Capítulo 2. Tipos de erosión

CAPÍTULO

Tipos de Erosión y su Control

INTRODUCCIÓN

La erosión es el resultado de la acción de las fuerzas de fricción de gases o fluidos en movimiento.En el capítulo 2 se explican los fenómenos que generan los diferentes tipos de erosión producidostanto por el viento como por el agua.

Del mismo modo se presenta una metodología para la planeación y diseño de obras para elcontrol de la erosión.

En el caso de la erosión producida por el agua, el proceso puede ser analizado iniciando por eldesprendimiento de las partículas de suelo, debido al impacto de las gotas de lluvia y al mismotiempo ocurre el proceso de flujo superficial o escorrentía, la cual hace que las partículas removidassean incorporadas a la corriente y transportadas talud abajo. Adicionalmente, las corrientes generanprocesos de desprendimiento de partículas por acción de la fuerza del agua en movimiento. Losprocesos son muy complejos y es común que varios procesos actúen conjuntamente.

Tipos de erosión

Se conocen varios tipos de erosión así:

1. Erosión por el viento

El movimiento del viento ejerce fuerzas de fricción y levantamiento sobre las partículas de suelo,desprendiéndolas transportándolas y depositándolas.

2. Erosión por gotas de lluvia

Cuando las gotas de agua impactan el suelo desnudo pueden soltar y mover las partículas adistancias realmente sorprendentes.

3. Erosión laminar

Las corrientes superficiales de agua pueden producir el desprendimiento de las capas mássuperficiales de suelo en un sistema de erosión por capas que se profundizan.

2

CAPÍTULO 2. TIPOS DE EROSIÓN Y SU CONTROL 58

4. Erosión en surcos

La concentración del flujo en pequeños canales o rugosidades hace que se profundicen estos pequeños canalesformando una serie de surcos generalmente semiparalelos.

5. Erosión por afloramiento de agua

El agua subterránea al aflorar a la superficie puede desprender las partículas de suelos subsuperficial formandocárcavas o cavernas.

6. Erosión interna

El flujo de agua a través del suelo puede transportar partículas formando cavernas internas dentro de la tierra.

7. Erosión en cárcavas

Los surcos pueden profundizarse formando canales profundos o la concentración en un sitio determinado deuna corriente de agua importante puede generar canales largos y profundos llamados cárcavas. Una vez seinicie la cárcava es muy difícil de suspender el proceso erosivo.

8. Erosión en cauces de agua (erosión lateral y profundización)

La fuerza tractiva del agua en las corrientes y ríos produce ampliación lateral de los cauces profundización ydinámica general de la corriente.

9. Erosión por oleaje

Las fuerzas de las olas al ascender y descender por una superficie de suelo producen el desprendimiento y eltransporte de partículas.

10. Erosión en masa (deslizamientos)

El término erosión o remoción en masa se relaciona a movimientos de masas importantes de suelo conocidocon el nombre genérico de deslizamientos.Dentro de los diversos tipos de movimiento del suelo en taludes y laderas algunos están íntimamente relacionadoscon los procesos típicos de erosión. Entre ellos se indican los siguientes:

• Reptación

• Flujos de tierra

• Avalanchas

Por considerarlo de extraordinaria importancia en los países tropicales se incluye en el presente libro un capítulodedicado al análisis de los flujos y avalanchas.

La fuerza tractiva del agua y del viento en movimiento son las principales fuerzas que generan erosión superficialy la fuerza de gravedad es la principal fuerza que produce la erosión en masa. La susceptibilidad a la erosióndepende del clima, las características del suelo, la morfología del terreno, la cobertura del suelo, y la intervenciónantrópica (Figura 2.1).

2.1 EROSIÓN POR EL VIENTO

La erosión por el viento ocurre cuando los suelos sinvegetación son expuestos a altas velocidades delviento. Cuando la velocidad del viento genera unafuerza tractiva superior a las fuerzas gravitacionales ycohesivas de las partículas de suelo, el vientodesprende las partículas y las transporta ensuspensión.

Las partículas de menor tamaño (0.1 a 0.5 mm) sonmovidas por el viento en una forma de saltos o brincos.Las partículas gruesas se mueven rodando y las finasson transportadas en suspensión (Figura 2.2). Laacción más visible es la suspensión en la cual sepueden observar tormentas de polvo.


FUERZASACTIVAS Clima

Lluvia – EscorrentíaIntensidad y duración

Temperatura

Viento

Propiedades de la masa desuelo

Propiedades individuales de laspartículas y minerales

TaludOrientaciónPendienteLongitud

Uso del sueloCambios de morfología

Concentración de corrientes

VegetalNo vegetal

FUERZASPASIVAS

Características del suelo

Morfología del terreno

Cobertura del suelo

Factores Antrópicos

FIGURA 2.1 Factores que afectan la susceptibilidad a la erosión de los taludes y laderas.

FIGURA 2.2 Mecanismo de erosión por acción del viento.

Viento

Suspensión

Saltación

Movimiento superficialSaltación


La erosión por viento es muy común en áreas de bajaprecipitación fluvial (menos de 375 mm / año) consuelos arenosos y bajos niveles de materia orgánica.El caso más frecuente de erosión por viento ocurre enlos desiertos.

Las dunas son geoformas producidas por lasedimentación de las partículas de suelo transportadaspor el viento. Las dunas se forman debido a la dificultadpara la movilización de las partículas más gruesas yla forma como estas previenen la suspensión departículas de suelo más pequeñas. Las dunasgeneralmente están alineadas con la direcciónprincipal del viento y tienen una forma de U en lasección inferior de la duna, la cual forma una especiede embudo para el viento, aumentando su velocidad.Con el tiempo estas dunas pueden formar vegetaciónprotectora que impide hasta cierto grado los procesosde erosión por viento, sin embargo esta vegetaciónpuede ser destruida por acción humana, exponiendolos materiales a la acción del viento.

La longitud y la pendiente de los taludes tienen pocaimportancia en el caso de la erosión por el viento. Losfactores más importantes son la humedad y latemperatura. Solamente los suelos secos sonsusceptibles a erosión por el viento. El viento puederecoger y cargar partículas en suspensión de suelossecos con partículas de tamaño menor a 0.1 mm osea limos o arenas muy finas.

La erosión por el viento consiste de tres fases distintas:

Desprendimiento

El movimiento del suelo por acción del viento es unresultado de la turbulencia de la velocidad. Lavelocidad requerida al iniciar el movimiento aumenta,al aumentar el tamaño de las partículas. Para lamayoría de los suelos esta velocidad es deaproximadamente 20 km/h a una altura de 30centímetros por encima de la superficie (Gray y Sotir,1996).

Transporte

La velocidad requerida para el transporte de laspartículas una vez se inició es menos que la requeridapara el desprendimiento. La mayor parte de laspartículas del suelo se transportan cerca de lasuperficie de la tierra a una altura no mayor a 1.0 metro.Aproximadamente 62 al 97% del total de las partículases transportado en esta zona cerca de la superficie.Este hecho sugiere la utilidad de instalar barreras bajaso rompedores de viento para impedir el movimientode estas partículas. La vegetación por ejemplo puedecumplir con este propósito adicionalmente a la de otrasfunciones de control de erosión y estabilidad del talud(Gray y Sotir, 1996).

Depositación

Al disminuir la velocidad del viento o al encontrarselas partículas con una barrera estas caen o sesedimentan por acción de las fuerzas de gravedad.

2.2 EROSIÓN POR GOTAS DE LLUVIA

La erosión por golpeo de la lluvia (Splash erosion)ocurre por el impacto de las gotas de agua sobre unasuperficie desprotegida, el cual produce eldesprendimiento y remoción de capas delgadas desuelo (Figura 2.3). Este impacto rompe la estructuradel suelo y lo separa en partículas relativamentepequeñas. Estas partículas son luego transportadaspor la escorrentía. Al caer una gota de lluvia levantapartículas de suelo y las reparte en un área deaproximadamente un metro cuadrado. Parte de lalluvia se infiltra y parte fluye sobre la superficie.

En un suelo sin protección vegetal se calculan hastacincuenta metros cúbicos de suelo removido porhectárea en una lluvia fuerte de una hora de duración.

La erosión es una función del poder erosionante delagua y de la erosionabilidad del suelo. La erosióncausada por la lluvia está determinada por la cantidad,

intensidad y duración de la misma. Cuando laintensidad y cantidad de lluvias es alta la erosión serámás rápida.

Tamaño y velocidad de las gotas delluvia

El tamaño de las partículas de lluvia varía de 0.5 a 5m.m. de diámetro, de acuerdo a la intensidad de lalluvia (Figura 2.4). Durante una lluvia las gotas son dediferentes tamaños.

La velocidad de las partículas de lluvia puedencalcularse mediante la siguiente expresión (Atlas yUlbrich, 1987):

67.086.3 rt dV =


0 1 2 3 4 5 6 70

4

8

12

16

20

DIÁMETRO DE LAS GOTAS ( mm )

PO

RC

EN

TAJE

DE

L V

OLU

ME

N T

OTA

L

Intensidad 1.2 mm/hora

Intensidad 12 mm/hora

Intensidad 100 mm/hora

FIGURA 2.4 Distribución de las gotas en una lluvia.

FIGURA 2.3 Erosión por golpeo de una gota de lluvia.

a. Caída de la gota

b. Golpe

d. Esparcimiento

c. Desprendimiento

Donde:

Vt = Velocidad en metros / segundo.

dr = Diámetro en milímetros

La velocidad de las gotas varía generalmente de 3 a10 metros por segundo.

Con el tamaño y velocidad de las gotas puedecalcularse la energía cinética, la cual es generalmentesuperior a la de una escorrentía normal.

La energía cinética depende del tamaño o masa delas partículas de agua y la velocidad

22/1 vmKe =

La energía cinética de una lluvia puede calcularsemediante la siguiente expresión (Wischmeier y Smith,1965):

ieK 10log330916+=

Donde:

i = Intensidad de la lluvia en pulgadas / hora

Ke = Energía cinética de la lluvia en pie – Ton poracre – pulgada de lluvia.

La lluvia es en sí entonces la fuente más importantede erosión, medida en volumen de suelo desprendido.


Erosión laminar

Lluvia

Escorrentía

Cuando el terreno tiene pendiente de más del dos porciento se forman pequeños surcos y en pendientesmenores la erosión es laminar por la acción de laescorrentía que transporta el suelo desprendido porla lluvia.

Para la eliminación de la erosión por gotas de lluviase emplea la cobertura vegetal especialmente lospastos.

2.3 EROSIÓN LAMINAR

La erosión laminar consiste en el desprendimiento ytransporte en capas bien definidas superficiales desuelo por acción de la escorrentía difusa (Figura 2.5).

FIGURA 2.5 Proceso de erosión laminar.

El suelo se va perdiendo casi en forma imperceptible.Este tipo de erosión es muy común en los suelosresiduales y en las zonas recientemente deforestadas.

La acción de las gotas de lluvia altera el suelosuperficial. El agua parcialmente se infiltra yparcialmente se acumula sobre la superficie del terrenoformándose una capa delgada de agua con flujos de2 a 3 milímetros de espesor. El flujo laminar es pocoprofundo en la cresta de la ladera pero la profundidadde flujo aumenta talud abajo. El flujo propiamentelaminar tiene poco poder erosivo pero en partes seconvierte en turbulento, aumentando en formaimportante su capacidad de erosión. Al continuar laacción de la lluvia y al mismo tiempo ocurrir el flujo segenera turbulencia en el flujo, aumentando lacapacidad de erosión. El flujo de agua toma un colormarrón o amarillo por la presencia de sedimento.

Las áreas de cultivos no permanentes sonextraordinariamente susceptibles a la erosión laminaral igual que los suelos sin vegetación y los sujetos asobre pastoreo de ganado.

2.4 EROSIÓN EN SURCOS

La erosión en surcos ocurre cuando el flujo superficialempieza a concentrarse sobre la superficie del terreno,debido a la irregularidad natural de la superficie. Alconcentrarse el flujo en pequeñas corrientes sobre unapendiente, se genera una concentración del flujo elcual por la fuerza tractiva de la corriente produceerosión (Figura 2.6), formándose pequeños surcos ocanales, los cuales inicialmente son prácticamenteimperceptibles pero poco a poco se van volviendo másprofundos. En estos surcos la energía del agua enmovimiento adquiere cada vez, una fuerza mayorcapaz de desprender y transportar partículas de suelo.Inicialmente, los pequeños canales presentan unaforma en V la cual puede pasar a forma en U. (Figura2.7).

La profundidad del canal va aumentando. Estos flujosadquieren velocidades cada vez mayores. La energía

de este flujo concentrado empieza desprenderpartículas de suelo incorporándolas al flujo,convirtiendo estos microflujos concentrados en lasrutas preferenciales de los sedimentos.

La erosión se aumenta cuando el espesor del flujo esmuy cercano al diámetro de las gotas de lluvia (0.5 a5 m.m.); las partículas de suelo son removidas por elgolpeo de la lluvia y transportadas por el flujo, aúncon pendientes muy pequeñas. El agua dentro delsurco presenta considerable turbulencia y puedeerosionar partículas relativamente grandes.

Los surcos paralelos forman una red de drenaje en lacual los surcos más profundos rompen la divisoria delos surcos más pequeños, llevando el agua al puntomás bajo. Este proceso fue llamado por Horton (1945)como «micro piratería». Su efecto es que talud abajo


5

4

3

2

1

Has

ta3

mt.

1mt.

Rugosidad de la superficie

Intensidad de la lluvia

TurbulenciaArrastre (tracción)

Peso

Cohesión

Cobertura vegetal

Pérdida de energía

Fricción (forma y tamaño)

Cavitación

Espesor del flujo

Longitud de recorridoFricciónHidraúica

Resistencia

Concentración del flujo

a la erosión

FIGURA 2.6 Elementos que intervienen en la formación de surcos.

es mayor su espaciamiento y la profundidadpredominante es la de los surcos de mayor podererosivo. Este proceso puede ocurrir durante el tiempode una sola lluvia o con el proceso continuado devarias lluvias. La capacidad erosiva de los surcos estal, que si la cobertura vegetal y de raíces no es muyfuerte, puede romper la vegetación. Los surcos enocasiones pasan por debajo de las raíces.

La erosión en surcos es la causante del mayorporcentaje de producción de sedimentos sobre lasuperficie de la tierra (Schwab y otros, 1981). La mayorparte del volumen total de sedimentos transportadospor procesos erosivos ocurre en forma de surcos,después de la acción del golpeo de la lluvia. La acciónde golpes de la lluvia y el flujo de agua generado en ladirección principal de la pendiente, forma inicialmentemicrosurcos de erosión (Rills) y a medida que lalongitud de flujo es mayor los surcos se hacen másprofundos y de menor densidad por una unidad deárea.

Cuando los surcos se hacen más profundos y másanchos se dice que los surcos se convirtieron encárcavas. Si los canales de erosión tienenprofundidades de menos de 30 centímetros se lesclasifica como surcos y si la profundidad es mayor,como cárcavas. Los surcos pueden eliminarse conrastrillado y siembra de vegetación. Las cárcavasrequieren de obras más complejas de ingeniería.

Los suelos más susceptibles a formación de surcosson los suelos expuestos al agua sin cobertura vegetalalguna. Entre mayor sea la cobertura vegetalsuperficial, la susceptibilidad a la formación de surcosdisminuye. FIGURA 2.7 Procesos de formación de surcos y cárcavas.


5)4 mts.Hasta

2)

4)

3)

1)

Los taludes o laderas cóncavas son muy vulnerablesa la formación de surcos y cárcavas, debido alaumento de velocidad en la parte alta de una corrienteconcentrada. La estructura de los suelos residualesfacilita la formación de corrientes rectas en forma decuña, en las cuales concentran el agua y fácilmentese forman surcos y cárcavas.

El poder de erosión de los surcos puede detenerseconstruyendo barreras de vegetación intensa queactúan como línea de control y construyendo bermasy cunetas.

Erosión en túneles subsuperficiales

El agua infiltrada puede fluir subsuperficialmente enforma semiparalela a la superficie del terreno. Si lossuelos son muy erosionables, este flujo puede producirerosión interna formando pequeños canalessubterráneos o túneles (Figura 2.8). Estos túneles sepresentan especialmente cuando la cobertura vegetales pobre y las raíces son poco densas o pocoprofundas.

La erosión en túneles se inicia por el movimiento delagua en suelos dispersivos o erosionables y enocasiones ocurre a lo largo de estructuras heredadasen el suelo residual o a lo largo de grietas o decavernas de hormigas u otros animales.

Para la formación de túneles de erosión se requierenvarias condiciones:

a. Suelo de alta erosionabilidad

b. Pendiente importante del terreno

c. Lluvias importantes (Más de 650 mm al año)

d. Alta capacidad de infiltración

e. Alta permeabilidad o la presencia de cavernasgrietas o estructuras heredadas

A medida que avanza el proceso de erosión el túnelaumenta de tamaño y finalmente puede colapsarformando cárcavas o surcos profundos.

La presencia de túneles de erosión se puede detectarpor la aparición de huecos en el suelo.

Transporte de sedimentos en lossurcos

Los sedimentos en los surcos se transportan porfuerzas muy similares a las de las corrientes de aguapermanentes. Parcialmente los sedimentos setransportan suspendidos, mientras las partículas demayor tamaño van rodando a lo largo del surco.

La capacidad de transporte del flujo en los surcosdepende del caudal y de la pendiente.

De-Ploey (1984) propuso la siguiente expresión:

625.025.1 QSQQs α

Donde:

Qs = Capacidad de transporte del surcoQ = Caudal total de agua en el surcoS = Pendiente

FIGURA 2.8 Procesos de formación de cárcavas por flujosubsuperficial.


FOTOGRAFÍA 2.1 y 2.2 Erosión en surcos.


2.5 EROSIÓN EN CÁRCAVAS

Al profundizarse y ampliarse los surcos de erosión seconvierten en cárcavas, o varios pequeños surcospueden unirse y crecer para formar una cárcava.

Se denomina cárcava a un canal de erosión con unasección superior a un pie2. Estos canales ya nopueden ser eliminados con prácticas agrícolas. Lascárcavas tienen una mayor capacidad de transportede sedimentos que los surcos, debido a que las ratasde flujo son mayores. Las cárcavas actúan comocauces de concentración y transporte de agua ysedimentos. En este proceso una cárcava con cauceen V captura a las vecinas y va transformando susección de una V ampliada a U. Al inicio las cárcavasson en V pero generalmente terminan con forma enU. Las cárcavas son canales mucho más largos quelos surcos. Estos canales transportan corrientesconcentradas de agua durante e inmediatamentedespués de las lluvias. Las cárcavas van avanzandoo remontando hacia arriba formando una o variasgradas o cambios bruscos de pendiente (Figura 2.9).

Susceptibilidad a la formación decárcavas

Las áreas más susceptibles a erosión en cárcavas sonaquellas de topografía de alta pendiente y mantos desuelo de gran espesor. Las mesetas semiplanas querecogen gran cantidad de aguas de escorrentía y a suvez tienen taludes de pendiente fuerte lateral presentanespecial susceptibilidad a la formación de cárcavas,especialmente cárcavas anchas. Las áreas másafectadas por cárcavamientos son aquellas que tienensuelos dispersivos o altamente erosionables.

En el caso de suelos expansivos los procesos dehumedecimiento y secamiento facilitan la formaciónde las cárcavas. La parte más crítica es la superficiedel terreno en la parte alta del talud exactamente pordebajo de las raíces de vegetación. Esta zona seerosiona, aún después de un proceso derevegetalización del talud general. En el caso en elcual aparecen suelos duros en el talud comoafloramientos de roca, se van formando gradas y lacárcava avanza indistintamente en cada nivel.

Así mismo, la eliminación de la cobertura vegetal o ladestrucción de la estructura del suelo por remociónde la capa protectora superficial, expone el suelo a laerosión. La formación de cascadas o caídas de aguaacelera el proceso de carcavamiento.

Magnitud de la erosión en cárcavas

Aunque el volumen total de pérdidas de suelo en elmundo debida a la erosión en cárcavas escomúnmente menor que la debida a la erosión laminary en surcos, los daños asociados con la erosión encárcavas puede ser mucho más significativo y losriesgos para las vidas humanas pueden ser mayores.Las cárcavas no son tan significativos como los surcosen términos del total de sedimentos que se producenen el mundo, pero son mucho más destructivos entérminos de daño a carreteras, terraplenes, ciudades,etc.

Una cárcava significa la pérdida de grandes volúmenesde suelo en un solo sitio. Las cárcavas profundas yanchas alcanzan profundidades en algunos casossuperiores a 50 metros, limitando en forma importanteel uso de la tierra y generando grandes fuentes desedimentos para las corrientes.

Las cárcavas son muy difíciles de estabilizar y controlary para su estabilización se deben controlar tres partesasí (Figura 2.10) :

• Erosión en el fondo

• Erosión lateral o ampliación de la cárcava

• Erosión en la cabeza o avance hacia arriba de lacárcava

La dinámica de la formación de las cárcavas escompleja y no se encuentra totalmente entendida hastael momento. Se ha propuesto varios modelosestadísticos para predecir el crecimiento y desarrollode las cárcavas (Beer y Johnson 1963).

2.5.1 PROCESOS DECARCAVAMIENTO

Los procesos más importantes en el crecimiento deuna cárcava son:

1. Profundización del fondo de la cárcava. El fondode la cárcava se va profundizando en forma continuao discontinua (Figura 2.11). El proceso continúa hastaque se logra una pendiente de equilibrio o apareceun manto profundo más resistente a la erosión.

2. Avance lateral. Al profundizarse el fondo de lacárcava esta se amplia por la inestabilidad geotécnicade los taludes laterales (Bache y Macaskill, 1984).


Desprendimiento

Erosión acelerada

Cabeza y esparpe de cárcava

b) Surcos o cárcavas discontinuas

c) Avance de cárcavas talud arriba

d) Ampliación y avance

e) Integración o captura de cárcavas

Secciones Longitudinales

a) Inicial

A - A'

A - A'

A - A'

A - A'

A - A'

Flujo

A A'

A

A

A'

A'

Secciones A - A'

A

A

A'

Flujocontinuo

A'

FIGURA 2.9 Etapas en el desarrollo de una cárcava (Adaptado de Leopold, Wolman y Miller, 1964).


3. Erosión acelerada concentrada en los sitios decambio topográfico en el fondo de la cárcava.

En los cambios de pendiente la turbulencia y la fuerzaconcentrada de la corriente de agua aceleralocalmente el proceso de erosión y socavación (Figura2.12). Los procesos de turbulencia pueden modelarsehidráulicamente en las forma como se indica en lafigura 2.13; Sin embargo, es extraordinariamente difícildeterminar para cada caso específico el mecanismode turbulencia que va a actuar. El modelamientohidráulico de cárcavas es muy complejo.

Avance de cárcavas

Profundización

Garganta

del cauce

derrumbeDepósitos de

(Permeable)

(Conglomerático)

Miembro II

Miembro III

(Arcilloso)

Miembro I

Taludes verticales

FIGURA 2.10 Esquema general del proceso de erosión en cárcavas.

4. Avance de la cabeza de Cárcava. El avance másdramático es comúnmente el avance de la cárcavahacia arriba de la pendiente, aumentándosepermanentemente la altura del escarpe vertical entrela corona y la cabeza. Entre más alto es el escarpe, lainestabilidad es mayor y la cárcava avanza a una mayorvelocidad.

El afloramiento de agua en las paredes o pies de lostaludes de la cárcava es un factor muy importante enel avance tanto lateral como aguas arriba en el procesode erosión. Al encontrar corrientes de aguasubterránea se aumenta a su vez el proceso deinestabilidad del escarpe y la rata de avance de lacárcava.

5. Erosión laminar y en surcos. Dentro de las cárcavasse pueden producir procesos de erosión laminar oerosión en surcos, debidos especialmente al impactode las gotas de lluvia y la escorrentía difusa.

Ampliación de las cárcavas

Las aguas de escorrentía concentrada formaninicialmente surcos, los cuales se profundizan pordebajo de la cobertura vegetal. Una vez se forma lacárcava de erosión ésta se va tornando más profunda,y se produce ampliación lateral y hacia arriba. Elproceso continúa con la profundización yensanchamiento del canal. La cabeza de la cárcavase hace más alta y esta avanza talud arriba cada vezmás rápidamente, volviéndose prácticamenteincontrolable. Adicionalmente a la erosión propiamentedicha, se produce desprendimiento lateral depequeños bloques de suelo. La profundización de la

Cabeza de

a) Con escarpe vertical

Agua

Sueloerosionado

erosionadoSuelo algo

b) Sin escarpe

la cárcava

Caída

Suelo resistente a la erosión

FIGURA 2.11 Procesos de erosión en el fondo de unacárcava.


cárcava trae a su vez su ampliación y su avance haciaarriba. La cabeza de la cárcava forma un escarpe cadavez más alto y lo mismo ocurre lateralmente. Sepresentan entonces deslizamientos de tierra en estostaludes semiverticales.

En este proceso se pueden formar varios canalessecundarios. Al profundizarse el canal se aumenta lapendiente y la capacidad erosiva de la corrienteconcentrada. Si en el proceso de carcavamiento elcanal se profundiza por debajo del nivel freático, segeneran erosiones por exfiltración del aguasubterránea hacia la cárcava acelerándose el procesode ampliación de la cárcava. Si aparece a profundidadun manto más resistente a la erosión, el proceso deprofundización disminuye pero el proceso deampliación continua. En el fondo de la cárcava sepueden formar gradas o caídas de agua por erosióndiferencial de los diversos mantos.

A medida que se va formando la cárcava, el caudalaumenta progresivamente y se crea un desequilibriocon un nivel muy alto de turbulencia. La combinaciónde caudal, radio hidráulico, rugosidad y gradiente,generan un proceso de aumento progresivo de lacapacidad de erosión y la erosión a su vez vamodificando en forma casi geométrica los niveles develocidad y turbulencia, creándose un proceso quepuede avanzar muy rápidamente y amenazar laestabilidad de grandes áreas de terreno.

El proceso generalmente no es auto controlable, sinoque se perpetua en el tiempo afectando cada vez másáreas. Una vez se forma una cárcava, la erosiónprogresa hacia aguas arriba con la acción erosivacausada por el flujo concentrado dentro de la cárcavay la inestabilidad lateral.

Cavernas deerosión interna

Socavación

Ladera

Derrumbes

Agua Freática

Erosión de fondo

Erosión por elagua subterránea

FIGURA 2.12 Erosión en la cabeza vertical de una cárcava (Dietrich y Dunne, 1993).

2.5.2 TIPOS DE CÁRCAVA

Se pueden identificar cuatro tipos de cárcava:

a. Cárcavas Continuas Alargadas

No tienen cabeza con escarpe vertical importante.Esto ocurre en suelos granulares cohesivos, aldeteriorarse la cobertura vegetal por acción de lossurcos de erosión. Generalmente aumentan en anchoy profundidad talud abajo y pueden presentarsedimentación en sectores de menores pendientes.

Las cárcavas continuas llamadas también cárcavas desocavación se profundizan en un proceso de erosióno lavado de las partículas del fondo del cauce.Generalmente, las partículas erosionadas son lasarenas finas y los limos, permaneciendo en la cárcavalas partículas de mayor tamaño. Las cárcavascontinuas alargadas están asociadas frecuentementecon paisajes suavemente ondulados.

b. Cárcavas Alargadas con escarpe verticalsuperior

Ocurre en suelos cohesivos o con coberturas de raíces;son retrogresivas con avance y fallas de los taludesresultantes por esfuerzo al corte o volteo. En ocasionesse agrava el proceso por afloramiento de aguasubterránea en el pie del escarpe formado, como esel caso de la ciudad de Bucaramanga - Colombia.

Inicialmente la cárcava se profundiza hasta lograr unapendiente de equilibrio por razones geológicas opropias del proceso erosivo y luego inicia un procesode avance lateral y hacia arriba, mediante la ocurrenciade deslizamientos. La cabeza de la cárcava puede


Suelo original

Cabeza activade la cárcava

Corte

talud abajoSuelo que se mueve

depósitoZona de

reforzado con raíces

Vía

Ángulo de reposo

tL

h

7)

q

W

ho

La

6) Wha

oh

q

uh

1

2h

4)

5)

3)

z 1

2)

L s

1) Ø

V11N

rL

2h

FIGURA 2.13 Mecanismos de turbulencia que generanerosión en cambios topográficos en el fondo de unacárcava (Adaptado de Vischer y Hager, 1995).

moverse hacia arriba como un resultado de laexcavación en el pie del escarpe por la caída de aguadesde la corona y por deslizamientos de los taludes.

Las cárcavas continuas también pueden avanzarlateralmente en un proceso similar al de las cárcavasalargadas.

c. Cárcavas anchas

Este sistema de cárcavas anchas es muy común encortes de excavaciones para carreteras y ferrocarriles.El corte inicial es un talud con una determinadapendiente. El agua al correr sobre el talud genera unaserie de surcos y pequeñas cárcavas dentro de unacárcava ancha que comprende una sección grandedel corte. En la práctica el corte original de la vía esrealizado a un ángulo superior al ángulo de estabilidadpor erosión del talud y se genera un procesoprogresivo de deterioro del talud, formándose unescarpe vertical y una nueva pendiente estable (Blunty Dorken, 1995). La formación de cárcavas anchas esmuy común en suelos residuales donde el materialmás superficial del perfil generalmente es máserosionable y al profundizarse la resistencia a laerosión aumenta. La pendiente estable a la erosiónno corresponde a la pendiente estable paradeslizamientos de tierra. Generalmente la pendientede reposo por erosión superficial es muy inferior a lapendiente de reposo por erosión en masa.

El escarpe vertical se forma exactamente debajo de lavegetación original en la corona del talud. El materialde suelo debajo de las raíces es socavado por elproceso de carcavamiento y se forma un voladizo devegetación (Figura 2.14). Al aumentar la longitud delvoladizo la vegetación falla por bloques. El tamaño y

FIGURA 2.14 Ilustración esquemática del proceso decárcavas anchas en corte de carretera (Blunt y Dorken1995).


Suelo

Material menosresistente

superficial

Materiales masresistentes

o escamas

Actividad en la cabeza

Roca muy resistentea la erosión

resistenteMaterial menos

Desprendimientode pequeños bloques Roca muy resistente

a la erosión

Ocasionalmente seestablece vegetación

Depósito

Caída de granos

la rata de avance de la cárcava son una función de laresistencia a la erosión del suelo y de la cohesión, asícomo de otros parámetros de tipo geotécnico, comola expansibilidad (Figura 2.15).

El proceso de avance de las cárcavas anchas no esuniforme y se pueden formar diferencias considerablesde pendiente a lo largo y ancho de la cárcava, deacuerdo a la erosionabilidad de los materiales comose indicó en el capítulo 1. El resultado es un perfiltopográfico no uniforme (Figura 2.16).

d. Cárcavas ramificadas

Ocurre con alguna frecuencia que las cárcavasalargadas formen cárcavas laterales creando unsistema de ramificación de la cárcava. Estaanaramificación genera un proceso muy fuerte dedenudación con generación de grandes cantidadesde sedimentos para las corrientes.

Avance de la cárcava

reposoÁngulo de

FIGURA 2.15 Esquema de avance de una cárcava anchaen un suelo homogéneo.

FIGURA 2.16 Formación de cárcava ancha en rocas estratificadas con resistencias diferentes a la erosión.


2.5.3 CAUSAS DE LA FORMACIÓNDE CÁRCAVAS

Las cárcavas se forman en sitios de concentración deaguas. La mayoría de las cárcavas son causadas poractividades humanas. Las cárcavas tienden a formarsedonde se concentra grandes volúmenes de escorrentíaespecialmente cuando se descargan sobre taludes dealta pendiente con suelos erosionables. Un casocomún de cárcavas es la concentración de aguasocasionada por las alcantarillas en las carreteras. Lossitios de entrega de aguas de alcantarillas en lascarreteras son muy susceptibles a la formación decárcavas, debido a las altas velocidades del aguaconcentrada.

FlujoAlcantarilla

Cárcava

a. Cárcavas en las entregas de alcantarillas ybox coulverts

En los sitios en los cuales el agua sale de la alcantarillaa una velocidad muy alta y en forma concentrada, serequiere construir medidas de protección contra laerosión y/o estructuras para disipación de energía.Generalmente trata de formarse una cárcava deerosión que trata de destruir la vía, al avanzar haciaarriba y lateralmente (Figura 2.17).

b. Cárcavas por urbanismo inadecuado

En las zonas urbanas es muy común la generaciónde cárcavas debidas a que el urbanismo no tuvo encuenta la forma como se concentra y fluye laescorrentía recogida por las vías y otras obras deurbanismo. El desborde de corrientes concentradasde agua hacia los taludes produce carcavamiento(Figura 2.18).

FIGURA 2.17 Erosión en entregas de alcantarillas.

B2

Naciente

B1

de aguaCorriente

B3

Avenida Palmeiras

Avenida 15

Calle Bolívar

Calle González V.

c. Cárcavas por afloramiento de aguasubterránea

Los nacimientos o afloramientos concentrados deagua subterránea son el resultado de fuerzasgravitacionales hidrostáticas, las cuales generan unmovimiento del agua subterránea, la cual al encontrarun camino de salida o al ser obligada a emerger a lasuperficie del terreno generan corrientes superficiales(Figura 2.19). La presencia de exfiltraciones del aguasubterránea está controlada por la estructura geológicao del suelo.

FIGURA 2.18 Formación de cárcavas por el manejoinadecuado del urbanismo.

Permeable

Flujo

Impermeable

Cárcava

FIGURA 2.19 Esquema de erosión por afloramiento deagua subterránea.


La descarga de estos afloramientos depende de lascaracterísticas de la recarga de agua, o del acuíferode donde proviene la corriente. Las fluctuaciones sonuna respuesta a la recarga y varían en períodos desdeminutos a años dependiendo de las condicioneshidrogeológicas. Los nacimientos pueden ser desdeflujos intermitentes de muy poco caudal, los cualesdesaparecen después de una lluvia, o de un períodolluvioso; hasta nacimientos permanentes de metroscúbicos por hora.

Los nacimientos pueden ser de varios tipos (Lee -1996):

1. Nacimientos por depresiones topográficas

2. Afloramientos debidos al contacto de dosmateriales de diferente permeabilidad.

3. Aguas artesianas de acuíferos con presiónhidrostática alta.

4. Afloramientos por cavernas de disolución.

Al aflorar las aguas subterráneas, los gradienteshidráulicos del agua interna ejercen fuerzas de tracciónsobre las partículas de suelo, generandodesprendimiento de granos o bloques de suelo. Eneste proceso se va formando una depresión o cárcava,la cual se amplia por avance lateral y hacia arriba.

2.5.4 CÁLCULO DE LA EROSIÓNEN CÁRCAVAS

Se han desarrollado algunas ecuaciones deexperiencias locales para estimar la erosión encárcavas. La siguiente ecuación fue desarrollada enel estado de Iowa en E.U.:

5036.02473.04

7954.03

044.02

982.0101.0 xeXXXXY ---=

Donde:

Y = Avance del área de la cárcava en acres para undeterminado período de tiempo

X1 = Indice de escorrentía (pulgadas)X2 = Area de la terraza o cuenca (acres)X3 = Longitud de la cárcava al inicio del período

(pies)X4 = Longitud desde la cabeza de la cárcava hasta

la divisoria de aguas (pies)X5 = La desviación de la precipitación desde su

condición normal durante el período de tiempo(pulgadas).

Otra ecuación desarrollada de varios sitios en los E.U.es la siguiente:

caq EPSAE 75.014.049.015.0=

Donde

Eq = Promedio anual de avance de la cabeza de lacabeza de la cárcava en pies

A = Area de drenaje en acresS = Pendiente del canal de aproximación en

porcentajePa = Lluvia anual total en pulgadas de los aguaceros

de más de media pulgada en 24 horas.Ec = Porcentaje en peso de arcilla en el suelo.

Y otra tercera ecuación propuesta es la siguiente:

2.046.05.1 PAEq =

Donde:

Eq = Promedio anual de avance de la cabeza de lacabeza de la cárcava en pies

A = Area de drenaje en acresP = Suma de las lluvias mayores de 24 horas en un

periodo de tiempo convertidos a promedioanual en pulgadas.

Las anteriores ecuaciones pueden servir para teneruna idea de los factores que afectan la erosión encárcavas pero no es recomendable utilizarlasciegamente para diseño, debido a que estas no estánteniendo en cuenta los factores que determinan lamagnitud de la erosión para sitios diferentes a dondefueron desarrolladas.

2.5.5 CONTROL DE LA EROSIÓNEN CÁRCAVAS

Controlar erosión en cárcavas es difícil. En muchoscasos en los cuales se han construido estructuras deconcreto, gaviones de piedra o madera, estos han sidosocavados y arrastrados por la cárcava, o en otros noha modificado las causas básicas de la erosión y elproceso ha continuado. Si se logra distribuir lascorrientes y evitar las concentraciones de grandesflujos se disminuye en forma importante la posibilidadde ocurrencia de cárcavas.

Hasta ahora el método más efectivo para el control decárcavas es la vegetación con estructuras quefavorezcan su crecimiento. Puede ser necesario usarmétodos mecánicos, mallas, yute, fique, piedra omadera para controlar provisionalmente la erosiónmientras se establece la vegetación. Generalmente,


se emplea una combinación de árboles de raízprofunda con pastos y hierbas. Adicionalmente, debecontrolarse las aguas mediante zanjas y canales.

Las cárcavas pueden finalmente convertirse en canaleso corrientes de agua.

La formación de cárcavas puede prevenirse en muchoscasos utilizando prácticas conservacionistas en el usode la tierra, especialmente con relación a la agriculturay ganadería, así como el manejo adecuado de lasobras de infraestructura tales como carreteras yurbanizaciones.

Se debe evitar la concentración de aguas deescorrentía sobre zonas con cobertura vegetaldeficiente. Adicionalmente, se pueden construirestructuras amortiguadoras de energía en la corrientepara disminuir la velocidad del agua y en esta formaevitar la formación de cárcavas.

Es mucho más sencillo prevenir su ocurrencia quecontrolarla una vez se haya iniciado.

Estabilización de cárcavas activas

Para la estabilización de la erosión en cárcavas se estáhaciendo popular la práctica de las cuatro D:

1. Disminuir la velocidad y el caudal reduciendo elgradiente.

2. Detener el flujo utilizando sistemas derepresamiento.

3. Desviar el flujo hacia áreas no peligrosas.

4. D isipar la energía utilizando estructuras oaumentando la sinuosidad y longitud del canal.

El principio fundamental del control de la erosión encárcavas es determinar la causa directa del proceso yel mecanismo de desarrollo. El segundo principio esel encontrar la forma de restaurar el balance y crearcondiciones para la estabilización del proceso.

Los sistemas de estabilización más utilizados son lossiguientes:

a. Redireccionamiento de los flujos de agua

Cuando hay fuentes determinadas de los caudales deagua, la solución puede ser el redireccionar o controlarlos flujos para que estos no pasen por la cárcava opor lo menos su caudal sea disminuido. Cuando nosea posible redireccionar los flujos se requiereconstruir obras para el manejo de los flujos dentro dela cárcava. Una vez controlados los flujos, se debeproceder a revegetalizar el fondo y taludes de lacárcava y estabilizar geotécnicamente los escarpes.

b. Canalización de la corriente

Los caudales pueden controlarse utilizando canalesrevestidos o tuberías para pasar por dentro o por fuerade la cárcava.

c. Construcción de estructuras de disipación deenergía

Este sistema consiste en la construcción de vertederoso muros internos para la disminución de la pendientedel fondo de la cárcava. Una vez estabilizada lacorriente se puede proceder a revegetalizar para lograrun efecto integral. La pendiente definitiva después dela construcción de las obras debe permitir larevegetalización

d. Revestimiento del fondo de la cárcava

El fondo de la cárcava puede revestirse utilizandoproductos especiales, sintéticos, gaviones, adoquinesde concreto, etc., en forma similar a como se revistenlas riberas de los ríos. Para el diseño de revestimientosse debe analizar las características de velocidad yturbulencia de las corrientes de agua dentro de lacárcava.

En todos los casos se debe colocar un filtro o geotextilcomo protección debajo de los revestimientos.

Es muy difícil estabilizar cárcavas solamente convegetación, debido a la intensidad y turbulencia delas corrientes de agua; sin embargo en el caso decárcavas de pequeña pendiente (menos de 5%) y degran ancho (más de 7 metros) es posible que unaestabilización con vegetación pueda ser eficiente,siempre y cuando los caudales máximos de agua nosean demasiado grandes. El establecimiento de lavegetación inicialmente es muy difícil por la presenciade corrientes de agua pero si estas se logran manejar,podría establecerse la cobertura vegetal.

e. Estructuras para almacenamiento de aguaarriba de la cárcava

En ocasiones se han estabilizado cárcavasconstruyendo estructuras de almacenamiento deagua, aguas arriba de la cárcava con el objeto dedisminuir los caudales pico. Estas estructuras soncomúnmente represas cuyo objetivo es demorar laescorrentía y luego liberarla poco a poco.

Debe tenerse en cuenta que si llegare a fallar el sistemase podría producir un caudal mayor que el pico dediseño, causando problemas graves de erosión.


Agua

Cavernas deerosión

Flujo apresión

Procedimiento para el diseño

Para el diseño de obras de estabilización de cárcavasse recomienda seguir el siguiente procedimiento:

a. Inspeccionar la cárcava para determinar el por quédel problema; qué pudo haber ocurrido o estarocurriendo para agravar el problema y si existe unacorriente de agua en la base de la cárcava.

b. Calcular el caudal máximo de agua que puedeentrar a la cárcava. Este caudal depende de la

topografía de la cuenca, su tamaño, su vegetación,tipo de suelo, etc.

c. Medir el tamaño, talud y forma de la cárcava.

d. Analizar a detalle el mecanismo de formación yprogreso de la cárcava.

e. Determinar la mejor alternativa de estabilización.

f. Diseñar a detalle las obras de control.

FIGURA 2.20 Esquema de erosión interna por debajo de una presa de concreto.

2.6 EROSIÓN INTERNA

La erosión interna incluye el transporte de partículasen solución, suspensión y arrastre a través de cavernasinterconectadas, o ductos y tubificación, o a lo largodel fondo de cimentaciones (Figura 2.20). Se debedistinguir entre la erosión subsuperficial y la erosiónprofunda.

En la erosión subsuperficial se produce arrastre departículas finas a veces casi imperceptibles (Difuso) yen ocasiones produciendo hundimientos y cárcavas.Esta erosión ocurre en razón al proceso de infiltración,como se indicó anteriormente. En la erosión profundase pueden formar grandes cavernas internas.

Los conductos de tubificación o erosión interna varíanen longitud desde unos pocos centímetros a cientosde metros y en diámetro hasta decenas de metros.Pueden convertirse en rutas importantes de agua através de una presa o pueden colapsar para formarcárcavas superficiales.

Susceptibilidad a la erosión interna

Los factores que pueden iniciar un proceso de erosióninterna son:

a. Presencia de rellenos no compactados (zanjas paraenterrar ductos).

b El agrietamiento por cambios de humedad.

c. La desaparición de la cobertura vegetal.

d. La presencia de capas impermeables dentro delperfil del suelo.

e. Los gradientes hidráulicos internos muy altos.

f. La presencia de fracturas de neotectónica oestructuras heredadas en un suelo residual.

g. La dispersibilidad o la solubilidad del suelo.


FOTOGRAFÍA 2.3 y 2.4 Erosión en cárcavas.


Cárcava

Flujo de agua

Uno de los casos más severos de erosión internaocurre cuando hay fisuras o grietas. Al llover el aguase infiltra rápidamente dentro de las ranuras y seproduce un flujo subhorizontal que arrastra laspartículas de suelo y forma un canal. En materialessolubles como las calizas las corrientes subterráneaspueden formar grandes cavernas.

Si el suelo es dispersivo ocurre defloculación de laarcilla al contacto con el agua, debilitando las unioneselectroquímicas entre las partículas, facilitando así laerosión. La erosión interna es común en los mismostipos de suelos que sufren erosión superficial.

Una vez se forman los conductos subterráneos estosavanzan hacia arriba muy rápidamente. El agua quecircula a lo largo de las grietas erosiona de acuerdo ala dispersibilidad del suelo y la velocidad del flujo.También se puede producir un proceso de tubificacióna lo largo del contacto del suelo con una estructura, elcual se inicia en el punto de afloramiento y avanzaaguas arriba. La tubificación ocurre frecuentementeen suelos con permeabilidades tan bajas como 1*10cm/seg., equivalente a arenas finas poco permeables.

La formación de túneles de erosión por flujosubterráneo de agua ha sido estudiada intensamenteen presas de tierra pero también es común a lo largode tuberías de oleoductos en pendientes de montañay en formaciones naturales de suelos erosionables.

Erosión en las zanjas de conductosenterrados

Debido a las grandes pendientes (más del 30%),especialmente en zonas de alta montaña en la zanjadentro de la cual se coloca la tubería de un oleoductose produce un flujo interno de agua con velocidadesimportantes. El flujo que generalmente se localiza alfondo de la zanja genera arrastres de sedimentosformándose cavernas de erosión que pueden producircarcavamiento superficial y/o erosión debajo de lacimentación de la tubería (Figura 2.21).

Este fenómeno puede controlarse por medio debarreras de materiales resistentes a la erosión quesirven de elemento disipador interno de energía yevitan la continuidad de las posibles cavernas enformación. Estas barreras se complementan conlechos filtrantes y tubos colectores que recogen elagua interna y la sacan a la superficie del terreno, enla forma como se explica en el capítulo 10.

Erosión interna en presas

Terzaghi (1948) escribió “Fallas verdaderamentecatastróficas son las debidas a tubificación por erosióninterna, ya que ellas ocurren sin previo aviso, con elembalse lleno y, a veces muchos años después deque el vaso fue puesto en operación por primera vez”.

La erosión interna en una presa de tierra puede ocurrirpor las siguientes razones:

1. Compactación deficiente alrededor de conductoso tubos que producen una permeabilidad alta yuna concentración de flujo. (Similar al caso deoleoductos).

2. Capas mal compactadas de relleno del núcleo ocuerpo de presa.

3. Capas semipermeables que sirven de canal internode transporte de agua.

4. Arcillas dispersivas o solubles que sufren lavadoal pasar filtraciones pequeñas de agua.

Según Mitchell (1976) La mayoría de las fallas deerosión interna han ocurrido en presas de arcilla debaja a mediana plasticidad (CL Y CL-CH) quecontienen algo de Montmorillonita. El ensayo de«Pinhole» fue desarrollado para detectar la presenciade suelos dispersivos que pudieren representarproblemas de erosión interna en presas.

FIGURA 2.21 Esquema de erosión en zanjas de ductosenterrados.


2.7 EROSIÓN EN CORRIENTES DE AGUA

Las corrientes de agua son volúmenes de agua enmovimiento, los cuales debido a la fuerza tractiva dela corriente pueden producir el desprendimiento,transporte y depositación de las partículas de suelo osedimentos tanto en el fondo como en la ribera de lacorriente.

En la erosión de corrientes de agua se requiere teneren cuenta varios factores:

• Profundización del cauce

• Inestabilidad lateral de la corriente

• Transporte de sedimentos

• Sedimentación

• Olas producidas por el viento

• Erosión debida a embarcaciones

• Deslizamientos en la ribera de las corrientes

• Dinámica fluvial

• Efectos de la intervención antrópica.

Los procesos de erosión en los ríos sonextraordinariamente complejos y obedecen afenómenos hidráulicos y geomorfológicos, en loscuales interviene una gran cantidad de variables. Enel capítulo 3 se explica a detalle la problemática de laerosión en los ríos y corrientes de agua y en el capítulo4 se presentan los métodos de cálculo de socavación.

2.8 EROSIÓN EN MASA

Incluyen los fenómenos de desprendimientotransporte y depositación de grandes masas de suelopor acción de la fuerza del agua en movimiento.

En el desprendimiento y transporte de las masasactúan las fuerzas de gravedad y la fuerza del agua.

Los fenómenos de erosión en masa incluyen lossiguientes tipos de movimiento (Gray y Sotir, 1996):

• Reptación (Creep)

• Flujos de tierra

• Flujos de lodo

• Flujos de detritos

• Flujos hiperconcentrados

• Avalanchas

En el capítulo 5 se indican los tipos de flujo, losmecanismos de movimiento y los procesos deformación de flujos y avalanchas.

2.9 METODOLOGÍA PARA LA PLANEACIÓN YDISEÑO DE OBRAS DE CONTROL DE EROSIÓN

“Los problemas de erosión son fenómenoscomplejos para los cuales con frecuencia seplantean soluciones rápidas y equivocadas”

Los profesionales de control de erosión deben teneren cuenta que los problemas de erosión generalmenteobedecen a fenómenos los cuales deben analizarse,y obtenerse parámetros para realizar el diseño. Lapresión para tomar decisiones prematuras deberesistirse con lógica y hacer entender a losinvolucrados que se requiere obtener información yrealizar análisis previamente a los diseños.

Un análisis sistemático puede ayudar a identificar tantolos problemas como las alternativas de solución.

2.9.1 ALTERNATIVAS DE MANEJOO ESTABILIZACIÓN

Los problemas de erosión pueden generalmentemanejarse de acuerdo a los siguientes enfoques:

Manejo general de las áreas o de la cuenca

Especialmente manejo de usos del suelo. Para poderestabilizar las corrientes puede requerirse realizar uncontrol o manejo efectivo de toda la cuenca, la cualcontrola los caudales de agua y de sedimentos queson a la larga los causantes de la inestabilidad. Losaspectos operacionales del manejo de la cuenca


Elementoerosionante Forma Mecanismo Obras de estabilización

Gotas delluvia

Semilaminar Golpeo, desprendimiento yesparcimiento

Cobertura vegetal de altura mediay baja, revestimientos tratamientoquímico, impermeabilización.

Semilaminar(Difusa)

Transporte de suelos desprendidospor la lluvia y arrastre de materialessueltos.

Cobertura vegetal, canales,recubrimiento con suelosresistentes.

En surcos Desprendimiento y transporte a lolargo de canales intermitentes conavance hacia arriba.

Recubrimientos diversos,cobertura vegetal, barreras,canaletas.

Escorrentía

En cárcavas Desprendimiento, turbulencia encanales intermitentes con avancehacia arriba.

Recubrimientos diversos, trinchos,muros, barreras, canaletas,lavaderos, bioingeniería ybiotecnología.

Disolución Los componentes químicos solublesen agua son disueltos por el agua.

ImpermeabilizaciónAgua quietao enmovimiento Dispersión Desmoronamiento o separación de

las partículas al saturarse.Impermeabilización, geotextiles,recubrimientos.

dependen de las características de la cuenca, sutopografía, tipo de suelo, vegetación, geología, sistemade lluvias, etc.

El manejo de la cuenca puede incluir tratamientosvegetales, reforestación, construcción de barreras debosques, planeación de prácticas de agricultura,mejoramiento de manejo de pastos y control decanales.

El manejo de la cuenca puede permitir disminuir lospicos de descarga reduciendo las velocidades y lafuerza tractiva de la corriente, así como el suministrode sedimentos. Por ejemplo, una cárcava de erosiónpuede controlarse reforestando las áreas arriba de lacabeza de la cárcava, disminuyendo en esta formalos caudales de los picos que pueden estarproduciendo el carcavamiento.

Control de las aguas

Control de aguas mediante represas, canales, etc. Laconstrucción de represas para el control deinundaciones y el manejo de las avenidas puedemejorar significativamente la estabilidad de loscanales. Este sistema de manejo permite manejarintegralmente las aguas e incluso utilizarlas para riegoy otros objetivos.

Estabilización

Obras de protección para evitar la erosión en sitiosespecíficos. La estabilización de la superficie del talud,

del fondo de una cárcava o la orilla de una corrienteson de los sistemas más utilizados en el mundo parael control de la erosión. Para determinar el mejorsistema de estabilización es importante conocer lascaracterísticas y mecanismos del proceso erosivo. Porejemplo, si está ocurriendo un proceso de degradaciónde un canal las medidas de estabilización pueden estardirigidas a controlar el fondo del canal y si estáocurriendo su ampliación las soluciones pueden serrevestimientos u obras laterales de estabilización.

Relocalización de los canales o de la obra enpeligro

Por ejemplo, relocalización de una estructuraamenazada. La relocalización de un puente puedeevitar obras muy costosas de estabilización y al mismotiempo resolver problemas de erosión.

La relocalización del canal debe ser siempre unasolución extrema teniendo en cuenta los efectosnegativos que generalmente son muy difíciles depredecir y evaluar.

Regulación del uso

La regulación del uso de la corriente o de la cuencaes una herramienta muy útil, por ejemplo el manejoadecuado de la navegación o la pesca. La regulacióndel tamaño y velocidad de los botes puede traerbeneficios importantes sobre el río. La regulación dedescargas industriales, vertimientos de lavado detanques, etc, permite la regulación de los caudales ypermite el control de la contaminación.

TABLA 2.1 Formas y mecanismos de erosión y obras de estabilización.


Elementoerosionante Forma Mecanismo Obras de estabilización

Flujotangencial

Profundizacióny/o ampliacióndel cauce

Corrasión en el perímetro mojadodel cauce.

Recubrimientos, muros, enrocados,espigones, retardadores,biotecnología.

Flujocurvilíneo

Avance lateral dela ribera

Erosión por velocidad del agua yaportes por falla lateral de riberasverticales.

Recubrimientos, muros, enrocados,espigones, retardadores,biotecnología

Flujoalrededor deobstáculos

Erosiónlocalizada porturbulencias

Socavación alrededor del obstáculo,pila de puente, etc. por cambio dedirección del flujo.

Recubrimiento del fondo,hexápodos, enrocados.

Construcciónde represas

Profundizaciónpor eliminaciónde sedimentos

Al no aparecer sedimentos parareposición de erosión el cauce seprofundiza.

Recubrimiento estructuras delfondo del cauce, biotecnología.

Cambiosartificiales delcauce

Profundizacióny/osedimentación

Todo cambio en el régimen del ríoproduce erosión y la socavación.

Recubrimientos, estructuras defondo, biotecnología.

Afloramientode agua

Cárcavas entaludes

El gradiente hidráulico delafloramiento desprende el suelo encáscaras o flujo.

Drenes de pantalla, subdrenes depenetración, biotecnología

Erosión interna Desprendimiento y transporteinterno de suelo por velocidadesaltas del agua subterránea.

Impermeabil ización, barrerasenterradas, subdrenes.Movimientos

de aguassubterráneas Tubificación a lo

largo de loscontactos

Gradientes hidráulicos superiores ala capacidad de tracción del suelo.

Barreras enterradas, geotextiles,subdrenes de penetración.

Erosión ymovimientolitoral en playas

Erosión y transporte de sedimentoshacia arriba, abajo y lateralmente enla orilla del mar.

Espigones, rompeolas, muros.Oleaje

Cavernas entaludes de presas

Desprendimientos ydescascaramiento por la acción deolas repetidas.

Enrocados, recubrimientos,rompeolas.

Deslizamientos Disminución de la resistencia alcorte y falla por movimientos enmasa.

Muros, pantallas ancladas,subdrenes, abatimientos, bermas,bioingeniería, biotecnología

Gravedad ypresión deporos Flujos de suelo o

roca. Erosión enmasa

Los materiales se comportan comoun fluido viscoso y fluyen taludabajo.

Estructuras de fondo, muros,recubrimientos, bioingeniería,biotecnología.

Factores legales ambientales yeconómicos

Para el diseño de una obra de control de erosión sedebe tener en cuenta las regulaciones ambientales yotras normas legales y el impacto ambiental sobre lafauna, la flora, el aire. Así mismo, debe tenerse encuenta los daños económicos que se pueden causara otras personas o a la comunidad.

De acuerdo al sitio y el país existen regulacionesambientales, defensa de recursos culturales, derechosde vía y otras regulaciones, las cuales deben cumplirse.

Se deben tener en cuenta los efectos que las obraspueden tener sobre la inundación, la erosión de otrossitios, la destrucción de fauna y de flora, etc.

Selección de la técnica específica deestabilización

La efectividad del sistema de estabilización o controlde erosión depende de muchos factores técnicos,ambientales y económicos. Para aplicar los conceptosse recomienda ser innovativo para poder aplicar laexperiencia a cada sitio de una forma creativa pero nodebe llegarse al extremo de “reinventar la rueda” y


1

6

Manejo EstabilizaciónControl Regulación

Recopilaciónde información

Análisisconceptual

Análisistécnico

Consideracioneslegales y ambientales Costos

2

3

4

5

Planteamiento del problema

Análisis alternativasde solución

Diseño

Monitoreo y mantenimiento

Construcción

Cuantificación delproblema

FIGURA 2.22 Diagrama general para el diseño de obras para el control de la erosión.


debe aprenderse de la experiencia de otros, aplicandolos conceptos.

En la selección del método de estabilización debentenerse en cuenta los siguientes factores:

• Durabilidad de la obra. En la durabilidad de la obradebe tenerse en cuenta no solamente la vida útilproyectada sino también los requerimientos demantenimiento, las condiciones de clima, eldesgaste de los elementos y otras amenazas. Esimportante tener en cuenta el vandalismo, laposibilidad de robo, el deterioro por los animales,los insectos, el fuego, etc. Por ejemplo, en laescogencia de una especie vegetal para controlde erosión debe tenerse en cuenta la posibilidadde que ésta sea destruida por el ganado.

• Ajuste o acomodo de la obra a la erosión,subsidencia o socavación. Algunos tipos deestructura no son flexibles y no se acomodan alcambio en las condiciones del sitio por erosión osubsidencia.

• Profundidades de flujo de agua. Debe analizarselos niveles de aguas máximas, medias y mínimas,las velocidades del agua y el comportamiento delas obras ante el flujo.

• Impacto de la obra sobre los flujos de agua. Laalteración de la geometría de un canal o de un taludva a generar cambios en la localización decorrientes de agua, los cuales pueden causardegradación o erosión, daños a la vegetación ydeterioro ambiental.

• Impacto de la obra sobre la erosión en otros sitioso aguas arriba o debajo de la corriente. Las obraslaterales de protección pueden dirigir la corrientehacia la otra orilla, generando erosioneslocalizadas.

• Limitaciones topográficas de suelo, de clima, etc.

2.9.2 MÉTODO GENERAL DEDISEÑO

Los métodos de diseño de obras de control de erosiónse basan en la comparación de la resistencia delsistema a la erosión con las fuerzas que tratan deproducirlo. La resistencia del sistema de obras y lascargas de los fenómenos erosivos a los cuales estánsujetas son funciones de muchas variables, la mayoríade las cuales son estocásticas en naturaleza.

Para garantizar un diseño seguro la resistencia de laestructura a la erosión debe exceder los esfuerzosgenerados por el proceso. Como no es económico ya veces no es posible diseñar una estructura, la cualva a resistir las cargas más extremas a las cuales

pueda estar expuesto, en la práctica se adopta unaprobabilidad aceptable de ocurrencia de fenómenosextremos.

El diseño de las obras debe hacerse para garantizaruna determinada vida útil, como se analizóanteriormente en el primer capítulo, y para garantizaresa vida útil debe escogerse un evento con un períodode retorno que debe ser muy superior al de la vida útilde la estructura.

Los métodos de diseño pueden ser determinísticos oprobabilísticos y es práctica de la Ingeniería, lautilización de los métodos determinísticos.

En los métodos determinísticos se determina un nivelmáximo de cargas denominado estado límite, esteestado límite o esfuerzo máximo depende del eventode diseño. La excedencia de la condición de estadolímite puede resultar en el daño o en la falla de laestructura. Como existen incertidumbres en las cargasopuestas y en la resistencia a la erosión de lasestructuras debe adicionalmente tomarse un factor deseguridad, el cual siempre debe ser mayor de 1.0.Debe también tenerse en cuenta que aunque laexcedencia de un evento obviamente puede afectarla estructura, la ocurrencia acumulativa repetida devarios eventos por debajo del estado límite, puedecontribuir a la falla estructural con el tiempo.

Etapas en el diseño

El sistema de diseño debe incluir las siguientes etapas:

1. Recolección de información: hidrológica,hidráulica, geológica, geotécnica, topográfica,ambiental, etc.

2. Análisis de los materiales o sistemas de proteccióndisponibles.

3. Diseño preliminar de las obras con base en criteriosheurísticos. Se deben analizar varias alternativas.

4. Definición de la alternativa óptima mediante estudiode costo-beneficio.

5. Diseño detallado de las obras utilizando modelosmatemáticos o físicos.

Principios generales

Para el diseño de las obras se requiere realizar análisisen los siguientes campos:

• Geomorfología aplicadaSe debe determinar los límites del área de análisis,tanto aguas arriba como aguas debajo de unacorriente, teniendo en cuenta la predicción del


comportamiento de los canales, surcos y cárcavas, elavance de la erosión, etc. Es importante establecerlos mecanismos de erosión y la extensión de losfenómenos

• HidráulicaEntre los conceptos de hidráulica se deben determinarlos caudales de las corrientes, la fuerza tractiva, lavelocidad real y velocidad permisible, la presencia decorrientes secundarias, las variaciones del nivel deagua, las fuerzas del agua por acción del viento, elcálculo de erosión y socavación, etc.

• Cálculo de factores de seguridadPara los problemas de deslizamientos se acostumbrautilizar el criterio de factor de seguridad. Este sistemapuede aplicarse en una forma más cualitativa en eldiseño de obras para el control de la erosión, deacuerdo a la experiencia del diseñador, las dificultadesde construcción y la eficiencia de los procedimientos.

• Diseño específicoExisten tecnologías probadas con métodos de diseñodetallados de acuerdo a criterios de ingeniería.

• Especificaciones de construcciónLos productores de materiales para el control deerosión acostumbran proveer de especificacionesdetalladas de construcción para la colocación de estosproductos, sin embargo, en todos los casos estasespecificaciones deben adecuarse al sitio, el cualpuede tener limitaciones que requieran demodificaciones a las especificaciones acostumbradas.

Recomendación de marcas

Es recomendable que no se recomiendenespecíficamente marcas para facilitar la utilización deproductos similares disponibles en el mercado, loscuales pueden tener algunas ventajas técnicas oeconómicas. El diseño con base en una marca conpropietario no es una práctica ética de ingeniería.

Manejo de la construcción

El diseñador debe promover una comunicación directacon los constructores para apoyarlos a ellos y resolverlos problemas que puedan ocurrir durante laconstrucción de las obras.

El diseñador debe visitar el sitio ocasionalmente paracomprobar que el trabajo se esté realizando deacuerdo al diseño. Estas visitas también ayudan afamiliarizar al diseñador con las prácticas deconstrucción y a realizar mejoras al diseño.

En el diseño deben tenerse en cuenta los siguienteselementos para el manejo de la construcción:

• Acceso de equipos para construcción.

• Secuencia de construcción de las obras.

• Construcción de obras bajo el agua.

• Manejo de productos o procedimientospatentados.

• Preparación del sitio.

• Restauración del sitio después de construidas lasobras.

Monitoreo y mantenimiento

El monitoreo y mantenimiento de las obras es esencialpara garantizar una vida útil eficiente. Debido a lanaturaleza dinámica del proceso de erosión la faltade mantenimiento puede traer grandes fallas, lascuales pueden ser progresivas y difíciles y costosasde reparar; por lo tanto el mantenimiento es muchomás importante en las obras de control de erosiónque en cualquier otro tipo de obras.

El monitoreo permite detectar la necesidad de unareparación o mantenimiento y provee las bases parael diseño de estas reparaciones si se requieren. Elmonitoreo mide los cambios en las condicionestopográficas, hidráulicas o ambientales con el tiempo.

El monitoreo debe incluir los siguientes elementos:

• Inspección del sitio en forma regular.

• Topografía del sitio a intervalos determinados detiempo.

• Observaciones geomorfológicas.

• Recolección de nueva información hidrológica ehidráulica.

• Mediciones geotécnicas.

• Medición de aspectos ambientales.

El monitoreo debe realizarse en forma regular yespecialmente durante los períodos críticos de lluviaso de temporadas secas. La frecuencia del monitoreoes determinada por juicio ingenieril, de acuerdo a lascaracterísticas de la obra y a las amenazas que puedaestar sometida.

El mantenimiento consiste en la actualización oreparación de las obras para garantizar su correctofuncionamiento durante toda su vida útil.


REFERENCIAS

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Capítulo 2. Tipos de erosión

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