estandarizado los ensayos apenas existen resultados fiables. No obstante, puede decirse que el nmero de penetraciones por m2 depende del peso/m2 en los geotextiles tejidos, mientras que el tamao del poro es el parmetro determinante en los geotextiles no-tejidos. En cualquier caso parece que el nmero de penetraciones no es tan alto como podra esperarse.

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ENCAUZAMIENTO DEL RO LLOBREGAT EN SU TRAMO FINAL El caso que nos ocupa corresponde a un cauce nuevo que se construye para desviar el ro Llobregat en su tramo final entre el puente de Mercabarna y el mar, posibilitndose de esta manera la ampliacin 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 redaccin 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 distribucin transversal de velocidades en el talud y que figuran en la tabla correspondiente del final del anexo especfico 2. Las tensiones adoptadas corresponden los valores psimos en cada seccin, es decir, a los correspondientes a la parte inferior del talud. 3. Las tensiones de arrastre que se adoptan son las siguientes:

Tramo

Tensin de diseo (N/m2)

Q=4000m3/s

Tensin de comprobaci

n (N/m2) Q=4980 m3/s

Desde puente Mb hasta desembocadura 40 50

4. De acuerdo con el Pliego General de Obras Hidrulicas del M.O.P.T., son vlidos 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 tensin de arrastre y velocidad, puede decirse que no son excesivamente elevados y sea cual sea la solucin que se adopte no va a ser excesivamente comprometida. Podramos 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 proteccin desde el primer da. No tiene materia orgnica, por lo que no es biodegradable y por tanto supone un refuerzo a la vegetacin durante mucho tiempo. Ejemplo comercial: ENKAMAT A20 de COLBOND

Geoestera 3D de malla de polipropileno o nylon aleatoria.

A largo plazo aporta similar proteccin que la anterior (quiz algo menor) porque el conjunto races ms geoestera ms suelo es el mismo en ambos casos, pero a corto plazo su comportamiento es lgicamente peor por la falta de trabazn del suelo incorporado durante la colocacin. Al ponerlo en servicio se corre el riesgo de que una avenida dae 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 ros, ya que la probabilidad de que en 2-3 aos -tiempo de generacin del turf- se presente una avenida que lo dae 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 trabazn al turf gracias a la presencia de fibras sintticas. A corto plazo ofrece mayor resistencia que las geoesteras de fibra sinttica sin lastrar pero menos que las de fibra sinttica lastrada. Adems aportan una ventaja: la fibra de coco tiene gran capacidad para retener el agua y eso ayuda en el crecimiento del pasto, colonizndose con ms facilidad la margen a proteger. Puede decirse que la fibra de coco permanece cuando es necesaria (en los primeros aos) 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 podramos decir que a corto plazo las geoesteras sintticas con grava ofrecen la mejor proteccin, sobre todo por su peso. El peor comportamiento correspondera a las geoesteras sintticas si grava trabada, en las que se erosionara sin dificultad el suelo. A largo plazo, las geoesteras sintticas seran las de mejor refuerzo ya que en ellas el entramado sinttico es ms 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 existir peligro de que una avenida dae los mantos en fase todava en inmadura.

2. An cuando se tratase de mrgenes 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 superara el talud de aguas altas (ver anexo).

3. En cualquier caso, la accin hidrulica no es grande (comparada por ejemplo con las de un

cauce ms joven). Las velocidades y tensiones no son excesivas y cualquiera de las soluciones descritas es tcnicamente viable.

De cara a definir la solucin finalmente adoptada, se estudia el tratamiento de control de la erosin de los mrgenes del ro con una solucin blanda de control de la erosin a base de una malla de geoestera tridimensional tipo Enkamat. Este material permite el crecimiento de la vegetacin incrementando su efectividad en la funcin de control de la erosin. Tal como se ha insinuado anteriormente, el empleo con xito de este tipo de sistemas para proteccin de cauces depende de diversos factores como:

- Cargas Hidrulicas: velocidad del agua; oleaje; nivel del agua. - Aspectos Geotcnicos: dimensiones y estabilidad de los taludes. - Crecimiento de la Vegetacin: suelos; condiciones climticas, tipos de plantas. - Otras: instalacin; impacto ambiental; durabilidad; mantenimiento.

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Como ya se ha indicado anteriormente, la velocidad crtica (a partir de la cual se produce el movimiento de las partculas o la erosin), depende del tipo de terreno, la geometra del talud, el tiempo de exposicin del margen a dicha velocidad y sobre todo de la densidad y crecimiento de la vegetacin existente. Por ello, para determinar el tipo de Enkamat adecuado, se debern 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 grfico siguiente se observa que a partir de un determinado tiempo de exposicin del cauce a cierta velocidad, las curvas toman valor asinttico para las cuales, una velocidad menor no produce erosin. Por lo tanto, considerando una vegetacin ya crecida y permanente en los mrgenes con una velocidad de hasta 3,0 3,5 m/seg, alguna de las variedades del Enkamat, puede proteger el talud de la erosin si el tiempo de duracin de la avenida supera las 100 horas. En caso de menor tiempo de duracin de avenida, podra soportar una mayor velocidad (Ver Figura 1).

tiempo (hrs)

Mx

.. Ve

loci

dad

del a

gua

(m/s

)

10

1

2 5 10 20 50

2

3

4

5

6

100

Hierba en arcilla

Enkamat + hierba

Solo hierba

Controlarsi la vegetacinpermaneceintacta

VEGETACION PERMANENTE

Figura 1. Velocidad Crtica en el Tiempo para un talud con Vegetacin Debemos considerar adems que la velocidad mxima se producir en la zona central del cauce, pero a medida que nos acercamos a los mrgenes (zona que va a ser protegida) dicha velocidad se reduce. En un cauce de anchura importante este hecho debe considerarse. Como generalidad y en funcin del tipo de Enkamat utilizado se confecciona el siguiente grfico obtenido de ensayos de laboratorio (Figura 2)

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00.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Enkamat10 mm

Enkamat20 mm

EnkamatRellena

Enkamat A20 Vegetada

Vel

ocid

adC

rtic

a(m

/s)

Enkamat sin vegetacinEnkamat con escasa vegetacin (< 1 ao)Enkamat con buena vegetacin

Figura 2. Velocidad Crtica en funcin del tipo de tratamiento

La limitacin en el empleo de este tipo de solucin depende como ya hemos dicho de varios factores, en cuanto a la velocidad debemos ver el tiempo de exposicin del talud a esta velocidad, y debemos ver el tipo de cauce que va a ser protegido. Un canal con velocidad constante slo podr ser protegido si la velocidad crtica del material (la asinttica) 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 crtica a considerar vendr determinada por el tiempo de exposicin o de duracin de la crecida. Adems es posible aceptar velocidades mayores si se est dispuesto a aceptar daos cuantificables y puntuales con posibilidad de reparacin.

Debemos asegurar que el margen va a estar protegido con vegetacin permanente, ya que la efectividad del tratamiento depende de la calidad de la vegetacin a largo plazo. En zonas donde no va a crecer vegetacin el sistema no es efectivo. Una vista de la solucin finalmente ejecutada puede verse en la fotografa siguiente (Figura 3) ENCAUZAMIENTO DE LOS TORRENTES DE LLOPS Y DE PALAU La obra consiste en la restauracin y estabilizacin de los mrgenes de los torrentes de Llops en Martorell y de Palau en Sant Andreu de la Barca, afluentes ambos del ro Llobregat y afectados por el desdoblamiento de la va de los Ferrocarriles de la generalidad de Catalua entre el apeadero de Palau y la estacin 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 mecnicamente formando una matriz tridimensional que reforzar tanto la vegetacin recin establecida as como la existente. Segn datos del fabricante, estudios de longevidad han demostrado que la estructura permanente de la geomalla C350, mantiene prcticamente la

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totalidad de sus propiedades fsicas: la tensin tangencial admisible, resistencia a la traccin y todas aquellas propiedades de la triple malla de polipropileno, habiendo substituido la matriz de coco por una capa orgnica de sistema radicular y componente edfica.

Figura 3. Desvo del Ro 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 monoespecfico 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 dimetro. En puntos localizados se recurri al empleo de gaviones flexibles Rock Roll como alternativa al gavin clsico de tela metlica. En el caso que nos ocupa se emple gavin estructurado en una red de polipropileno de alta densidad y relleno de grava, estando compuesta la red estructural exterior de polipropileno de 5 centmetros de malla y 4,5 milmetros de dimetro, tejida sin nudos y resistente a los UVA, as como cuerda de polipropileno de dimetro 5 milmetros y gravas de 7 a 15 centmetros de dimetro. 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 rgidos de encauzamiento con estructuras de hormigones en masa o armados.

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MATERIALES Y SISTEMAS DE CONTROL DE LA EROSINCOBERTURAS DE PASTO REFORZADASTramoTensin de diseo(N/m2)Q=4000m3/s

Tensin de comprobacin (N/m2)Q=4980 m3/s

Desde puenteMb hasta desembocadura

ENCAUZAMIENTO DE LOS TORRENTES DE LLOPS Y DE PALAUCONCLUSIONES