TEMA IV OBRAS DE DEFENSA Y ABRIGO

TEMA IV OBRAS DE DEFENSA Y ABRIGO

OBJETIVO: Diseñar obras de protección y canales de acceso.

IV.1 Función y clasificación de las obras de protección.
IV.2 Diseño de rompeolas.
IV.3 Diseño de muros verticales.
IV.4 Evolución playera por construcción de obras. Tiempo de llenado.
IV.5 Dimensionamiento de canales de navegación. Profundidad, ancho, distancia de parada.

IV.1 Función y clasificación de las obras de protección.

CLASIFICACIÓN DE LAS OBRAS DE PROTECCIÓN

Actuaciones lado mar

⇒ Espigones. Diques de encauzamiento

⇒ Muros. Revestimientos. Pantallas

⇒ Dragados

⇒ Instalaciones especiales

- Actuaciones lado tierra

⇒ Ordenación del litoral

⇒ Regeneración de playa

Clasificación energético-funcional (objeto Xornada)

Estructuras de protección reflejantes

Estructuras de protección disipativas

Estructuras de protección transmisoras

Estructuras de protección mixtas

Balance energético: 

Energía incidente (Hi) = Energía transmitida (Ht) +  

energía disipada + energía reflejada (Hr)

Coeficientes de análisis: 

Coeficiente de transmisión (Kt),  disipación (Kd), reflexión

(Kr)

                                       

IV.2 Diseño de rompeolas.

ROMPEOLAS

El objetivo de la construcción de un rompeolas es establecer una zona de mar en calma en la que las embarcaciones se puedan amarrar con seguridad durante períodos meteorológicos adversos. Es, por lo tanto, importante para la comunidad local que el rompeolas sea capaz de soportar el impacto de las olas normalmente propias de la zona. La no consecución de estos objetivos en situaciones normales (sin contar el efecto de tormentas extraordinariamente fuertes) podría provocar daños considerables a la flota pesquera. Para evitar que esto suceda se deberán tomar todo tipo de precauciones al construir un rompeolas a nivel artesanal con muy poca o ninguna ayuda o supervisión por parte del ministerio de obras públicas. De hecho, en litorales rocosos, no se debería intentar construir rompeolas en profundidades superiores a los 3 m sin contar con asistencia técnica, debido a la compleja naturaleza de las olas en aguas más profundas. Por otra parte, en las costas arenosas siempre debe recabarse el asesoramiento de expertos, cualquiera que sea la profundidad del agua.

Figura 30
Sección transversal tipica de un rompeolas de escollera.

El rompeolas típico consiste en una cresta de piedra basta, también llamada núcleo, cubierta o protegida por recubrimientos o capas de piedras más pesadas (Figura 30).

El núcleo. Normalmente éste consiste en desechos de cantera sin las partículas finas (polvo y arena) vertidos en un montón en el mar por medio de un camión volquete. Para facilitar el vertido por medio de un camión, el núcleo debe tener preferiblemente una anchura de 4 a 5 m en su extremo superior y encontrarse a una altura aproximada de 0,5 m por encima del nivel medio del mar o, cuando hubiera una gran amplitud de mareas, por encima del nivel de pleamar en marea viva (Figuras 31a a 31c). El extremo superior del núcleo se deberá mantener nivelado y uniforme por medio de una máquina explanadora a fin de permitir que los camiones volquete puedan viajar a lo largo de todo el rompeolas. Cuando se echa al agua, el núcleo de escollera queda descansando con una pendiente aproximada de 1 a 1, lo que quiere decir que su nivel desciende en 1 m por cada metro que avanza. Dado el poco peso de la escollera en el núcleo, todo el trabajo de construcción relacionado con rompeolas deberá efectuarse durante las estaciones de más calma.

En el Capítulo 4 se describe detalladamente el tipo de roca adecuado para un rompeolas de escollera.

La primera capa inferior. La primera capa inferior de piedra que protege el núcleo de escollera para impedir que sea arrastrado normalmente consiste en piezas sueltas de piedra cuyo peso varía entre un mínimo de 500 kg hasta un máximo de 1 000 kg (Figuras 32a a 32c).

Estas piezas se depositan normalmente en dos capas como mínimo con una pendiente que es generalmente menos acusada que la del núcleo, 2,5/1 en la pendiente exterior y 1,5/1 en la pendiente interior. Una pendiente de 2,5/1 quiere decir que el nivel desciende 1 m por cada 2,5 m de avance. La primera capa de piedra puede ser colocada con una excavadora hidráulica, como se muestra en las Figuras 32b y 32c. También se puede utilizar una grúa normal si hay espacio para las patas de apoyo; no se deben utilizar las grúas con ruedas de goma en ningún momento sobre un núcleo desnivelado sin que sus patas de apoyo se encuentren en la posición extendida.

La excavadora debe colocar la piedra más pesada tan rápido como sea posible sin dejar demasiado núcleo de escollera expuesto a la acción de las olas. Si llegara una tormenta al lugar con demasiado núcleo expuesto, existe el grave peligro de que el núcleo sea arrastrado y distribuido por las olas en toda la zona de construcción del puerto.

La Figura 32a muestra la distribución de un perfil de piedra determinado, en este caso con una pendiente de 2,5/1: la distancia H es la altura de la parte superior de la nueva capa descendente por encima del nivel del fondo del mar. Sería conveniente colocar una pértiga de madera en la punta del núcleo subyacente y fijarla en su sitio con mortero. Se debería colocar una plomada pesada de piedra en el fondo del mar con una boya marcadora a una distancia igual a 2,5 x H. Posteriormente se debería llevar una cuerda de nilón de un color fuerte desde la plomada a la altura requerida de la pértiga. Este procedimiento debe repetirse cada 5 m a fin de ayudar al operador de la grúa o de la excavadora a colocar la capa superior. Un nadador equipado con gafas de buceo debe asegurarse de que cada una de las piedras sueltas quede colocada dentro del perfil señalado.

La capa principal de protección. La capa principal de protección, como su propio nombre indica, constituye la defensa principal del rompeolas a la embestida de las olas. La existencia de cualquier tipo de defecto en la calidad de la roca (Capítulo 4), graduación (tamaño demasiado pequeño) o colocación (pendiente desnivelada o demasiado acusada) pondría a todo el rompeolas en grave peligro. Por esto se deberá tener mucho cuidado al seleccionar y colocar las piedras correspondientes a la capa principal de protección.

Figura 31
Colocación del núcleo de la escollera.

Figura 32
Colocación de la capa inferior.

La Figura 33 muestra la colocación de piedras de protección principal por medio de una grúa sobre orugas, que es el mejor equipo para la colocación de piedras de gran tamaño. Estas piedras grandes se deben izar una a una utilizando una eslinga o valvas mordientes y colocar en el agua con la ayuda de un submarinista o de una embarcación con tripulación equipada con un tubo con un cristal tapando uno de sus extremos. La capa de protección se debe colocar piedra a piedra en una secuencia que asegure su interconexión; en la Figura 33, por ejemplo, la piedra número 2 es mantenida en su sitio entre las piedras 1 y 3, mientras que la piedra 4 está bloqueada entre las piedras 3 y 5.

Figura 33
Colocación de la capa principal de protección.

Se asegura así que una ola no pueda arrancar una de las piedras y hacer que las que están encima caigan por la pendiente, rompiendo la capa de protección y exponiendo la escollera más pequeña que hay debajo. Para asegurar la correcta colocación de las piedras, el submarinista o ayudante en la embarcación debe dirigir al operador de la grúa cada vez que se coloca una nueva piedra hasta que la capa de piedras sobrepase la superficie del agua. Al igual que con la primera capa inferior, se necesitan dos capas de piedras de protección para completar la capa principal de protección. Se deben establecer perfiles de pendiente a intervalos regulares de 5 m utilizando el mismo procedimiento anteriormente descrito en la Figura 32.

Figura 34a
Excavadora hidráulica colocando la escollera sobre la cresta.

Las Figuras 34a y 34b muestran la forma en que se cierra capa a capa el rompeolas ya casi terminado. Muestra la excavadora retrocediendo al principio del rompeolas cerrando las capas superiores simultáneamente. El final o cabezal del rompeolas es la parte más delicada del mismo y requiere un mayor cuidado. Se deberá aumentar la pendiente exterior de 2.5/1 a 3/1 a fin de mejorar la estabilidad.

Otros tipos de rompeolas. El tipo de rompeolas que se acaba de describir se conoce como un rompeolas de escollera debido a que consiste en escollera colocada de forma especial. Este tipo de rompeolas se adapta muy bien a casi todas las condiciones, especialmente a una profundidad variable del fondo del mar; también puede resistir a algunos daños causados por tormentas sin que se rompa del todo.

Figura 34b
La misma máquina dando marcha atrás y cerrando la cresta al mismo tiempo.

Un rompeolas de escollera no es siempre adecuado (Figura 35a). En este caso ya existe un arrecife rocoso (no de coral), por lo que la solución ideal consistiría en elevar su nivel lo suficiente para impedir que las olas rompientes sobrepasen el arrecife y afecten a las embarcaciones amarradas detrás del mismo. Como ya se ha señalado, se debe construir un rompeolas sólido y bien anclado sobre el crespón rocoso. Si el arrecife es de coral vivo, entonces el rompeolas se debería construir entre el arrecife y la orilla si hay espacio suficiente, nunca cerca del coral.

La Figura 35b muestra un rebaje cortado en el arrecife y un muro sólido construido con sacos de yute rellenos de hormigón y colocados en su sitio. Una vez se ha curado el hormigón, unas 24 horas más tarde, se deberá aplicar un recubrimiento in situ alrededor de los sacos a fin de formar un muro con una terminación regular. Alternativamente se deberá construir un sólido muro de hormigón armado como se muestra en la Figura 35c. En este caso se asume que se dispone de un compresor y una taladradora neumática en obra para taladrar orificios de anclaje en el arrecife a intervalos de aproximadamente medio metro. Seguidamente se deberá fijar el refuerzo en los orificios taladrados utilizando una mezcla de mortero muy seco.

Figura 35a
Mejora de la dásena

Figura 35b
Construcción de un muro más alto con sacos de yute rellenos de hormigón y recubiertos.

Figura 35c
Construcción de un muro más alto en hormigón armado anclado a un arrecife rocoso.

IV.3 Diseño de muros verticales.

Muros

Los muros, normalmente de mampostería, hormigón o roca, se construyen en la base de los acantilados o para proteger asentamientos contra la erosíón o las inundaciones. Los muros al estilo antiguo reflejan toda la energía de las olas de vuelta al mar, y para ello a menudo los muros se culminaban en forma combada lo que incrementa además la turbulencia local, resuspendiendo la arena y los sedimentos durante las tormentas.

Los muros modernos intentan destruir la mayor parte de la energía incidente, con el resultado de menores olas reflejadas y la reducción de la turbulencia, para lo que toman la forma de revestimientos en pendiente. Los diseños actuales son realizados con formas porosas de rocas y elementos de hormigón (Seabees, SHEDs, Xbl), con tramos intermedios de escalones para el acceso a la playa, mientras que en los lugares donde se requiere un elevado grado de acceso peatonal, los escalones se distribuyen en todo el frente, pero a una pendiente más plana si han de alcanzarse los mismos niveles de coronación.

Se ha de tener cuidado con la elección del lugar donde colocar el muro, particularmente en relación al prisma barrido por el perfil de la playa, a las consecuencias de recesiones de la playa a largo plazo, y con respecto al nivel de coronación de servicio. Estos factores han de ser tenidos en cuenta al evaluar la relación entre el coste y el beneficio, que debe ser favorable para que la construcción del muro esté justificada.

Los muros pueden hacer que las playan pasen a ser disipativas, volíendolos inútiles para sus propósitos. Su presencia puede dejar una cicatriz en el paisaje que intentan salvar.

Algunos ejemplos modernos son los de Cronulla (NSW, 1985-6),2 Blackpool (1986-2001),3 Lincolnshire (1992-1997)4 y Wallasey (1983-1993). Los emplazamientos de Blackpool y de Cronulla pueden ambos ser visitados mediante Google Earth y con cámaras web locales (Cronulla, Cleveleys).

Un ejemplo más interesante es el muro en Sándwich Kent, donde un muro de "Seabee" está enterrado a las espaldas de la playa bajo los guijarrols con el nivel de coronación en el nivel del bordillo de la carretera.

Los muros son probablemente el segundo método más tradicional utilizado en gestión costera.

                                              

IV.4 Evolución playera por construcción de obras. Tiempo de llenado.

La ingeniería de costas, en lo relacionado con los puertos, comienza con el desarrollo de las civilizaciones ancestrales a la par que el tráfico marítimo, quizás alrededor del 3500 a. C. Las dársenas, los rompeolas y otras obras portuarias fueron construidos manualmente y a menudo a gran escala.

Algunas de las obras portuarias son todavía visibles en unos pocos puertos que todavía hoy existen, mientras que otros han sido recientemente explorados por la arqueología subacuática. Muchas de las obras portuarias ancestrales han desaparecido tras la caída delImperio romano.

Muchos de los esfuerzos costeros ancestrales estaban dirigidos a las estructuras portuarias, con la excepción de algunos pocos lugares donde la vida dependía de las protecciones costeras. Venecia y su laguna es uno de esos casos. Las protecciones de las costas de Italia,Inglaterra y Holanda pueden ser rastreadas hasta al menos el siglo VI. En la antigüedad se comprendieron fenómenos como las corrientes delMediterráneo y los patrónes eólicos, así como la conexión causa-efecto entre los vientos y las olas.

Roma introdujo muchas innovaciones revolucionarias en el diseño de puertos. Aprendieron a construir muros subacuáticos y se las arreglaron para construir sólidos rompeolas para proteger puertos completamente expuestos. En algunos casos puede que se empleara la reflexión de las olas para prevenir la colmatación. También emplearon rompeolas superficiales bajos para provocar la rotura de las olas antes de que alcanzaran los rompeolas principales. Fueron los primeros en dragar en Holanda para mantener el puerto en Velsen. Los problemas de colmatación de este puerto fueron resueltos cuando los muelles sólidos anteriores fueron reemplazados con nuevos espigones apilados de una forma abierta. Los Romanos introdujeron también en el mundo el concepto de las vacaciones en la costa.

 ]Edad Media

La amenaza de ataque desde el mar causó que muchas ciudades costeras y sus puertos fuesen abandonados. Otros puertos se perdieron debido a causas naturales como la rápidad colmatación, el avance o retroceso de la línea de costa, etc. La Laguna de Venecia fue una de las pocas áreas costeras pobladas que continuó con su prosperidad y con su desarrollo donde los informes escritos documentan la evolución de los trabajos de protección costera. Los conocimientos científicos e ingenieriles permanecieron vivos en el este, en Bizancio, donde el Imperio romano oriental sobrevivió seiscientos años mientras la Roma occidental decaía.

 Edad Moderna

Leonardo da Vinci puede ser considerado el precursor de la ciencia de la ingeniería de costas, ya que ofreció ideas y soluciones frecuentemente con más de tres siglos de antelación de su aceptación general. Mientras que la ciencia avanzaba a grandes saltos, la construcción de puertos mejoró poco respecto de los métodos romanos después del Renacimiento. A principios del siglo XIX, la llegada de lamáquina de vapor, la búsqueda de nuevos territorios y rutas comerciales, la expansión del Imperio Británico a través de sus colonias, y otras influencias, contribuyeron a la revitalización del comercio marítimo y renovaron el interés en las obras portuarias.

 Siglo XX

Se produce una evolución de la protección costera y el paso desde la construcción de estructuras de defensa a la regeneración de playas. Anteriormente a 1950 la práctica general era usar estructuras duras de protección contra la erosión costera o contra los efectos de los temporales. Estas estructuras consistían normalmente en armaduras costeras tales como rompeolas y revestimientos o estructuras de trampas de arena tales como espigones en peine. Durante los años 1920s y '30s, los particulares y las comunidades locales interesadas protegieron muchas áreas de la costa usando técnicas de alguna manera ad hoc. En ciertas zonas de recreo, las estructuras han proliferado hasta tal extremo que la protección impide en la actualidad el uso recreativo de las playas. La erosión de la arena continuó, pero la parte posterior de la línea de la playa fijada se mantuvo, resultando en una pérdida de superficie de playa. La prominencia y el coste de estas estructuras llevaron a finales de los 1940s y a principios de los 1950s a la búsqueda de un método nuevo, más dinámico. Los proyectos ya no confiaron más en las estructuras de defensa costera en exclusiva, a medida que el desarrollo de técnicas fue reproduciendo las características protectoras de las playas naturales y de los sistemas dunares. El uso resultante de playas artificiales y dunas estabilizadas como enfoque ingenieril resultó un medio económicamente viable y medioambientalmente más amigable para disipar la energía de las olas y proteger los desarrollos costeros.

Durante los últimos cien años, el limitado conocimiento de los procesos de transporte sedimentario costero al nivel de las autoridades locales a menudo ha desembocado en medidas inapropiadas destinadas a combatir la erosión costera. En muchas ocasiones, tales medidas han resuelto localmente la erosión costera, pero han exacerbado los problemas erosivos en otras localizaciones -diez kilómetros más allá- o han creado otros problemas ambientales.

IV.5 Dimensionamiento de canales de navegación. Profundidad, ancho, distancia de parada.

Clasificación de vías navegables
• Por su ubicación geográfica
– Fluviales
– En estuario
– Marítimas
• Por el tipo de buques
– De navegación interior
– De ultramar / de navegación oceánica
• Por su naturaleza
– Naturales
– Artificiales

Vías navegables naturales

• Las vías navegables pueden ser naturales, como el caso del  Río Paraná o artificiales, o una combinación entre ambas.  

• Los vías navegables naturales son los ríos. Tienen un cauce  natural, pendiente del fondo y de la superficie libre, corrientes,  cauces cambiantes, movimiento de sedimentos.La alimentación   de agua es producto del ciclo hidrológico, con variaciones de   niveles a lo largo del año. En nuestro país tenemos muchas   vías navegables naturales para desarrollar todavía. 

• En este curso nos vamos a referir a casos donde buscamos  aprovechar al máximo las condiciones naturales. Por ello partimos de un cauce natural que se profundiza o mejora. 

• En algunos casos es suficiente señalizar adecuadamente la vía  navegable para que pueda ser utilizada.

Canales artificiales

• Los canales artificiales tienen fondo horizontal, con obras para salvar los saltos topográficos, que se denominan esclusas.

• No tienen corrientes, no tienen transporte de sedimentos, la sección es la mínima posible, la alimentación de agua está limitada a la renovación de las pérdidas. 

• En Europa se dan muchos ejemplos de canales artificiales, por ejemplo, el que conecta el Rhin y el Escalda. 

• Muchos canales de navegación son una combinación de mejoramiento de la vía natural y tramos totalmente construidos como el caso del Rhin – Danubio que conecta el Mar del Norte y el Mar Negro.

Canal de Panamá

• Uno de los canales artificiales con esclusas mas importantes y mas famosos del mundo es el Canal de Panamá

Comparación

• Otro aspecto es que los puertos sobre la vía navegable son de muchos dueños, privados o públicos, en los que cada uno se ocupa de realizar la inversión mas conveniente.

• Otro aspecto está vinculado con la logística necesaria para enviar toda la mercadería a un solo puerto comparada con la logística necesaria para enviar la mercadería a 20 puertos distribuidos lineal mente

• La conclusión final es que, para la situación del Río Paraná es mucho mas conveniente el dragado de la vía 

navegable que la construcción de un puerto en la desembocadura.

Dimensiones máximas

• Canal de Panamá

– E < 289,6 m 

– B < 32,20 m

– D < 39,5 ft

• Canal de Suez

– E  no tiene restricciones

– B < 64 m

– C < 53.0 ft

Recordar que el calado puede variar entre el calado máximo de diseño del buque y el calado en lastre en 

función de la cantidad de carga

guas restringidas

• Debemos destacar la diferencia en la navegación de un buque en alta mar y en aguas restringidas. Se denomina así cuando la masa de agua que se encuentra alrededor del buque está limitada por límites sólidos. Para que ello suceda se deben dar las siguientes relaciones: h/D < 2   y/o   W/B< 10

• Cuando la navegación se efectúa en un canal se determina la relación entre la sección mojada del buque As en la relación con la sección mojada del canal Ac

• Para realizar el diseño de un canal es necesario saber mucho de embarcaciones, sus características físicas, los factores que afectan la maniobrabilidad, la controlabilidad de los buques en aguas restringidas.