CONFERENCIA

CONTROL DE EROSIÓN EN OBRAS VIALES

TEMA

Erosión en Taludes causada por impacto de la lluviay por flujos concentrados en Alcantarillas

Por:Alfredo Mansen Valderrama

MAYO , 2006

Introducción

El Perú a través del Ministerio de Transporte y Comunicaciones viene ejecutando un programa de construcción de carreteras en diferentes regiones de nuestro País.Hemos revisado los parámetros que se solicitan en los términos de referencia y la palabra erosión, mayormente esta relacionado con el cálculo de la socavación en pilares y estribos de los puentes y pontones.

Pero el concepto CONTROL DE LA EROSION en el diseño de la carretera no aparece como una actividad individualizada y prioritaria.Esta omisión nos genera preocupación ya que si existiera conciencia de la importancia del Control de la Erosión, las otras actividades de diseño deberían modificar sus parámetros ya que en algunos casos omiten o no toman en cuenta los considerandos que deben ser compatibles con los criterios que recomienda los procesos de control de la erosión.

En este trabajo técnico, trataremos de tres (3) puntos que consideramos que no deben omitirse en el diseño y construcción de la vía, en este primer informe nos concentraremos en zona de Selva y Sierra.

1.- Problemática de la Erosión en Taludes. 2.- Problemática de la Erosión en los flujos concentrados. 3.- Problemática de la Entrega de cunetas a los cauces naturales.

1. CONCEPTOS BÁSICOS DE EROSIÓN

La Erosión, se debe entender como un proceso natural en el cual los suelos y rocas son desprendidos de la superficie de la Tierra, las cuales son transportadas de un lugar a otro.

Foto 1: Erosión en Talud.

La Erosión, cambia el paisaje de la zona, haciendo que los materiales erosionados en su recorrido desde las montañas se almacenan en los valles, haciendo que los ríos aparezcan y desaparezcan. Hay una erosión natural que demora miles o millones de años, pero hay también un tipo de erosión acelerado que casi siempre está relacionado por la acción humana en actividades de Agricultura, Minería, Construcción, Pastoreo y Vivienda.

La Erosión comienza con un proceso de meteorización e intemperismo, los cuales por factores ambientales causan la rotura del suelo y de las rocas transformándolas en piezas más pequeñas y quedarán sueltas en la superficie de la tierra.

Existen agentes que aceleran los procesos erosivos, como son el viento y el agua siendo este último el más poderoso agente erosivo, ya que sus corrientes sean pequeños arroyuelos o inmensos ríos pueden transportar toneladas de suelo y rocas erosionadas

El tamaño de los materiales arrastrados dependerá de la velocidad y turbulencia del flujo, que dispone a la corriente, lo que si se comprueba que la roca resiste mejor que el suelo a la acción erosiva del agua debido a lo pequeño de sus partículas del suelo y son más fáciles de arrastrar por la acción dinámica del flujo.

Se ha constatado que el agua es el elemento predominante como agente erosivo en las carreteras y en segundo grado el viento.Aunque no se trata en el presente documento las causas de Erosión, se refleja en el fenómeno de la SEDIMENTACION.

1.1. Tipos de Erosión

Básicamente está clasificado en cuatro (4):

1. Erosión por impacto de lluvia.- Ocurre durante las precipitaciones y el impacto directo es mayor cuando el suelo esta descubierto.

2. Erosión laminar.- Las partículas del suelo se mueven por las fuerzas de corte asociados con el flujo de agua.

3. Erosión en Canalillos y Quebradas.- Cuando el flujo se concentra formando pequeños canalillos, y si la velocidad y el tirante se incrementa la erosión da lugar a quebradas.

4. Erosión por Cauces y Ríos.- Cuando los flujos se concentran dan lugar a la formación de arroyos y ríos los cuales causan erosión en el fondo de taludes de sus cauces.

Conclusión: El proceso de erosión esta asociado a la concentración de flujo.

1.2. Factores que influyen en la Erosión

A continuación se describe los principales factores:

a) Clima Las regiones que soportan lluvias con eventos de mayor duración e intensidad son más propensas a erosión

b) Características del Suelo

a) Distribución del tamaño de las Partículas y textura.b) Permeabilidad (estructura) y porosidadc) Contenido de materia orgánica (estructura)

USCSSOIL(HIGHWAY)

CODE

AGRICULTURE

SOIL STRUCTURE

CODE

AGRICULTURESOIL TYPE

SOILERODIBILITY

(K)RATING

Low

Low

Low

M edium

M edium

M edium

M edium

M edium

Low

LowSand

Loam y Sand

S ilt

Sandy Loam

Loam

Silty Loam

Sandy C lay Lam

C lay Lam

Silty C lay Lam

Sandy C lay

S ilt C lay

C lay

H eavy C layH C

C

SC

SIC L

C L

SC L

SL

L

SL

S

LS

S

O L

SC

SC

SW,SP

SM U ,SM d,M L

SM w,SM d,M L

C H

C I-C H

C I,C L-C I

En general un suelo gravoso bien graduado, con presencia de arcilla y si dispone de suelo vegetal, el efecto de la erosión es menor que en suelo alto contenido de limos y arenas finas.

c) Protección Vegetal.-

Es la más durable y efectiva medición del control de la erosión. Protege al suelo del impacto directo de lluvia. Aumenta la permeabilidad del suelo. Reduce la velocidad de la Escorrentía. Agrupa al suelo con sus elementos estructurales (raíces)

d) Topografía.- Esta relacionado con la forma, longitud y aspecto del talud.

2. CASOS DE EROSIÓN

Como se explicó en la Introducción, en el presente documento se analizarán los siguientes 3 casos: 2.1. Erosión en Taludes

Cuando se decide que dos pueblos se comuniquen con un camino, vía o carretera, el factor costo, es una variable que rige lo que denominamos el trazo de la vía, y en nombre de este factor se cometen algunas acciones que fomentan la aparición de los problemas erosivos.

SILTY CLAY LO AM

SAN D

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

HEAVY C LAY

CLAY

SILTYCLAY

CLAY LO AM

LO AM YSAN D

SAN DY LO AM

SAN DY CLAY LO AM

SILT LO AM

SILT

SAND YC LAY

SILTY SAND

LO AM

% Sand

32 1

4

4

Evitamos las líneas de cumbre y preferimos las medias laderas.

Cuando el trazo va a media ladera insistimos en el trazo tangente.

Evitar la alteración de la Topografía, con un trazo que favorece a la

velocidad y no la transitabilidad del pasajero.

1 2 3

A B

H

R ellenos excesivos

h

Pequeños m uros

Corte m oderado Corte Excesivo

Decidido el trazo en media ladera, analizamos la sección típica.

¿Se erosionará el talud?

La respuesta es positiva si:

a) El talud de corte es mayor que el talud natural

b) Si el suelo descubierto es granular c) Si la cubierta vegetal es incapaz de reponerse d) Si las lluvias son en especial del tipo convectivo con intensidades y duración

considerables

Caso Práctico - Selva Baja

1z

1

z

?

1

z2

1z1

1z2

1z1

1z3

?

A continuación se describe, el problema presentado por la erosión en los taludes, adoptados por la construcción de una carretera en la Selva Baja de Loreto. En algunos sectores del trazo de la vía, se decidió por razones económicas adoptar la sección siguiente. La pregunta obvia es:

¿Resistirá la acción erosiva de las lluvias?La respuesta se realizo en base a las preguntas anteriormente descritas

A ¿El talud de corte es mayor que el talud natural?El talud natural (Tn) era 1:2.5El talud adoptado en ele corte del terreno (Tc) fue 1:1 (Tc > tn)

B ¿El suelo descubierto es granular? El suelo era limo arcilloso

C ¿La cubierta vegetal se puede reponer?En la selva baja, los suelos agrícolas son una pequeña capa, acumulada en miles de años, en este espesor se desarrolla la flora selvática, debajo de este existe un suelo compacto que impide el crecimiento de las raíces; por lo que al haberse retirado la capa de suelo vegetal (Top Soil) es muy difícil, por no escribir imposible que crezca la cubierta vegetal en el talud en forma natural.

D ¿Las lluvias en la zona son en especial del tipo convectivo, con intensidades y duración considerables? Si son convectivos, las intensidades en la zona alcanza valores de 190 mm/h y también existen las de gran duración. Agravado con el efecto viento, que genera impactos oblicuos de la lluvia, adquiriendo esta una mayor energía cinética erosiva

Conclusión.- El talud se erosiono y todo el sedimento cayó sobre la cuneta obstruyéndola y dañando el pavimento.

Propuesta de Solución.La propuesta pasa por una solución Biotécnica con un elemento estructural (geosintético) y un material orgánico (planta), con el fin de recuperar la cubierta vegetal.

Requisitos del Geosintético:

a) Que permita disponer de una delgada capa de suelo, para que las plantas desarrollen su zona radicular.

b) Que se pueda tender en el talud y sostener el suelo.c) Que sea flexible y permeable a la vez d) Que sea factible de transportar a la zona en forma mas compacta.e) Que resista la acción de los rayos UV.

Requisitos de la Cubierta Vegetal:

a) Que tenga capacidad de desarrollarse en una delgada capa vegetal.b) Que se desarrolle en un periodo corto y en especial antes del periodo de lluvias

(Dic – Abril)c) Que sea nativa de la zona del Proyecto

Se reviso la información existente sobre los productos geosintéticos y se eligió el producto GeoWeb® de la firma Presto, considerando que reunía los requisitos

solicitados, con tal fin se solicito su apoyo para realizar un ensayo, directamente en la zona donde se desarrolla la vía.La firma Presto, acepto la petición y apoyo con materiales, soporte técnico de la instalación y con el aporte del Dr.Ricardo Smallban, especialista en reforestación en proyecto petroleros en la selva Ecuatoriana y Colombiana; quien ensayo con especies naturales y otras con tratamiento de enzimas para acelerar su crecimiento.Este proyecto se ha monitoreado durante casi un año, y el resultado de la protección con cubierta vegetal en el Tramo de talud analizado, se puede afirmar que ha sido bastante exitoso, quedando el próximo periodo de lluvia como plazo de confirmación en cuanto a durabilidad.

2.2. Flujos Concentrados

Cuando se produce la precipitación sobre un talud básicamente, la erosión comienza por el impacto de las gotas sobre el suelo, para continuar con una erosión laminar y posteriormente a una acanalada, como resultado de este proceso la erosión se notará pero en forma no tan rápida.El problema se agrava cuando la vía se asfalta, y se comienza a concentrar los flujos para su evacuación, al mínimo de obras de cruce, que por lo general son las estructuras denominadas alcantarillas.

Esta concentración de flujos en una sola estructura de cruce, ocasiona que el caudal acumulado en ella, disponga de mayor velocidad dentro del conducto, el cual al salir dispone de una energía cinética, y en algunos casos también potencial, capaz de erosionar el terreno ubicado en la zona de la salida.Existen en los libros de riego estructuras denominadas disipadores de energía, para aminorar la velocidad del agua y que estas causen el menor daño a la zona de la evacuación.Pero en el diseño de drenaje; debido al gran número de alcantarillas (Un buen sistema de drenaje debe disponer entre 3 a 4 alcantarillas por kilómetro para manejar las aguas de Escorrentía Superficial), no coloca estos disipadores y a lo más permiten que se disponga de un enrocado asentado en concreto, como medida de control.Este reporte, quiere resaltar que esta modalidad, acarrea falsos ahorros, porque el daño que sufre la vía, por no considerar en forma integral el problema de la erosión por los flujos concentrados ocasionan gastos tan altos, que el ahorro inicial logrado con las soluciones básicas, desaparecen por la necesidad de reparar el daño causado por el proceso de erosión, que hacen las aguas drenadas en su recorrido desde la salida de la alcantarilla hasta su entrega al depósito de recepción natural, el cual puede ser una quebrada, río o un lago

Análisis de Estabilidad de Protección

Donde:

= Paso del solado de protección = =

hw

W NW

F

VW t

f = N

L

= = Altura del agua

= = Longitud de protección = Coeficiente de escorrentía = Intensidad de la lluvia

= Peso especifico del agua = Área = L X 1= Velocidad del agua = Coeficiente de fricción =

=

Si esta diferencia sale mayor que cero, el cuerpo tiende a desplazarse. Análisis de Socavación a la Salida de la Protección

Al pasar el agua por el solado de concreto, se acelera por reducir la fricción, lo que equivale el aumento de su velocidad, la cual hace contacto con el suelo natural del talud.Este incremento de velocidad (Ver tablas) favorece el arrastre de materiales que conforman el suelo, sea este cohesivo o no cohesivo, por lo que la protección debe continuar hasta la zona de entrega.

H

Erosión local

V V >>

Erosión Regresiva

gHC 2V=Plano de falla

La velocidad del flujo va en aumento a medida que avanza en el talud, llegando a causar en la parte baja una erosión regresiva, que ya no solo pone en peligro la protección sino también todo el talud, comprometiendo en algunos casos la estabilidad de la carretera, por la creación de un plano de falla.

2.3. Entrega de Cunetas con Soluciones Bioingeniería (Ver presentación)