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lunes, 15 de noviembre de 2010

GSI (1) - Quebrada El Perro (5) - Dinámica Torrencial y Obras de Control


Panorámica de la cabecera de la Quebrada El Perro en noviembre de 2010. Se destacan los deslizamientos en la parte alta, las geoformas derivadas de la cobertura con suelos volcánicos, y el uso del suelo.

Los drenajes de montaña como la Quebrada El Perro (QEP) usualmente tienen un régimen hídrico torrencial ya que, como se aprecia en el siguiente perfil longitudinal, en su cabecera poseen una pendiente alta que les permite una gran capacidad de socavación (de riberas y de fondo), de arrastre de sedimentos y de agradación aluvial de éstos sedimientos (depósitos) en zonas de menor pendiente.


Perfil Longitudinal de un Drenaje de Tipo Torrencial (adaptado de "ANÁLISIS ESPACIO TEMPORAL DE LA LLUVIA EN LA CUENCA URBANA DE LA QUEBRADA SAN LUIS, MANIZALES – CALDAS". Adriana Botero G. UNAL Sede Manizales. 2008).

Durante el proceso de socavación de riberas, en QEP se producen movimientos en masa (deslizamientos) que se desplazan hacia el fondo del cauce y pueden llegar a represarlo, produciendo presas (diques) naturales que al romperse desencadenan avalanchas como las ocurridas en los meses de noviembre de 2008 y octubre de 2010.

Estas avalanchas, aunque tradicionales en la Quebrada El Perro, no eran noticia, puesto que solamente afectaban la parte baja (algunas viviendas del barrio Chachafrutos de ocupación por autoconstrucción). Pero en la actualidad el sector de Expoferias presenta una alta ocupación urbanística y de infraestructura vial que alteró la dinámica torrencial (cambio brusco de sección transversal y de pendiente media a baja) y cuando ocurren las avalanchas, se genera un gran impacto ambiental (físico) social y visual (es noticia!) al sector.

De acuerdo a los conceptos expuestos por el profesor Gustavo A. Silva M, el régimen torrencial en cauces como QEP es caracterizado por flujo con velocidad alta, número de Froude mayor que 1 y el perfil longitudinal del cauce se ve afectado por la formación de resaltos ocasionados por las irregularidades del fondo (pisicnas) y de las secciones transversales (gargantas o valles aluviales).

Elementos del Perfil Longitudinal de Cauces Torrenciales

Detalle de Algunos Elementos de Cauce Torrencial

La cantidad de material transportado depende de la conformación del fondo o lecho y de la capacidad de la fuente que produce los sedimentos. El lecho del cauce puede ser rocoso (Formación Quebradagrande en varios sectores en el caso de QEP), aluvial (sedimientos transportados desde la parte alta) o de material cohesivo (suelos volcánicos en la mayoría del perfil longitudinal en QEP).

En un lecho rocoso la sección transversal es estable; en lecho aluvial se presenta transporte de material aluvial dentro de la capa de material suelto, y en el lecho de material cohesivo, la posibilidad de movimiento del material de fondo es gobernada por el grado de cohesión, en comparación con el material aluvial del mismo tamaño.

La socavación en un tramo de una corriente natural es la suma de las siguientes dos componentes:

  • General: Se produce en lechos aluviales o cohesivos por efecto de la dinámica de la corriente y está relacionada con la conformación del nivel de base. Es un fenómeno a largo plazo, aun cuando eventos catastróficos pueden acelerarlo.
  • Local: Se presenta en sitios particulares del cauce y es ocasionada por el paso de crecientes y por la acción de obras civiles, como obras de encauzamiento, espolones, puentes con pilas o estribos dentro del cáuce, obras transversales de control, etc.

Antes de diseñar las obras para el tratamiento de cauces es necesario conocer la magnitud de la socavación.

Para determinar la magnitud de la socavación general se deben realizar análisis geomorfológicos entre puntos de control, o sea entre secciones estables. Estos análisis se basan en el estudio de fotografías aéreas y cartografía de diferentes épocas, y en los cambios que se aprecien en observaciones de campo y en levantamientos topográficos.

La socavación local tiene dos componentes, la producida por el paso de crecientes y la correspondiente a la construcción de obras civiles. Para calcular la primera existe un sinnúmero de fórmulas, que son modificadas continuamente por sus autores, a medida que se avanza en la experimentación de campo. Se basan principalmente en el efecto de la fuerza tractiva sobre la carga de fondo, y en los conceptos expuestos por Shields ("MANUAL DE HIDRAULICA DE RIOS". Caps 12, 13, 14. XV Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Curso Precongreso en Hidráulica de Ríos. Universidad del Norte. Barranquilla, Colombia. 1992).

El ingeniero mejicano José Maza A. ha realizado experimentos sobre socavación en ríos, y en su libro "MANUAL DE HIDRAULICA DE RIOS". Caps 12, 13, 14. XV Congreso latinoamericano de Hidráulica.Curso precongreso en Hidráulica de ríos. Universidad del Norte. Barranquilla, Colombia. 1992; presenta el desarrollo de fórmulas que permiten calcular la socavación que se produce en los cauces al paso de las crecientes extraordinarias.

El diario La Patria de Manizales publicó en 14-11-2010 la siguiente panorámica de la parte alta de la cuenca de QEP en el sector Cerro de Oro, con el fin de ilustrar la afectación del proceso de erosión sobre la conducción de agua tratada a la planta de Niza. A la izquierda se aprecian pantallas ancladas en concreto y a la derecha retroceso remontante del proceso sobre la margen derecha del cauce (nuevamente se destaca el uso del suelo) que contribuyó a la avalancha de 28-10-2010:


La superficie de una cuenca es generalmente variable debido al proceso de erosión de sus drenajes. Los drenajes menores crecen con mayor velocidad ladera arriba y la geometría de las cabeceras evoluciona por los derrumbes en las mismas.

La erosión es más intensa en cuencas jóvenes pequeñas (como la de la Quebrada El Perro) donde se calcula una velocidad de reducción del relieve, en 6.7 a 12.8 mm/año. En cambio, en las grandes cuencas es de 1.5 a 6 mm/año.

En estas cuencas de montaña el agua escurre con alta velocidad y gradualmente aumenta su volumen por la alimentación de los afluentes, predominando la erosión. El cauce va socavando (cortando en sentido vertical) el material del lecho y formando valles montañosos, conocidos con los nombres de: cañón, cañada, valle en "V", garganta y otros términos.

La posición de los drenajes en la superficie no es casual. El agua escurre buscando las porciones más débiles del terreno, que muchas veces corresponde a contactos entre unidades rocosas distintas, grietas, o fallas geológicas. Por esto, el análisis de los valles en su longitud, profundidad, perfiles longitudinal y transversales, son algunos de los elementos iniciales que permiten relacionar el relieve con la estructura geológica.

De acuerdo a la clasificación de problemas en cauces presentada por Juan David Arango G. en "OBRAS DE REDUCCIÓN Y MITIGACIÓN DE RIESGOS EN EL DEPARTAMENTO DE CALDAS"(2006); los problemas generados por la Quebrada El Perro corresponden a PROCESOS DE SOCAVACIÓN DE FONDO EN CAUCES ALTAMENTE TORRENCIALES, los cuales, finalmente, pueden generar deslizamientos profundos en las orillas del mismo, por sobre – empinamiento de los taludes.

Los cauces torrenciales presentan, en general, las siguientes características:
  • Cuenca aferente relativamente pequeña.
  • Cambios drásticos en caudales, derivados normalmente del desequilibrio hidrológico de la cuenca (por ejemplo, debido a cambios en los usos del suelo). Caudales máximos extremos en épocas de invierno y casi ausencia de aguas permanentes en épocas de verano.
  • Pendiente longitudinal muy fuerte (mayor del 10%). Esto genera, grandes velocidades del flujo y gran poder erosivo del mismo.
  • Aportes importantes de caudales sólidos (volúmenes altos de sedimentos por erosión hídrica superficial o por movimientos en masa).
  • Procesos de profundización y de socavación de fondo importantes.
  • Suelos del lecho altamente erodables (rocas fracturadas o cizalladas, suelos blandos).

En ciertas zonas de Manizales, se han planteado relaciones Lluvias - Niveles Freáticos - Deslizamientos, para lo cual, en primer lugar se selecciona y verifica el indicador de precipitaciones que mejor se asocia estadísticamente con la ocurrencia de deslizamientos.

Posteriormente, se definieron umbrales de precipitaciones y de niveles freáticos, con los cuales se “dispara” la actividad denudativa en el área de estudio. De esta forma puede llegar a obtenerse una respuesta técnica a la pregunta de: "cuándo se presentan deslizamientos en una zona en particular?".

Relación Lluvia - Deslizamientos para la ciudad de Manizales. (Juan David Arango G. en "OBRAS DE REDUCCIÓN Y MITIGACIÓN DE RIESGOS EN EL DEPARTAMENTO DE CALDAS". Manizales. 2006)

La intensa precipitación de 28-10-2010 disparó los procesos más recientes para los cuales se tenía la información meteorológica presentada a continuación, en donde se destaca que para las 3 estaciones cercanas, los acumulados de 25 días estaban en la franja de alerta amarilla de amenaza a ocurrencia de deslizamientos y la cantidad de lluvia precipitada elevó el acumulado hasta la alerta naranja:


Un modelo idealizado del proceso de erosión de la cuenca puede ser como el que se presenta en la siguiente imagen:

Modelo de Erosión en la Cuenca de la Quebrada El Perro (propuesto por A. Surrel (1841).
(a) Cabecera = Sector Cerro de Oro.
(b) Canal de Transporte = Sector Sierra Bonita.
(c) Cono de Deyección = Glorieta Expoferias.

La siguientes imágenes ilustran el proceso de socavación lateral de las riberas de QEP en la parte alta de la cuenca, generando deslizamientos remontantes sobre los depósitos de suelos volcánicos:

Formas y Direcciones de Erosión Torrencial:
H = Erosión hacia aguas arriba o remontante.
L = Socavación lateral de riberas.
V = Socavación vertical de fondo.


Proceso de Erosión Hídrica y Desestabilización de las Márgenes del Cauce (adaptado de http://facingyconst.blogspot.com/2009/08/deslizamientos-de-taludes-guia-para.html)

En detalle, el movimiento en masa generado por la socavación lateral y de fondo del cauce se presenta a continuación y consiste en que al remover la base del talud de margen (pérdida de soporte) en conjunto con la acción de aguas superficiales (de escorrentía e infiltradas) y subterráneas (infiltradas y niveles freáticos), se desestabiliza un bloque que se desplaza sobre el drenaje represándolo o estrangulando su sección transversal (modificando la línea natural de drenaje) y originando nuevos procesos similares aguas abajo del presentado:


De acuerdo a lo anterior, es indispensable controlar el proceso de socavación lateral y de fondo del drenaje mediante la construcción de diques o presas para estabilización de drenajes y retención de sedimentos; también denomidadas obras transversales para corrección torrencial.


La corrección de torrentes tiene por fin controlar su gran potencial destructivo, producto de la energía del flujo proveniente principalmente de la elevada pendiente de los cauces y de la presencia de materiales sólidos transportados por la corriente, los cuales, junto con el agua, pueden causar enormes daños al alcanzar las planicies aguas abajo, donde normalmente se concentran las actividades y la infraestructura humana (ciudades, carreteras, cultivos, etc.).

Cuando los cursos de agua aumentan de caudal, como consecuencia de las lluvias en su cuenca, el flujo reclama su territorio invadido por el hombre, produciéndose cada vez con mayor frecuencia catástrofes que involucran pérdidas de vidas humanas y económicas cuantiosas. La memoria del agua es tal que por más que durante años no se haya manifestado, al cabo del tiempo hace presencia tratando de recobrar sus territorios.

Existen una variedad de técnicas para corrección de torrentes, la mayor parte de las cuales tienen por objetivo disminuir la erosión y evitar hasta donde sea posible la producción de sedimentos. Las técnicas para corrección de torrentes se pueden clasificar desde varios puntos de vista:

a) Técnicas para control de erosión en la cuenca,
b) Técnicas para control de erosión en el cauce,
c) Técnicas para control de torrentes depositantes y
d) Técnicas para control de torrentes socavantes

Los cauces torrenciales depositantes requieren de acciones en la cuenca y los socavantes, de acciones en el cauce. Las acciones en el cauce sirven tanto para corregir las zonas de la garganta, del cono de deyección y de canal de desagüe.

Las acciones de tratamiento deben ser acometidas de una manera integral en la estabilización de una cuenca torrencial.
Las obras para el control del transporte sólido y del perfil del lecho de los cauces torrenciales, se agrupan en dos tipos:

a) las obras de estabilización y
b) las obras de retención.

Las obras de estabilización tienen como objetivo levantar el fondo del cauce y reducir la erosión de las laderas. Usualmente estas consisten en pequeñas presas escalonadas que se construyen en el cauce principal o cauces tributarios cumpliendo también la función de reducir la pendiente y el transporte sólido.

Las obras de retención de sedimentos consisten en diques para capturar y almacenar los arrastres sólidos, construidos usualmente en la garganta del cauce torrencial o en la salida de sus afluentes principales. Los diques de retención de sedimentos reducen la concentración de sedimentos y la descarga pico de las crecientes y pueden ser del tipo cerrado o abierto, también llamados impermeables o permeables, respectivamente.

Los diques cerrados (impermeables) interceptan la mayor proporción del material arrastrado, excepto las partículas más finas que pasan cuando las crecientes desbordan la presa.

Los diques abiertos (permeables) se construyen con aberturas en el cuerpo de la estructura y cumplen el objetivo de seleccionar el material sólido, reteniendo las fracciones más gruesas y dejando pasar las más finas. Pueden ser del tipo ranurado, cuando la abertura alcanza la cresta (diques ranurados) o del tipo de ventanas, cuando no la alcanza (diques con ventanas). Estas estructuras pueden mantener intacta su capacidad de almacenamiento por periodos mas largos de tiempo, además de reducir el impacto erosivo sobre los tramos aguas abajo ya que el caudal sólido no es interrumpido bruscamente. Si las aberturas son lo suficientemente grandes, los eventos ordinarios (crecientes anuales) no deberían reducir su capacidad de almacenamiento, dejándola disponible para eventos extraordinarios.

En Manizales, se utilizan los siguientes tipos de obras para el control torrencial:

Diques en gaviones: Son estructuras utilizadas en cauces con alto aporte de sedimentos; recomendadas para corregir cauces poco contaminados con aguas negras. Constan de un vertedero central, por lo general de sección rectangular, revestido en concreto con el objeto de aumentar la vida útil de la estructura. Algunos ejemplos:

Diques en Gaviones Quebrada El Silencio. Manizales. Carlos E. Escobar



Diques en concreto: Son estructuras importantes dentro de la corrección de cauces. Su localización debe ser cuidadosa y las obras complementarias de protección adecuadamente diseñadas con el fin de garantizar su estabilidad frente a fenómenos de socavación. El concreto reforzado es utilizado en estructuras sometidas a altos empujes por flujos, como los diques laminadores de caudales o los diques de retención del caudal sólido. Ejemplo:


Obras de protección de márgenes: Se utilizan para la protección de los taludes laterales que conforman las márgenes de cauces permanentes contra la socavación y adicionalmente para conservar la línea deseada de las nuevas orillas en formación. La defensa de márgenes en tramos rectos es necesaria en ambas orillas; en tramos curvos, es necesaria solamente en la orilla exterior. Debe tenerse en cuenta, además, que la acción erosiva de las corrientes es más pronunciada en la base de los taludes, de ahí que la defensa en estos sitios tendrá que ser más sólida que en las partes altas. Es común utilizar como obras de protección lateral: enrocados, gaviones, cajones de piedra, colchacreto o sacos de suelo-cemento. Ejemplo:


Obras de control de fondo: Su propósito es fijar el lecho del cauce a un nivel predeterminado e impedir, de esta manera, la continuación de los procesos de profundización del fondo de corrientes de agua permanentes. Estas obras se construyen excavando una zanja coincidente con una sección transversal del cauce y colocando piedras de buen tamaño (a veces unidas con concreto, si el cauce es muy torrencial o si el caudal es apreciable) o troncos de madera de muy buena resistencia. La profundidad de colocación de los materiales de protección varía de acuerdo con el tipo de suelo del lecho, la pendiente longitudinal del cauce y la profundidad a la que se encuentre un lecho más estable.

Diques de madera: Son estructuras de carácter temporal que ejercen el control de fondo de una cárcava o de cauces pequeños o intermitentes, con el fin de permitir el establecimiento definitivo de la cobertura vegetal. Ejemplo:



Diques en piedra: Pueden ser en piedra con o sin ligante de concreto (este último caso se conoce como mampostería en seco). Los diques en piedra con ligante en concreto se aplican en cauces permanentes. En nuestro medio es común utilizarlos hasta de 3.0 m de altura. Estas estructuras se pueden reemplazar por diques en concreto ciclópeo o en concreto simple. Se prefieren cuando las condiciones de resistencia de los suelos de fundación sea aceptable y presente buena consolidación. Los diques en piedra en seco (sin ligante en concreto) aplican cuando el terreno de cimentación es débil y de baja resistencia. Tienen la ventaja de anular el peligro de las presiones del suelo, pero es inconveniente cuando la roca de cimentación está muy fracturada. Muy frecuentemente han sido implementados en líneas de drenaje y cauces secundarios con bajos caudales y alta producción de sedimentos. Ejemplos:




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