SEDIMENTOS FLUVIALES – RIESGO PARA OBRAS DE INFRAESTRUCTURA Autor : Dr. Juan José Victoria

Guatemala, Septiembre de 1999

SEDIMENTOS FLUVIALES – RIESGO PARA OBRAS DE INFRAESTRUCTURA Los sedimentos fluviales forman parte de los procesos naturales que contribuyen a los cambios morfológicos en general. Los sedimentos en suspensión o arrastrados son un fenómeno común en los ríos de todo el mundo. Su efecto puede tomar dimensiones catastróficas en regiones afectadas por ciclones tropicales. Las cantidades de sedimentos arrastradas por los ríos dependen del efecto independiente o combinado de varios fenómenos naturales y de la actividad humana, tales como: § § § §

Régimen de precipitaciones Morfología Uso de la tierra Actividad sismotectónica

Desde su creación, todas las lagunas y lagos están condenados a desaparecer a medida que son llenados por los sedimentos transportados por los ríos que desembocan en ellos. En condiciones naturales, este es un proceso irreversible. El riesgo de daños a las obras hidráulicas generalmente se asocia con eventos hidrológicos extraordinarios, tales como tormentas y ciclones tropicales, lluvias monsónicas, tifones, etc. Por este motivo, es una práctica común el seleccionar el caudal de diseño de acuerdo a una probabilidad de ocurrencia o periodo de recurrencia dado. Sin embargo, con frecuencia ha ocurrido que los masas de sedimentos arrastradas han dado lugar a cambios drásticos en los cauces de los ríos, modificando el régimen hidráulico y dañando o destruyendo totalmente la infraestructura existente. Por otro lado, el efecto de sedimentos generalmente se considera en la estimación de la vida útil de embalses estacionales. Esto por lo regular se hace de acuerdo a estimaciones de masas anuales determinadas en base al análisis de registros históricos. Los sedimentos transportados por los ríos han sido subestimados en mas de una ocasión, obligando a reducir la vida útil esperada de los embalses. Es necesario revisar los criterios de diseño de todas obras hidráulicas considerando los sedimentos fluviales como un parámetro mas a ser tomando en cuenta en la selección y dimensionamiento de las obras. El riesgo de ocurrencia de concentraciones extraordinarias debe ser debidamente evaluado. En base a experiencias en varios países y regiones del mundo (América Central, Himalayas en Pakistán, Andes en el Perú, etc.) el autor ha desarrollado métodos y procedimientos para la estimación de cargas extremas de sedimentos en ríos. La información ha sido aplicada especialmente para la planificación, diseño y operación de proyectos hidroeléctricos. Sin embargo, los métodos validez para cualquier tipo de obra hidráulica que puede ser afectada directa o indirectamente por sedimentos. Se presentan recomendaciones específicas sobre la manera estimar las cargas de sedimentos a fin de establecer parámetros de diseño para obras hidráulicas en general, tales diques, espigones, alcatarillas, puentes, vertederos, represas, etc.

INTRODUCCION Los sedimentos fluviales son transportados por el agua en suspensión o arrastrados por el fondo. La distribución espacial y temporal de las masas arrastradas depende de varios factores climáticos y morfológicos.

Con frecuencia se diseñan obras hidráulicas en base a caudales máximos estimados, ignorando en muchos casos que en condiciones extremas los ríos transportan grandes cantidades de sedimentos. Esto conduce a daños parciales o totales de las estructuras debido a que el régimen hidráulico se ve afectado por los sedimentos transportados.

NATURALEZA DEL FENOMENO Obviamente, los sedimentos transportados por los ríos tienen un origen o fuente. Generalmente estas fuentes están asociadas con la actividad sismotectónica, erupciones volcánicas, uso de la tierra, erosión del cauce, etc. La actividad sismotectónica constituye uno de los mecanismos más importantes en el origen de los sedimentos. En los Himalayas, así como en los Andes se ha podido establecer que en las zonas con mayor actividad sismotectónica también se observan los mayores aportes de sedimentos fluviales. Estos llegan a los cauces de los ríos a través de avalanchas, derrumbes, deslizamientos, etc. Las áreas cubiertas por glaciares aportan regularmente, en especial en el verano cuando la temperatura del aire asciende, grandes cantidades de sedimentos en suspensión y carga de fondo. Las partículas cuyo diámetro es de 0.2 mm o inferior son transportadas en suspensión a lo largo de grandes distancias. Estas únicamente se sedimentan cuando la velocidad de flujo del agua es muy baja, como es el caso de embalses y lagos. Por otro lado, dependiendo de la pendiente del cauce, la carga de fondo se mueve muy lentamente. Las cenizas volcánicas constituyen una importante fuente de sedimentos en América Central en general y en las faldas de los volcanes activos especialmente. Después de depositarse en el terreno, estas son transportadas durante la temporada lluviosa, azolvando los cauces y provocando desbordes de los ríos, aun cuando los caudales no son extremadamente altos. Las lluvias extraordinarias asociadas con los ciclones tropicales en el Caribe, lluvias monsónicas en el sur de Asia, tifones en Japón y altas precipitaciones provocadas por el fenómeno del Niño causan estragos no solamente por los caudales líquidos sino también por los caudales sólidos transportados.

SEDIMENTOS EN SUSPENSION Los sedimentos en suspensión son generalmente estimados en base mediciones realizadas en los ríos. Debido a que no es posible realizar mediciones continuas de sedimentos en suspensión, el procedimiento más común es el desarrollar curvas que relacionan caudales sólidos con caudales líquidos. Debido a la gran dispersión que generalmente se observa, en la practica se ajustan funciones exponenciales y los resultados son representados gráficamente en diagramas logarítmicos, como se muestra en los siguientes cuadros correspondientes a la estación Besham Qila en el río Indo en Pakistán. El problema que surge con este tipo de análisis es que las funciones exponenciales ajustadas no representan correctamente los valores extremos registrados. Esto da lugar a que en general se tiende a subestimar el aporte de sedimentos en suspensión.

Indus at Besham Qila 100000

1.4982

y = 0.0045x 2 R = 0.7909

Concentration (ppm)

10000

1000

100

10

1 100

1000

10000

100000

Discharge (m3/s)

Relación log-log de Caudales Liquidos y Sedimentos en Suspensión, Río Indo en Besham Qila

Indus at Besham Qila 18000 16000

Concentration (ppm)

14000 12000 1.4982

y = 0.0045x 10000

2

R = 0.7909

8000 6000 4000 2000 0 0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

Discharge (m3/s)

Relacion lineal de Caudales Líquidos y Sedimentos en Suspensión, Río Indo en Besham Qila Por este motivo es necesario hacer ajustes en el cálculo a fin de poder incluir los valores extremos registrados. Para ello puede adoptarse un procedimiento similar al desplazamiento (shifting) utilizado para el calculo de caudales medios diarios. De esta manera es posible por menos asegurar que las estimaciones de sedimentos, especialmente valores extremos, toman en cuenta las mediciones realizadas. Est puede apreciarse en las gráficas a continuación.

Sedimentos en suspensión, Río Santa en La Balsa, Perú

Sedimentos en Suspensión, Río Los Esclavos en La Sonrisa, Guatemala

ARRASTRE DE FONDO El arrastre de fondo es aun más difícil de medir y su cuantificación en condiciones naturales más difícil de establecer debido a los complejos mecanismos que gobiernan este tipo de flujo. En la practica se aplican frecuentemente fórmulas derivadas en a través de experimentos realizados en laboratorios o formulas fórmulas empíricas establecidas a través de mediciones en el campo. La cuantificación de los sedimentos transportados por el fondo es muy importante para establecer las medidas a tomar en la prevención de daños a obras de ingeniería. Son precisamente estas masas de material las que generalmente representan el mayor riesgo. Los aspectos a considerar en la cuantificación del arrastre de fondo son: •

Iniciación del movimiento

•

Cantidad de sedimento transportado

El movimiento incipiente ha sido investigado fundamentalmente en laboratorios. La mayoría de las formulas derivadas se aplican a ríos con fondos arenosos y pendientes suaves. Las 1 investigaciones realizadas por Shileds (1936) constituyen un aporte fundamental en este sentido. 2

De igual manera, la formula de Meyer-Peter/Müller (1948) es aplicable a ríos con pendientes 3 inferiores al 2%. En base a mediciones realizadas posteriormente Smart y Jäggi extendieron esta fórmula para poder cubrir pendientes mayores al 2%. Sin embargo, debe comprenderse que estas fórmulas solamente dan una indicación de la capacidad de transporte de las secciones en consideración y no de la cantidad de transporte propiamente. En general, las formulas antes mencionadas no son aplicables a ríos con fuertes pendientes, especialmente en regiones montañosas. Las razones principales son: •

En los lechos de los ríos se forma una capa que funge como coraza (en la literatura en idioma Ingles se le denomina ‘armor layer’) que resiste a la erosión dentro de un rango de caudales muy superior al estimado en base a las formulas arriba mencionadas. Solamente cuando se rompe la capa-coraza se inicia el movimiento del material de fondo. Debajo de la capa-coraza el material ofrece poca resistencia al transporte, lo cual provoca el movimiento de grandes masas cuando caudales altos logran romper la capa-coraza.

•

En los ríos de montaña, en condiciones naturales el flujo del agua ocurre en una serie pozasescalonadas (en la literatura en idioma Ingles se les denomina ‘step-pools’). Estas estructuras son modificadas en cada temporada de caudales altos, especialmente cuando la capa-coraza es destrozada por el agua.

El complejo comportamiento de la capa-coraza y su interacción con el régimen de caudales esta siendo investigada en la actualidad en varios países. Hasta la fecha solamente se cuenta con experiencias especificas de investigaciones de laboratorio y algunas mediciones en el terreno. 1

Shields, A.S. Anwendung del Aehnlichkeitsmechanik und der Turbulezforschung af der Geschiebebewegung. Mitt.. Preuss. Versuchsanstalt fuer Wasserbau und Shiffbau, Vol 26, Berlin 1953. 2 Meyer-Peter, E., and Mueller, R. Formulas for Bed Load Transport. Internat. Assoc. Hydraulic nd Structures Research, 2 Meeting, Stokholm, 1948 3 Smart, G., and Jaeggi, M. Sedimenttransport in Steile Gerinnen. Mitteilung der Versuchsanstalt fuer Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie. Eidgenoessische Technische Hochschule Zuerich. Zuerich 1983.

CONDICIONES EN GUATEMALA Dadas las diferentes condiciones geológicas y morfológicas en Guatemala, la predicción del comportamiento de los ríos no es uniforme. Los ríos en la parte norte del país, donde predominan las rocas calizas, karstificadas en una amplia región, los problemas con sedimentos en suspensión y el arrastre de fondo son poco críticos. Los problemas se presentan en las áreas donde predominan las rocas metamórficas e ígneas. Las rocas metamórficas se encuentran en regiones donde también se observa alta actividad sismotectónica. Los sedimentos se originan tanto por sismos, como por la actividad volcánica pasada y presente. Especial problema presenta las áreas afectadas por las erupciones volcánicas. Las cenizas depositadas en las faldas de los volcanes son transportadas por los ríos durante la temporada lluviosa, provocando azolvamiento de los cauces y desborde de los ríos. Debido a las grandes masas de sedimentos transportadas se necesitan también obras de ingeniería adecuadas para encauzamiento de las aguas y protección de áreas bajo riesgo de inundación. La situación en Guatemala se agudiza cuando ocurren ciclones tropicales, los cuales incrementan considerablemente los caudales de los ríos, aumentando en gran manera su capacidad de transporte.

REQUERIMIENTOS DE INFORMACION BASICA Definitivamente, través de una base de información amplia y confiable es posible establecer parámetros de diseño apropiados. Esto requiere de la ejecución de campañas permanentes de aforos de caudales, medición de sedimentos en suspensión y arrastre de fondo. Este es un requerimiento indispensable para superar la etapa de empirismo que afecta a muchos países en vías de desarrollo. A través del Proyecto Hidrometeorologico Centroamericano (PHCA) ejecutado a con el apoyo del Programa de Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD) se ampliaron redes de medición y fortalecieron los servicios en los países de la región. Durante el tiempo que duro el proyecto se mejoro notablemente la base de información. Desafortunadamente, la red de estaciones se ha deteriorado de forma alarmante en varios de los países de la región. Los organismos responsables se han visto obligados a abandonar muchas de las estaciones debido a limitaciones presupuestales, recortes de personal, etc. La frecuencia de mediciones en las pocas estaciones aun operativas se ha reducido a niveles inaceptables, prácticamente cumpliendo formalismos. La consecuencia es que en general la información hidrológica actualmente disponible es limitada y de muy baja confiabilidad. La cuantificación de eventos hidrológicos extraordinarios, tales como grandes avenidas y las cargas de sedimentos transportadas, es muy difícil y requiere de equipo adecuado y personal capacitado. Actualmente se carece de infraestructura y personal para cumplir con requerimientos mínimos en la mayoría de los servicios de los países de la región. Por lo tanto, prácticamente no existe la posibilidad de cuantificar debidamente estos fenómenos con el propósito de establecer parámetros de diseño adecuados para las obras de ingeniería.

METODOS DE ANALISIS Y DISEÑO Es necesario establecer las fuentes de sedimentos y sus características. La morfometría de los cauces de los ríos dan una indicación sobre la capacidad de transporte, sin embargo no necesariamente implican que regularmente grandes cantidades de sedimentos son transportadas. Los sedimentos transportados por los ríos dependen de las fuentes que los alimentan. Estas pueden tener una actividad regular, como es el caso de los sedimentos originados en áreas cubiertas por glaciares, o esporádica, como ocurre con derrumbes y deslizamientos originados por actividad sísmica, lluvias intensas, etc. Las medidas preventivas a tomar dependen en gran manera de la naturaleza y magnitud de las fuentes de sedimentos. En otras palabras, el problema debe ser analizado desde su origen y no únicamente en el área de interés. La identificación de fuentes de sedimentos puede hacerse con la ayuda de sensores remotos. En la actualidad se ha facilitado enormemente el acceso a imágenes satelares y el hardware y software necesarios para su interpretación también puede obtenerse en el mercado a precios muy razonables. Para el diseño de las obras puede hacerse uso de métodos modernos basados en la aplicación de modelos físicos y matemáticos. Las siguientes figuras muestran algunos ejemplos de aplicación para el dimensionamiento y diseño de centrales hidroeléctricas de baja caída en el río Indo, en Pakistán. Los modelos físicos requieren de infraestructura adecuada y de personal especializado. En general su aplicación se justifica en obras de ingeniería de mediano y gran tamaño. Por otro lado, los modelos matemáticos han avanzado notablemente en años recientes. La mayor capacidad e inferior costo de las computadoras personales permiten ahora analizar problemas complejos a relativamente bajo costo. En la actualidad de posible aplicar modelos tridimensionales en computadoras personales. Esto permite simular de mejor forma el régimen hidrodinámico en ríos, embalses, lagos, etc. Debido a su relativo bajo costo, los modelos numéricos pueden utilizarse para obtener un mejor diseño de las obras de ingeniería, aun en el caso de tratarse de obras menores, tales como obras de encauzamiento (espigones, diques, etc.), puentes, alcantarillas, etc. Obviamente, se necesita una base de información amplia y confiable para asegurar resultados utilizables.

Modelo Físico de la Presa y Planta Hidroeléctrica Jinnah, Río Indo, Pakistán

Modelo Matemático de la Presa y Planta Hidroeléctrica Jinnah, Río Indo, Pakistán

RECOMENDACIONES A continuación se presentan algunas recomendaciones básicas: •

Es muy importante establecer criterios y procedimientos de diseño de las obras de ingeniería que tomen en consideración las condiciones naturales extremas que se presentan en América Central, especialmente inundaciones, terremotos y erupciones volcánicas.

•

Para superar el empirismo es urgente mejorar la base de información en el ámbito centroamericano en general.

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En cuanto a la determinación de parámetros hidrológicos para el dimensionamiento, diseño y construcción de obras hidráulicas, es urgente rehabilitar y ampliar las redes de estaciones hidrológicas.

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Se necesita intensificar la frecuencia de mediciones a fin de asegurar una base de información amplia y confiable.

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Es necesario evaluar el impacto de los sedimentos fluviales en las obras de ingeniería a fin de poder establecer los criterios y parámetros necesarios para la planificación, diseños y construcción de las obras.

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Técnicas modernas, tales como sensores remotos, pueden ser utilizados en la identificación y evaluación de las fuentes de sedimentos que pueden afectar adversamente las obras.

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La aplicación de modelos físicos y matemáticos pueden ayudar a obtener un mejor diseño de las obras.

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Los modelos matemáticos actualmente disponibles en el mercado permiten simular sistemas complejos. Debido fundamentalmente al relativo bajo costo de su aplicación y bondad de los resultados, los modelos matemáticos han ganado mucha popularidad en años recientes.

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Los modelos matemáticos han sido utilizados satisfactoriamente en el estudio de proyectos complejos en los cuales el transporte de sedimentos ha sido un aspecto fundamental a investigar.