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HIDROCONSULTA LTDA. CAUCES ALUVIALES-MAYO 05.doc

PANELES SUMERGIDOS PARA EL CONTROL DE SEDIMENTOS EN CAUCES ALUVIALES

Por: CARLOS RODRGUEZ AMAYA 1 1. GENERALIDADES El transporte de sedimentos en ros y sus fenmenos derivados, como son: socavacin; deposicin o agradacin del lecho; erosin de orillas; y, desarrollo y migracin de meandros, son, quiz, los ms importantes problemas de la hidrulica fluvial, cuyo control y manejo son indispensables para establecer condiciones con fines de navegacin, garantizar el suministro de agua para diversos usos y prevenir la erosin de orillas, entre otras. Algunos de los mtodos tradicionales para contrarrestar los fenmenos mencionados son: 1) la proteccin directa de orillas por medio de gaviones, enrocados, placas de concreto y otros elementos; 2) la construccin de espolones direccionales que favorezcan la deposicin del material y alejen el flujo erosivo hacia el centro del cauce; el dragado de material del lecho; 3) el cierre de brazos, con material dragado del mismo ro o con estructuras especiales. En trminos generales, es muy conveniente considerar la utilizacin combinada de los varios mtodos para contrarrestar los fenmenos anotados. Desafortunadamente, los altos costos de los distintos mtodos y otras razones dificultan la adopcin de soluciones integrales como la propuesta. De otra parte, la necesidad de satisfacer exigencias impuestas para el control ambiental limitan, si no restringen, el empleo de uno u otro de tales mtodos. Es el caso, por ejemplo, del dragado, el cual enfrenta grandes dificultades por falta de sitios adecuados, para el vertido del material dragado a distancias razonables. En la Tabla A1 del Anexo 1 se relacionan las principales ventajas y desventajas de cada uno de los mtodos anotados, as como de los paneles sumergidos a los cuales se refiere el presente documento. 2. PANELES SUMERGIDOS 2.1 DESCRIPCIN Y EFECTO DE LOS PANELES SUMERGIDOS

1 Ing. Civil, MSc., PhD., Socio y Gerente Tcnico de HIDROCONSULTA LTDA.


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Los paneles sumergidos son placas que se instalan verticales sobre el lecho del ro, a reducidos ngulos de ataque respecto del flujo principal, con el fin de generar flujos secundarios transversales a la corriente principal, para contrarrestar los flujos secundarios naturales causantes de la socavacin de la banca y de las mayores velocidades cerca de las mrgenes exteriores en los meandros o para inducir la profundizacin del cauce mediante la redistribucin de los sedimentos en la seccin transversal.(Odgaard and Spoljaric, 1985; Odgaard and Mosconi, 1987). Los paneles sumergidos se instalan con un ngulo de ataque entre 15 y 25 con respecto al flujo; su altura vara de 0,20 a 0,40 veces la profundidad normal del flujo a seccin llena y son diseados para modificar el patrn de flujo cerca del lecho del ro y redistribuir, en consecuencia, el flujo y el transporte de sedimentos a travs de la seccin transversal en la cual se localizan; su efecto se extiende hasta una distancia de 12 a 15 veces la altura del panel, que corresponde en principio al espaciamiento longitudinal entre conjuntos de paneles. Un panel instalado con un pequeo ngulo con respecto al flujo induce un movimiento circular hacia aguas abajo, como se esquematiza en la Figura 1, que da origen a los flujos secundarios transversales como resultado de la distribucin de presiones sobre las dos caras del panel.

FIGURA 1. Esquema de la generacin de flujos secundarios transversales por efecto de la distribucin de presiones en las dos caras de un pnel sumergido. La Figura 2 muestra de manera esquemtica en una seccin transversal de un meandro la accin resultante de las fuerzas secundarias generadas por la variacin en la distribucin vertical de las velocidades secundarias, mediante las cuales, por efecto directo de los paneles sumergidos, se controla la erosin del talud izquierdo por redistribucin de los sedimentos en la seccin, con profundizacin del cauce en


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un sector y la sedimentacin en la zona de los paneles; de esta manera se aleja de la orilla la vaguada y se disminuyen las velocidades en cercanas del talud.

FIGURA 2. Esquema de la accin resultante de las fuerzas secundarias erosivas del talud y del efecto directo de los paneles en el control de la erosin del talud izquierdo, por redistribucin de los sedimentos en la seccin con modificacin de la seccin transversal. 2.2 VALIDACIN TERICA Y PRCTICA. Mediante modelos fsicos utilizados en las investigaciones realizadas en el IIHR, se han establecido y comprobado los fundamentos tericos sobre la efectividad de los paneles sumergidos en el control del flujo y de la topografa del lecho, tanto en canales rectos como en canales curvos, y se han definido guas para la aplicacin prctica de las teoras formuladas. Adicionalmente, se han aplicado los resultados de laboratorio en el diseo y construccin de prototipos as: a) para eliminar el componente de flujo secundario a lo largo de la orilla exterior de una curva del ro Nishnabotna Este, en Iowa, con el fin de suspender o reducir el avance de la socavacin (Odgaard and Mosconi, 1986); b) para reorientar el flujo del ro West Fork Cedar, tambin en Iowa, con el propsito de evitar la socavacin de uno de los estribos de un puente, por la presencia de una barra de sedimentos que impeda la completa utilizacin de la seccin hidrulica bajo el puente (Odgaard and Wang, 1991a; Odgaard and Wang, 1991b). Los resultados obtenidos en los Estados Unidos a travs de las aplicaciones anteriores, al igual que en otras partes como Japn con construcciones similares, se reportan como altamente satisfactorios. Un ejemplo de la aplicacin de paneles sumergidos para el control de erosin del talud de un ro se muestra en la Fotografa 1, en Iowa, Estados Unidos.


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FOTOGRAFA 1. Condicin de la proteccin de orilla del ro Wapsipinicon, Iowa, USA, un tiempo despus de su instalacin en 1988.

Las primeras aplicaciones en hidrulica fluvial de los paneles sumergidos corresponden al mejoramiento de las condiciones de navegacin en ros; en efecto, los principios esbozados por los ingenieros rusos Potapov y Pyshkin en 1947 fueron aplicados en grandes ros como el Nger en el frica y el Chao Phya en Tailandia. Posteriormente, al disponer de los criterios de diseo para los paneles en diversas aplicaciones como resultado de las investigaciones de la Universidad de Iowa ya reportadas, se comenzaron a utilizar para el control de erosin y evolucin de ros y la minimizacin del acceso de sedimentos en captaciones de agua para diversos fines. Para el caso de navegacin, factores determinantes del diseo son la mayor profundidad y el ancho del canal navegable requeridas; para el control de erosin de orillas o el de evolucin de meandros en un ro lo son la longitud a proteger y el ancho y la altura del playn de sedimentos a conformar para proporcionar la proteccin requerida al talud del ro. Cuando los paneles se emplean para minimizar el acceso de sedimentos en una captacin, se usa como factor de diseo la mayor profundidad necesaria para modificar la distribucin vertical de sedimentos alrededor de los paneles. En todos los casos, son criterios principales de diseo la viscosidad de la mezcla agua-sedimento y la magnitud, la profundidad y la velocidad del flujo a seccin llena, con cuyas bases se determinan las dimensiones de los paneles, el nmero de conjuntos de paneles y el nmero de paneles por conjunto.


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Varias son las ventajas de los paneles sumergidos (Tabla A1), entre las cuales pueden mencionarse el que, a diferencia de otros mtodos, no incrementan la rugosidad local en el ro, no son visibles desde la superficie, requieren bajos volmenes de material con bajos impactos ambientales sobre las fuentes de materiales y las vas de acceso a las obras, y al quedar sumergidos no retienen tarulla ni otros materiales extraos. 3. UTILIZACIN DE PANELES SUMERGIDOS EN COLOMBIA 3.1 PROFUNDIZACIN DE CANAL NAVEGABLE EN BARRANCABERMEJA,

RO MAGDALENA Algunas de las experiencias reportadas en el numeral anterior corresponden a ros y quebradas de muy bajo caudal y reducida carga de sedimentos. La experiencia que se presenta a continuacin se refiere al ro Magdalena en Barrancabermeja, con caudales mximos de 5.500 m3/s y con profundidad de agua a seccin llena de ms de 9,20 m. En razn a la sedimentacin del ro Magdalena frente al muelle de Aromticos de ECOPETROL, en el Complejo Industrial de Barrancabermeja, el cargue y transporte de combustleo se afectaba peridicamente, generndose entonces una gran prdida para la economa del pas. Los perodos ms crticos son los de aguas bajas, para uno de los cuales, en 1936, se registr el ms bajo nivel histrico en la cota 70,45. La solucin a este problema se haba concentrado en recurrentes dragados del lecho, labor altamente costosa que se dificultaba adems por la falta de sitios adecuados para el depsito del material. De otra parte, por cuanto no generaba resultados estables, a corto plazo, se requera de nuevos dragados. Con la perspectiva de lograr una solucin ms permanente, HIDROCONSULTA LTDA. sugiri utilizar paneles sumergidos para procurar la redistribucin del sedimento en la seccin transversal, con el objeto de lograr una mayor profundidad del ro en su proximidad del muelle mencionado, y eliminar eventualmente la necesidad del dragado peridico, cuyo costo anual poda ascender, segn reporte de ECOPETROL a setecientos cincuenta millones de pesos de 1991. HIDROCONSULTA LTDA. realiz el diseo de nueve conjuntos de paneles sumergidos, de 1,50 m, de altura y 4,50 m de longitud (Fotografa 2), espaciados a 4,0 m entre s y a 45 m entre conjuntos, respectivamente, totalizando 71 paneles. El proyecto fu construido e instalado entre el 1 de junio y el 23 de agosto de 1993, con un valor total de $175 millones a precios de ese ao.


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FOTOGRAFA 2. Panel de 1,50m x 4.50m x 0.20m en proceso de instalacin frente al Muelle de Aromticos en Barrancabermeja. Proyecto ECOPETROL, 1993.

Las batimetras realizadas durante la construccin y una vez finalizada sta (Figura 3) mostraron que el efecto de los paneles fue casi inmediato, logrando el objetivo de modificar la seccin transversal, mediante la sedimentacin alrededor de los paneles y la profundizacin frente al muelle.


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FIGURA 3. Evolucin del lecho en una seccin transversal del ro Magdalena frente al muelle de Aromticos. Ntese el efecto casi inmediato de los paneles. Proyecto ECOPETROL, 1993.

Las batimetras tomadas en el sector hasta 1997 dan cuenta que ese efecto se ha mantenido (Consorcio Hidroestudios S.A. Estudios Tcnicos, 1997). Como consecuencia, las labores de dragado frente al muelle de Aromticos se suspendieron totalmente desde el ao 1993. 3.2 PROTECCIN DE ORILLAS EN PUERTO BOYAC, RO MAGDALENA El tramo Puerto Boyac y Puerto Serviez de la carretera Troncal del Magdalena Medio entre las abscisas K1+320 y K1+920 fue afectado seriamente por la erosin de la margen derecha del ro Magdalena, para cuyo control se opt por la proteccin marginal con enrocado, en una longitud de 600 m de desarrollo de la curva, en combinacin con un espoln en bolsacretos ubicado aguas arriba. Sin embargo, el ro Magdalena continu el ataque erosivo, con tendencia a la verticalizacin del talud y a la prdida del material de enrocado, por lo que en 1995 se solicit a HIDROCONSULTA LTDA. realizar el diseo detallado de una solucin definitiva con paneles sumergidos (Hidroconsulta Ltda., 1995). El diseo concluy en la conveniencia de proteger una longitud total de 2.100m, as: Un sector de 640m correspondiente a una curva ubicada aguas arriba de la proteccin con enrocado y un segundo de 1.460m alrededor del sitio de la proteccin marginal; se seleccionaron paneles de concreto de 1,50m x 4,50m x

PNELES RGIDOS SUMERGIDOS - ECOPETROL (1993) MUELLE DE AROMTICOS - CIB

SECCIN 7-7

62

64

66

68

70

72

74

-350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0Distancia a la orilla derecha (m)

Cot

a (m

snm

)

20/12/91 10/07/93 28/07/93 13/08/93 25/08/93

Fecha de sondeo

70.45(1936)

75.16(1973)

MUELLE

DISEO INICIO OBRA + 18 das + 33 das + 45 das

PNELES10/07/93


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0,20m, los cuales fueron distribuidos en 15 y 32 conjuntos, respectivamente. El costo de la obra se estim en $303 millones. Por razones de presupuesto, pero tambin por la incertidumbre sobre los resultados de esta novedosa tecnologa, el Instituto Nacional de Vas opt por construir una primera etapa, la cual demostr la efectividad de la solucin en muy corto tiempo (Monroy, 1997). Entonces, se decidi por concluir las obras segn el diseo, lo que no fue realizado completamente por falta de recursos. La Fotografa 3 muestra varios conjuntos de paneles de la segunda etapa de construccin.

FOTOGRAFA 3. Conjuntos de paneles instalados en el ro Magdalena en Puerto Boyac para la proteccin de la carretera Puerto Boyac Puerto Serviez.

3.3 PROTECCIN DE ORILLAS EN TREMENTINO , RO SIN, CRDOBA. En el PR 3+0700 y el PR 4+0100 de la carretera Puerto Rey Moitos Lorica, la banca de la va fue afectada por la erosin causada por el ro Sin en la margen izquierda del cauce. Para su control se haban construido espolones en bolsacretos, en hexpodos y protecciones directas con pilotes en mangle a manera de tablestacado. Dichas protecciones no produjeron los resultados esperados; antes por el contrario, en 2003 las obras construidas se encontraban casi totalmente


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destruidas, habindose perdido media banca de la va (Fotografa 4). Por lo mismo, INVAS estaba considerando la construccin de tres espolones en pilotes y bolsacretos (Ineica Ltda., 2001), pero se decidi por evaluar la opcin de los paneles sumergidos y contratar su diseo. El diseo elaborado por HIDROCONSULTA LTDA. ( Hidroconsulta Ltda., 2004) entre enero y marzo de 2004, recomend proteger 630 m de ribera, utilizando 46 paneles de 6 m x 3 m x .165 m, distribuidos en 12 conjuntos espaciados entre 50 y 60 m. La instalacin de los paneles se realiz entre el 4 de septiembre y el 9 de octubre de 2004, con resultados positivos tan evidentes en cuanto a la suspensin del proceso erosivo que el INVIAS decidi acometer de inmediato la reconstruccin de la banca de la va (Fotografa 5). El costo de la proteccin de los 630m de orilla con paneles ascendi a $347 millones; es decir, a razn de $553.504 por metro de orilla protegida. La solucin con los espolones en tubera hincada y bolsacretos, que cubrira tan slo 150 m de orilla, se haba proyectado en $ 654 millones a precios de 2003, lo cual muestra tambin la bondad de la solucin con paneles en trminos de costos, adems de sus ventajas en el orden ambiental y de tiempo para la efectividad de la solucin.

Fotografa 4. Estado de la va en Trementino al momento del estudio y diseo de los paneles sumergidos para el control de la erosin por el ro Sin (Enero de 2004)


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Fotografa 5. Va reconstruida en Trementino, poco tiempo despus de la instalacin de los paneles (Enero 2005)

3.4 OTROS PROYECTOS EN COLOMBIA HIDROCONSULTA LTDA. ha diseado y recomendado la utilizacin de paneles sumergidos en varios proyectos, entre otros los siguientes: 9 Control de la socavacin en los apoyos del puente de la va Barranquilla

Calamar sobre el Canal del Dique. Construido. 9 Control de la erosin causada por el ro Metica en Puerto Lpez que

compromete seriamente la estabilidad de la carretera Puerto Lpez Puerto Gaitn, departamento del Meta. Sin construir.

9 Mejoramiento de las condiciones del ro Meta en el tramo comprendido entre

Puerto Texas (K674) y Bocas del Casanare (K325), para fines de una navegacin permanente con un canal estable. Sin construir.

9 Proteccin de la pista del aeropuerto de Florencia, Caquet, contra el ataque

erosivo de los caudales del ro Hacha, Florencia. Construido en 2003. De los proyectos construidos desafortunadamente no se cuenta con un monitoreo y seguimiento por parte de las Entidades propietarias. Aunque se tiene informacin de comportamientos favorables por simple observacin visual, varios de ellos no fueron construidos con la tcnica que permitiera la fiel reproduccin del diseo y algunos fueron ejecutados slo parcialmente.


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4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES GENERALES Para el caso especfico de la aplicacin de paneles sumergidos en el ro Magdalena frente al muelle de Aromticos de ECOPETROL en Barrancabermeja, las batimetras de control tomadas antes, durante y despus de la construccin muestran claramente lo siguiente: - El efecto de los paneles es evidente, en cuanto que generan sedimentacin en la

zona donde se instala un arreglo de paneles y en la zona comprendida entre los conjuntos.

- La dinmica propia del ro ha favorecido el proceso de sedimentacin de la zona

donde se instalaron los paneles. - Una vez cubiertos los paneles por el sedimento, estos cambian de funcin y

entran a rigidizar esa zona, estabilizando la nueva orilla definida por los arreglos. - El costo total de la obra, construida segn plazo contractual en setenta y cinco

das, fue de $175000.000, oo de 1993. - La obra en general presenta resultados satisfactorios en cuanto a la modificacin

de la seccin transversal del ro, con un efecto real en la profundizacin del cauce frente al muelle, con beneficio para el cargue y transporte de combustleo y de la eventual supresin y/o reduccin de los altos costos de dragado.

- La construccin de este tipo de estructuras debe ceirse estrictamente al diseo

y para ello se requiere un constructor experimentado y una interventora muy exigente con experiencia en el tema.

- Estas obras, al producir su efecto por debajo del nivel normal de la superficie,

requieren un seguimiento y monitoreo con mediciones batimtricas peridicas. - Los paneles sumergidos se constituyen en una alternativa de bajo costo para el

control de los fenmenos causados por sedimentos erosin en ros, bajos calados para la navegacin, acceso de sedimentos en las captaciones-, la cual debe continuar promocionndose, utilizndose y evalundose, con miras a su constante mejoramiento y ms amplia aplicacin.

5. REFERENCIAS Consorcio Hidroestudios S.A. Estudios Tcnicos, Batometras e investigaciones

hidrosedimentolgicas, estudio de ampliacin muelle de Ecopetrol en Galn, enero, 1997.


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Hidroconsulta Ltda., Diseo de paneles rgidos sumergidos para el control de sedimentacin, Muelle de Aromticos, Informe Tcnico, Empresa Colombiana de Petrleos, Bogot, diciembre, 1991.

Hidroconsulta Ltda., Diseo obras complementarias para el control de erosin de la

margen derecha del ro Magdalena en Puerto Boyac, Troncal Magdalena Medio, Puerto Boyac Puerto Serviez (K1+320-K1+920), Informe Tcnico, Salgado Melndez y Asociados Ltda. Instituto Nacional de Vas, Santaf de Bogot, D.C., mayo, 1995.

Monroy Puin, J. A., Construccin de obras complementarias para el control de

erosin en la margen derecha del ro Magdalena en el sector Puerto Boyac Puerto Serviez (K1+320 K1+920), Troncal Magdalena Medio, Informe Tcnico, Instituto Nacional de Vas, Santaf de Bogot, D.C., octubre, 1997.

Odgaard, A.J., and Kennedy, J.F., River bend Bank Protection by Submerged

Vanes, J. Hydr. Engrg., ASCE, Vol. 109, No. 8, August, 1983, p.1161-1173. Odgaard, A.J., and Mosconi, C.E., Streambank Protection by Submerged Vanes, J.

Hydr. Engrg., ASCE, Vol. 113, No. 4, April, 1987, p.520-536. Odgaard, A.J., and Wang, Y., Sediment Management with Submerged Vanes, I:

Theory, J. Hydr. Engrg., ASCE, Vo. 117, No. 3, March, 1991, p.267-283. Odgaard, A.J., Sediment Management with Submerged Vanes, II: Applications, J.

Hydr. Engrg., ASCE, Vol. 117 No. 3, March, 1991, p.284-302 Bogot, D.C., mayo de 2005.


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TABLA A.1 COMPARACIN TCNICA DE OBRAS HIDRULICAS VENTAJAS DESVENTAJAS

DRAGADOS HIDRULICOS 9 til para la rpida remocin de barras de

sedimentos y material duro del lecho del ro.

9 til para rellenos en la formacin de diques en combinacin con otros materiales.

9 Necesita obras hidrulicas de acompaamiento.

9 Sin obras, se convierte en labor permanente.

9 Grandes limitaciones ambientales. 9 Deben realizarse inmediatamente antes de

la poca de estiaje, requiriendo ms equipo. 9 Requiere de reas para disposicin del

material. ESPOLONES Y DIQUES

9 tiles para cambiar la direccin del flujo y reconformacin del canal navegable.

9 tiles para la reduccin de secciones transversales.

9 De fcil diseo, bajo recomendaciones generales resultantes de prueba y error.

9 De muy comn utilizacin. 9 Baja dificultad de construccin en aguas

bajas. 9 Conformables con diversos tipos de

material: bolsacretos, enrocado, geotubos (con dragado), pilotes.

9 Requiere gran cantidad de material para la construccin, a veces no disponible a costos y distancias razonables.

9 Requieren monitoreo y mantenimiento peridico.

9 Deben construirse por etapas. 9 Modifican drsticamente el coeficiente de

friccin y por ende la hidrulica local. 9 De gran impacto hidrulico por fuera de su

zona de localizacin. 9 De alto impacto ambiental por modificacin

del paisaje y altos volmenes de material. 9 Afectados en estabilidad por socavacin

local. 9 Alta dificultad de construccin en aguas

altas. 9 De lento efecto para sedimentacin.

DIQUES SUMERGIDOS 9 Efectivos en la conformacin del canal

navegable. 9 De bajo impacto ambiental, slo durante

construccin. 9 De fcil construccin en aguas bajas. 9 Conformables con diversos tipos de

material: enrocado, geotubos (con dragado), bolsacretos.

9 Requiere gran cantidad de material rocoso a veces no disponible.

9 Alta dificultad de construccin en aguas altas.

PANELES SUMERGIDOS 9 De bajo a nulo impacto ambiental; slo

durante la construccin. 9 Diseo soportado por la teora. 9 De muy fcil y rpida construccin,

independiente del ciclo hidrolgico local. 9 De efecto multipropsito simultneo:

proteccin de orillas, estrechamiento de seccin hidrulica y trampa de sedimentos.

9 Nulo mantenimiento. 9 Bajo requerimiento de material; pueden

ser prefabricadas en patio y transportadas al sitio.

9 No modifican el coeficiente de friccin; son de efecto local.

9 De efecto en muy corto tiempo, prcticamente inmediato.

9 Requiere de un diseo especializado. 9 Demanda alta tcnica y gran control

durante su instalacin.

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