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CAPÍTULO
L
H
D
CrestaMediaA
A'
A"
C
Fondo
Estructuras Marinas
INTRODUCCIÓN
Una ola es un movimiento oscilatorio sobre y cerca a la superficie de un depósito de agua. Elsistema más sencillo de olas es un grupo ilimitado de crestas y bateas paralelas moviéndose endirección normal a la playa. A lo largo de la sección cada partícula de agua se mueve cíclicamente,siguiendo una línea circular volviendo a su posición inicial después de cada ciclo. El movimientoafecta las partículas hasta una profundidad considerable.
La figura 14.1 muestra un esquema de una ola de longitud L(Cresta a Cresta) y altura H avanzandode izquierda a derecha. El avance de las olas es expresado por la velocidad C y el períodoT.
TCL .=
La ola avanza libremente hacia la orilla hasta que D es menos de ½ L, o sea cuando la ola entra encontacto con el suelo del fondo. Esta interferencia retarda el pie de la ola, mientras la cabeza tratade avanzar estrechándose la ola hasta que se rompe. Si el fondo es de pendiente fuerte la olarompe cerca a la orilla pero si es suave rompe lejos y al romperse se forman olas más pequeñasque buscan un nuevo sitio de rotura.
14
FIGURA 14.1 Elementos de una ola sencilla.
CAPÍTULO 14. ESTRUCTURAS MARINAS 526
Aguas proximales
Plataformaproximal
Zona litoral
Playa
Oscilación máxima de las mareas
Precosta Trascosta
Terrenos
de fueracosta
normalmente secoLínea de costaen pleamar
Zona dealcancede lasolas(variable)
en bajamar
Nivel de pleamarMarea alta
Marea baja
Nivel de bajamar
Línea de costa
14.1 EROSIÓN POR OLEAJE
La energía erosiva es función del perfil de la playa yde la altura y período de las oscilaciones. El ataquees más fuerte si el agua profunda está cerca a la orillao a la estructura considerada.
La erosión se produce por dos efectos principales:
• Acción del oleaje que suelta las partículas
• Transporte litoral que mueve las partículas en formasemiparalela a la playa.
Acción del oleaje
Cuando las olas se acercan a la playa y llegan a zonasde aguas bajas, la parte inferior de la ola tropieza conla superficie del fondo del mar, lo cual hace que la olapierda velocidad y se frene, rompiéndose en formarápida generando una gran turbulencia. Estefenómeno produce abrasión y levantamiento de laspartículas, en un proceso de acción de fuerza tractivade la ola sobre el fondo de la playa (Ferguson, 2001).En este proceso diferentes partes de la ola tropiezancon el fondo a diferentes tiempos, frenando elmovimiento y cambiando la dirección. La ola se tuerceo refracta en forma aproximadamente paralela a laplaya.
El material erosionado parcialmente, se mueve en ladirección de la pendiente, acumulándose en las partesmás bajas de la playa por debajo del nivel de aguapara ser nuevamente erosionada por la ola siguiente.
Cuando sobre la playa hay una estructura, laturbulencia es mayor y se puede generar una mayorerosión junto a la cara de la estructura hacia el ladodel mar. Las estructuras naturales o artificiales debilitanel ataque en proporción al número de veces que lasolas rompen y se modifican. El ataque es tambiénuna función de la dirección. Si el frente de la ola noes paralelo a la playa, el rompimiento se inicia antes,en una parte de la ola y se retarda en otra. El frentede la ola es refractado y se reduce su oblicuidad. Elmovimiento de la ola termina cuando la energíacinética ha sido disipada o convertida en energíapotencial a lo largo de la playa. Después el agua bajapor gravedad, formando una reflexión.
Transporte litoral
En este proceso las partículas de arena sonerosionadas y transportadas a otro sitio de la playaen un proceso conocido como transporte litoral, el cualse efectúa principalmente siguiendo dos procesos:
a. La ola ascendente transporta sedimentos sobre laplaya en dirección diagonal de acuerdo a ladirección de la ola. Los granos de sedimentosdespués de ascender descienden por la línea demayor pendiente. Este movimiento en forma dedientes de sierra, hace que los granos vayanmoviéndose a lo largo de la orilla (Mitchell, 2001).
b. Debido al rompimiento de la ola los sedimentosen la zona rompiente se mueven también
FIGURA 14.2 Rasgos característicos de la sección de una playa.
CAPÍTULO 14. ESTRUCTURAS MARINAS 527
FOTOGRAFÍA 14.2 Espigón de geotubo relleno de arena.
FOTOGRAFÍA 14.1 Estructuras de protección de playas.
CAPÍTULO 14. ESTRUCTURAS MARINAS 528
100
80
60
40
20
0Playa
1949 1/1998 6/2/1998
1949 - 1998 2/1998 - 3/1998
Casa
SL
lateralmente por acción de una corrientelongitudinal que se produce a todo lo largo de laplaya.
La cuantificación del transporte litoral puede hacersepor medición directa mediante un espigón de pruebao mediante trazadores fluorescentes. En la Figura 14.2las partículas se mueven siguiendo la ruta C E F. Lainterpretación y predicción de este movimiento esesencial para el diseño de estructuras de protección.La orientación de los frentes de olas no es constante.Los cambios de dirección en ocasiones pueden variarel sentido de la deriva litoral.
Las olas no necesitan que sean altas para que seanerosivas. Olas pequeñas pero persistentes erosionanla playa de un lago. En lagos grandes las olascausadas por el viento llegan a la playa sin formarfrentes paralelos, en forma desordenada que sonextremadamente destructivas por su variedad deángulos de ataque. Las olas de golpeo producidaspor los motores de embarcaciones sonextraordinariamente poderosas en las riberas de losríos. En áreas de circulación de botes el diseño de laprotección está determinado por el ataque del olajede estas embarcaciones.
Erosión en los farallones marinos
Los farallones son taludes de alta pendiente o riscosen el borde del mar. Estos farallones están expuestosa la erosión, tanto del oleaje como de las corrientesque fluyen hacia el mar.
Las principales causas de la erosión son (Snell y otros,2000):
1. Abrasión del pié de los farallones por la acción delas olas.
2. Reducción de las zonas de playa.
3. Infiltración en la cabecera de los farallones y erosiónal aflorar las corrientes de agua generadas.
4. Erosión interna por corrientes subterráneas haciaarriba del talud, producidas por el oleaje.
5. Erosión superficial por flujo de agua.
6. Erosión por el viento.
7. Inestabilidad geotécnica.
Esta erosión produce un desplazamiento de lasuperficie del farallón o borde del mar hacia la tierra(Figura 14.3). Este avance puede ser de varios metrosen un año.
FIGURA 14.3 Erosión en farallones junto al mar.
14.2 NIVELES DE AGUA DEL MAR
Para el diseño de estructuras eficientes para laestabilización de las playas, se requiere determinarlos posibles niveles de agua del mar en el sitio delproyecto. Los niveles de agua permiten determinardonde van a actuar las fuerzas de las olas sobre las
estructuras y donde se pueden producir acciones deerosión. La mayoría de estructuras abarcan perfileslargos dentro de la zona de oleaje y sus condicionescríticas varían de acuerdo al nivel de agua en cadamomento específico. En niveles de marea alta las olas
CAPÍTULO 14. ESTRUCTURAS MARINAS 529
1.50
1.00
0.50
0
-0.50
-1.0024 horas
Desigualdaddiaria
12 horas y25 minutos
Pleamar
Bajamar
Nivel medio del mar t (hr)
h (m)
NIV
EL
Ola lib
re
Ola refractada Ola reflejada
OrillaB
AC
D
E
atacan principalmente la parte de la estructura máscercana a la tierra y en marea baja atacan la parte dela estructura más dentro del mar y generalmente hayun determinado nivel de agua, al cual la estructuraestá sometida a mayor acción de las olas.
La estabilidad de una estructura depende del nivel alcual rompan las olas en un determinado momento, yel nivel donde rompen las olas depende de la altura yperiodo de la ola, de la profundidad del agua y de lapendiente del terreno. El comportamiento de unaestructura rompeolas es diferente en aguas altas queen aguas bajas. En marea alta el rompeolas seencuentra mucho más lejos de la orilla y puede ocurrirel sobrepaso de las olas por encima de la estructura.Los niveles de agua varían con las mareas de origenastronómico, con las tormentas, los vientos y otrosfenómenos hidrológicos. Los niveles del agua del marpueden analizarse por períodos de retorno.
FIGURA 14.4 Olas refractada y reflejada.
Las mareas
La marea es la oscilación periódica del nivel de agua.Las mareas están relacionadas con las fuerzas deatracción del sol, la luna y la tierra y por la rotación dela tierra. Mientras estos grandes cuerpos giran, ejercenfuerzas gravitacionales entre ellos y por acción de estasfuerzas se deforma la capa de agua que cubre la tierra.Las mareas son periódicas en períodos de 24 horascon algunas desigualdades, debidas al efecto de lostres factores (sol, luna y giro de tierra) en formacombinada (Figura 14.5).
Por ejemplo en la luna nueva y llena, el sol, la luna y latierra se encuentran alineados, provocando más altosniveles de agua que el promedio, mientras en el cuartocreciente y menguante son más bajos los niveles deagua.
FIGURA 14.5 Onda de marea.
CAPÍTULO 14. ESTRUCTURAS MARINAS 530
0
2.0
1.0
0
2.0
1.0
0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 HORAS
0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12
AM
PLI
TUD
H (m
)A
MP
LITU
DH
(m)
HORAS
Marea diaria Desigualdad diaria
de mareaSemidiurna
Diurna
Período
s(+)
Nivel originals(-)
h
Viento
F
VØ
Direccióndel viento
Las mareas pueden ser de los siguientes tipos (Figura14.6):
1) Diurna
Un pleamar y un bajamar por ciclo. En un período de24 horas y 50 minutos en promedio.
2) Marea viva
Es la máxima amplitud que alcanza la marea en elmes, la cual ocurre algún tiempo después de aparecidala luna llena o nueva.
3) Marea nueva
Es la amplitud que ocurre algún tiempo después deaparecidos los cuartos crecientes y menguantes.
4) Marea equinoccial:
Es la máxima amplitud de la marea durante todo elaño como pendiente de la atracción del sistema deastros.
5) Marea de tormenta:
El nivel de agua por encima o por debajo del nivel decorriente debido a la acción del viento de una tormenta.
6) Marea hidráulica:
Es el efecto de la marea en propagarse por unestrecho o un golfo.
FIGURA 14.6 Tipos de mareas.
La elevación y descenso periódico del nivel de aguagenera movimientos llamados «Corrientes de Marea»,los cuales son periódicos.
Estas corrientes no es posible calcularlas porexpresiones analíticas y se utiliza su medición directa.
FIGURA 14.7 Sobre-elevación por el viento.
CAPÍTULO 14. ESTRUCTURAS MARINAS 531
2dB
H = 1.25 dBb
d B
Agua alta
*
α
Línea normal de playa
Línea de erosión
14.3 CARACTERIZACIÓN DE LAS OLAS
La información de las características de las olas serequiere para el diseño tanto estructural comofuncional de los proyectos de estabilización de orillas.La información requerida para el diseño funcional esdiferente de la que se necesita para el diseñoestructural. Para diseño estructural generalmente serequiere la altura máxima de ola para períodos deretorno de 50 o 100 años, debido a que las olas másaltas generalmente resultan en condiciones críticas dediseño.
Para el diseño de espigones las estadísticas de alturade ola y niveles de agua se necesitan para determinarel nivel de acción de las olas a lo largo del espigón.Por estar muy cerca a la playa la altura de las olasdepende del nivel del agua, el período de la ola y lapendiente del fondo del mar.
Para el diseño funcional de las obras se requiere unrecord más completo sobre el sistema de oleajeporque los sedimentos se mueven, aún con olasrelativamente pequeñas. Las series con el tiempo dealtura de ola, periodo y dirección se requieren paraestimar la cantidad de sedimentos que se transportana lo largo de la orilla.
La dirección principal de la ola va a determinar laorientación de la orilla de la playa. La orilla trata deorientarse en forma paralela a las olas. Cuando ladirección de las olas cambia, la orilla trata de cambiarsi las condiciones de cambio de dirección de la olapersisten. Estos cambios son muy visibles en gruposde espigones, la cantidad de arena en loscompartimentos se orienta en la dirección del oleaje.
14.3.1 MOVIMIENTO DE LAS OLAS
En el movimiento de las olas deben extenderse losfenómenos de refracción, difracción y reflexión.
1. Refracción
Al disminuir la profundidad del agua el fondo empiezaa afectar el movimiento de las partículas por efectosde fricción, lo cual produce una reducción en lavelocidad de propagación y en la longitud de onda,de tal forma que la cresta se deforma tendiendo ahacerse paralela a las líneas batimétricas sobre lasque se propaga. Además de la refracción causadapor el fondo, las olas pueden refractarse por corrienteso por otro fenómeno que provoque que una parte dela ola se desplace más rápidamente que otra (Figuras14.9 y 14.10).
2. Difracción
Se produce cuando el oleaje es interrumpido por unobstáculo que impide su paso a la parte posterior delmismo. Los obstáculos pueden ser naturales (Islas)o artificiales (Rompeolas).
Las ondas se curvan a su alrededor presentándoseuna expansión lateral. El límite de esta expansión esuna recta tangente al morro que forma un ángulo de57° 31' (según Wiegel).
El coeficiente de difracción Kd es la relación que existeentre la altura de la ola difractada HM y la altura de laola incidente.
FIGURA 14.8 Olas de diseño.
CAPÍTULO 14. ESTRUCTURAS MARINAS 532
W
D
o
boEo
bE
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
Direccióndel oleaje
90ºCoLo
Lo
Cd
B
L
C
A
L<Lo
Frente de la ola
d/Lo>0.5o
d/Lo<0.5
o
Dirección deincidencia
α
α
αα
α
100806040
20
0
90 70 50
10
30
Kr"A
Kr'Dirección
"NW"
N
FIGURA 14.9 Fenómeno de refracción.
FIGURA 14.10 Diagrama de refracción.
HiHMKd =
3. Reflexión
Si el oleaje incide sobre una playa o estructura, tiendea reflejarse. Cuando el frente de ola es paralelo alobstáculo y además éste es vertical, plano y conrugosidad despreciables se produce reflexión perfecta,formándose un fenómeno de ondas estacionarias. Lasestructuras reflejantes pueden ser peligrosas por quese puede producir el fenómeno de «resonancia».Cuando el oleaje no incide normalmente sobre unobstáculo será reflejado con un ángulo igual al deincidencia.
Disponibilidad de arena
La construcción de estructuras en la playa no aumentafísicamente la cantidad de arena de la playa, sino queredistribuye la arena existente. La acumulación dearena en un sitio de la playa necesariamente produceerosión en otras áreas de playa. . Por esta razón esque se requiere además de la construcción de obras,el suministro de arena para compensar losdesequilibrios causados por la construcción de lasobras.
Suministro periódico de arena (BeachNourishment)
El suministro periódico de arena adicional permite ala playa acomodarse a los procesos dinámicos. Estesuministro se puede realizar mediante dragado delfondo del mar lejos de la playa o mediante el transportede arena de otro sitios.
FIGURA 14.11 Playas inducidas por las olas y derivas.
CAPÍTULO 14. ESTRUCTURAS MARINAS 533
W
D
Playa original
bHw
Lw
b
L
WD
α
FIGURA 14.12 Playas formadas por espigones.
El movimiento de arena paralelo a la orilla es el procesomás importante de movimiento de sedimentos. Larata de transporte Q es una medida de la cantidad dearena que se mueve por acción de las olas oblicuas.Esta rata de transporte se necesita para determinar lacantidad de arena disponible para llenar los espacios
entre estructuras y determinar cuanta arena adicionalse requiere colocar en forma artificial.
Existe mucha controversia sobre la bondad delsuministro de arena (Mitchell, 2001), especialmentepor el gran costo y porque en ocasiones la erosiónrápidamente se lleva la arena colocada.
14.4 ESTRUCTURAS PARA EL CONTROLDE LA EROSIÓN MARINA
14.4.1 MUROS RIGIDOS
Los muros de concreto, piedra o pilotes, se hanutilizado desde hace muchos años como una formade controlar la erosión por acción del oleaje; Sinembargo, existen criterios encontrados sobre subondad. Aunque no se puede negar que elrevestimiento de estructuras rígidas efectivamente evitala erosión del suelo detrás del muro, se argumentaque al impedir la erosión se aumenta la erosión enzonas adyacentes, por reflección de las olas, o por laacumulación de arena que de otras formas setrasladaría a otros sitios de la playa. En algunosestados de los Estados Unidos (Maine, North Carolina,South Carolina, Oregón y Rhode Island) (Karpersen,2001) los muros junto a la playa se encuentranprohibidos y su uso muy restringido.
14.4.2 ESPIGONES MARINOS
Los espigones son las estructuras más comunes paramanejo de playas. Estos se construyen generalmentenormales a la orilla para impedir el transito normal dela arena a lo largo de la playa. El objetivo principal delos espigones es estabilizar la playa contra la erosiónproducida por el movimiento de arena paralelamentea la orilla. Las corrientes paralelas a la orilla inducidaspor las olas acumulan arena a un lado del espigón.
La presencia del espigón modifica la dirección de lascorrientes y no permite el paso de arena hacia el otrolado de la estructura, con la consiguiente reducciónde disponibilidad de arena en la playa al otro lado delespigón, causando en ocasiones problemas delicadosde erosión.
CAPÍTULO 14. ESTRUCTURAS MARINAS 534
FOTOGRAFÍA 14.4 Rompeolas y formación de un tómbolo.
FOTOGRAFÍA 14.3 Espigones en piedra (Bocagrande - Cartagena).
CAPÍTULO 14. ESTRUCTURAS MARINAS 535
Colocando arena adicional, los espigones sirven paraestabilizar la playa sosteniendo en el sitio la arenacolocada. El espigón de mar actúa como una entradade tierra artificial produciendo fenómenos de difraccióny refracción de las olas y la formación de una serie deplayas artificiales entre espigones. Las playas asíformadas producen un avance hacia el mar y puedeser necesario seguir prolongando los espigones paralograr un efecto de avance acumulativo de la playa.El avance depende del espaciamiento entreespigones, el volumen de deriva litoral, la pendientedel mar y las características del oleaje.
Generalmente los espigones son estructuras rectaspero algunas veces se construyen curvos, o en formade T. Un espigon en forma de T actúa además comorompeolas. Los espigones son estructurasrelativamente delgadas normales a la orilla.
El diseño de los espigones incluye su localización enplanta y la definición de su longitud, espaciamiento,altura, perfil, espaciamiento, tipo y materiales deconstrucción, permeabilidad entre otros parámetros.
Diseño funcional de los espigones
El U.S. Army Corps of Engineers divide el diseño endos partes, la primera es el diseño funcional de losespigones y la segunda el diseño estructural.
El diseño funcional se refiere a determinar si losespigones son una solución aceptable para resolver
L
S
Via
Frente de ola
Deriva
Recubrimiento
Espigones largos sin revestimiento Espigones cortos con revestimiento
el problema de erosión objeto del proyecto. Estoincluye determinar los límites del área de proyectocomo la localización y dimensiones del sistema deespigones para cumplir con los objetivos del proyecto,que generalmente es el proveer un área de proteccióno de playa recreacional con unas dimensionesespecificadas.
Se deben tener en cuenta las condiciones de la playaantes del proyecto, estimando el efecto de laconstrucción de los espigones y determinando si lacantidad de arena disponible es suficiente paramantener las dimensiones de playa deseada o si serequiere suplementarla con arena adicional. Lafrecuencia de ese complemento de arena tambiéndebe ser establecido.
Se debe considerar la utilización de espigones, si laspérdidas de sedimento en el área de playa analizadason mayores que la cantidad de arena que entra.
Los espigones pueden retener la arena dentro del áreade proyecto y reducir las pérdidas. Estos cambiospueden ser temporales o permanentes dependiendodel tipo de espigón, sus dimensiones, supermeabilidad a la arena, y las posibilidades de arenaadicional.
Los espigones permeables permiten el paso desedimentos a través de la estructura mientras losespigones impermeables no permiten el paso dearena. La mayoría de los espigones sonimpermeables.
FIGURA 14.13 Espigones típicos.
CAPÍTULO 14. ESTRUCTURAS MARINAS 536
Longitud de los espigones
Los espigones trabajan interrumpiendo el transportede arena a lo largo de la orilla. La mayor parte de estetransporte ocurre en la zona de rompimiento de lasolas. Por lo tanto, la longitud de los espigones debeestablecerse basada en la zona esperada derompimiento de olas, con la línea de playa colocadaen su nueva posición.
Los espigones pueden clasificarse como cortos olargos dependiendo de hasta donde atraviesan la zonade rompimiento de oleaje. Si los espigones atraviesanla totalidad de la zona de rompimiento de las olas, seconsideran largos, pero si solo se extienden parte de
Tablestacas de madera
Variable Variable Variable
Varia
ble
Tablestacas de madera
2" x 8"
Clavos
2" x 8"
Clavos
A
A
Perfil
Planta
Sección A-A
Figura 14.14 Esquema de espigón marino en pilotes de madera.
la zona de rompimiento, se consideran cortos. Sinembargo, en periodos de olas bajas, un espigón puedefuncionar como largo y durante las tormentas funcionarcomo corto.
Los espigones cortos están diseñados para permitirel paso de ciertas cantidades de arena.
Altura y perfil de la cresta
La selección de la altura del espigón debe tener encuenta la optimización de las cantidades de obra dela construcción y su eficiencia para controlar elmovimiento de arena.
CAPÍTULO 14. ESTRUCTURAS MARINAS 537
RevestimientoNivel máximo
Nivel mínimo
L
0.7 L 0.3 L
1½:1 2:1
Terreno
Terreno
Cemento
Núcleo
VíaFajina demangle
Piedra
Fajina demangle
Pilote
Enrocamiento
Tablón
Pilote
Los espigones también pueden clasificarse como altoso bajos, dependiendo de su altitud con referencia alos niveles normales de la playa. Los espigones altostienen crestas por encima del nivel normal de mareaalta. Generalmente, no se transportan sedimentos porencima de un espigón alto. Los espigones bajos tienenelevación de cresta por debajo del nivel normal de lamarea alta y se puede transportar algo de sedimentossobre el espigón en la cara de la playa.
Generalmente el perfil de un espigón tiene tressecciones diferentes:
Una zona alta junto a la playa con una cresta horizontala la elevación requerida, de acuerdo a la altura de lasolas. Una zona inclinada que conecta la zona de playacon la punta del espigón que tiene generalmente lapendiente de la playa y una parte inferior de menorpendiente dentro del mar. Sin embargo, la mayoríade los espigones se construyen con una pendienteconstante a todo lo largo de su longitud.
FIGURA 14.15 Materiales para espigones.FIGURA 14.16 Espigón típico utilizado por el departamentode Carreteras de California.
CAPÍTULO 14. ESTRUCTURAS MARINAS 538
Enrocado
1.20
1:2
Revestimiento
Aislante
2.50m
.40x.40 pilote deconcreto armado
Morro de enrocado
1:2
1:1.5
Enrocado
Geotextil
Geotextil
Playa
Maderas.10 x .20
+4.00m1:7
1:20 +1.00m
1:2
2.00
Planta
Vista lateral
1:1.
51:
1.5
1 :1.
51 :
1.5
10.0
0m
Espaciamiento de los espigones
El espaciamiento de los espigones a lo largo de laorilla generalmente, depende de la longitud de losespigones individuales. La distancia entre espigoneses comúnmente 1.5 a 2 veces la longitud de unespigón, tomando como longitud la distancia deespigón dentro del mar. Cuando la dirección de lasolas es muy paralela a la playa se pueden utilizarespaciamientos grandes pero cuando el grado deincidencia es grande, se requiere un menor espacioentre espigones. Para una dirección determinada dedirección de la ola, el espaciamiento óptimo puedeser determinado, redistribuyendo la arena dentro decada compartimiento, en tal forma que línea de orillasea paralela a la de la ola. Cálculos similares sepueden desarrollar para diferentes direcciones de las
olas y encontrar el espaciamiento que se acomodemejor a las fluctuaciones debidas a cambiosestacionales de dirección de las olas.
Inicialmente se pueden colocar series de espigonesnormales a la playa a un espaciamiento igual a sulongitud, y a medida que se evalúa su efecto se cambiala dirección o se colocan adicionales.
A ambos extremos de la zona estabilizada conespigones se recomienda la construcción de unsistema transicional de espigones.
La longitud de los espigones en la zona de transiciónse va disminuyendo gradualmente y en esta forma seevita la formación de puntos de erosión acelerada enel extremo de los sistemas de espigones.
FIGURA 14.17 Diseño típico de un espigón en T.
CAPÍTULO 14. ESTRUCTURAS MARINAS 539
Criterios generales para el diseño deespigones
En el diseño de espigones se recomiendaadicionalmente tener en cuenta los siguientes criterios:
a. Si el oleaje dominante forma un ángulo conrespecto a la playa se recomienda colocar losespigones normalmente al oleaje para evitarerosión por turbulencia en la punta del espigón.Si no existe dirección predominante se colocangeneralmente normales a la costa.
b. Los espigones deben tener una altura constantecon respecto al fondo de playa, evitando los murosaltos que producen erosiones fuertes y en algunoscasos la destrucción del espigón. En la punta delespigón se disminuye la altura para evitarturbulencias.
c. A medida que progresa la sedimentación la alturadel espigón puede ajustarse aumentándola paraconseguir efectos acumulativos.
d. Los elementos deben ser lo suficientementegrandes para resistir las características del oleaje,siguiendo el criterio que se menciona más adelantepara los rompeolas.
e. El ancho de la corona del espigón debe ser almenos 1.5 veces el diámetro de las piedras másgrandes y suficiente para el paso del equipo demantenimiento.
f. Los taludes laterales generalmente son de 1.5H :1V o 2H : 1V.
Espigones sumergidos alejados de laplaya
La nueva tecnología de espigones completamentesumergidos permite la alimentación de arena pormodificación de la dinámica de las corrientes en el
Ventajas Desventajas1. Los espigones son efectivos para controlar la erosión debida altransporte de sedimentos a lo largo de la orilla.2. Se tiene mucha información sobre el comportamiento de losespigones en variadas condiciones ambientales.3. Los espigones se construyen desde la playa hacia el mar,siendo relativamente económica su construcción.4. Los espigones no cambian las condiciones de la zona derompimiento de las olas. La altura de las olas después deconstruidos los espigones prácticamente no cambia.5. Los espigones pueden construirse con muchos tipos demateriales diferentes (piedra, pilotes, tablestacas, gaviones,bolsacreto, etc.)6. Los espigones permiten ajustar sus dimensiones después deconstruidos para ajustarlos a los efectos generados.
1. Los espigones no son efectivos paraimpedir la perdida de arena hacia el fondodel mar.2. En los espigones se generan corrientesfuertes de agua a lo largo de sus flancosproduciéndose perdida de arena hacia elfondo del mar.3. Los espigones pueden generar erosiónen las playas vecinas al impedir el paso desedimentos a lo largo de la orilla.4. No existe claridad sobre la filosofía deldiseño. Si deben ser largos o cortos, altos obajos, permeables o impermeables.
TABLA 14.1 Ventajas y Desventajas de los Espigones ( U. S. Army Corps of Engineers ).
fondo del mar. Su efecto es la disminución de lareflexión de las olas y la turbulencia junto a la orilla. Alvolverse las aguas más calmadas se facilita lasedimentación. Estas estructuras normales a la playaayudan a la acumulación de arena y disminuyen laerosión. Su utilización es relativamente nueva y noexiste certeza de su eficiencia.
Su longitud puede alcanzar distancias hasta de 100metros desde la orilla. Para su construcción se puedenutilizar elementos sueltos o tubos de geotextil rellenosde concreto.
14.4.3 ROMPEOLAS
Los rompeolas son obstrucciones que se construyenalejadas de la playa paralelas a la orilla, y cuyo objetoes el de amortiguar o impedir el paso del oleaje. Lasfuerzas que se consideran en la estabilidad de unrompeolas son las debidas al oleaje, al peso propio ya la fricción de base (Figura 14.18).
Los rompeolas son estructuras individuales oespaciadas construidas paralelamente a la playa conel objetivo de disminuir la fuerza de las olas que lleguena la playa.
Los rompeolas pueden cumplir las siguientesfunciones:
• Retener la arena de la playa.
• Reducir la altura de las olas.
Las olas al pasar por el espacio entre los rompeolasse difractan reduciendo su energía (IECA, 2001). Estaprotección facilita la acumulación de arena entre lasestructuras y la playa.. El resultado es una playa conuna serie de salientes hacia el mar localizados frentea los rompeolas. La efectividad de un sistema de
CAPÍTULO 14. ESTRUCTURAS MARINAS 540
Tombolo doble
Costa
Rompeolasseparado
Oleaje
Rompeolas sumergido
SobrealturaW/O
W/200
Nivel mínimo
Lado protejidoLado del mar
-1.3 H W/4000
a) General
b) Sección de capas multiples
Nivel máximo
rompeolas depende del nivel de protección y de lalongitud de playa que protejan. Sus factores másimportantes son su altura, longitud, separación de laorilla y características de transmisión de la ola. En unsistema de rompeolas la distancia entre segmentos,la longitud de los segmentos y la distancia a la orillajuegan un papel muy importante. Generalmente, unsolo rompeolas tiene muy poco efecto sobre la playaa menos que sea de gran longitud, y se acostumbraconstruir un sistema de varios rompeolas espaciados.
Si el rompeolas se construye de gran longitud conrespecto a la longitud de las olas y muy cerca de laorilla, se produce gran acumulación de arena entre elrompeolas y la playa formándose un tómbolo, el cualconecta la orilla con el rompeolas. El tómbolo va aimpedir el transporte de arena a lo largo de la orilla,generándose procesos de erosión.
FIGURA 14.18 Diagramas generales de rompeolas.
Si el rompeolas es corto y se encuentra muy alejadode la orilla se puede formar un saliente en la playa. Elsaliente controla pero no impide el transporte de arena.La forma definitiva de la orilla después de construidoslos rompeolas depende de la geometría y localizaciónlongitud y espaciamiento de los rompeolas, ladirección longitud y altura de las olas, y la cantidadde arena disponible.
Los rompeolas pueden construirse acumulando rocasde gran tamaño, bolsacreto, tubos de geotextilrellenos, pilotes hincados, tablestacas formandocofres, o bloques prefabricados de concreto.
La altura de los rompeolas determina la energía de oladisipada. Un rompeolas bajo puede impedir la formaciónde un tómbolo, y un rompeolas alto facilita la acumulaciónexcesiva de arena y formación de tómbolos.
CAPÍTULO 14. ESTRUCTURAS MARINAS 541
Océano
Salientes
Tombolos
Océano
Océano
Océano
Rompeolas
Ventajas Desventajas1. Los Rompeolas son efectivos para controlar tanto laerosión por transporte a lo largo de la orilla, como eltransporte de arena hacia el fondo del mar.2.Los rompeolas son muy efectivos para estabilizar líneasde playa y proteger estructuras junto a la orilla.3. Los rompeolas pueden diseñarse sumergidos para queno afecten el paisaje.4. Los rompeolas pueden diseñarse permitiendo el pasode arena y controlar la rata de paso de sedimentos.5. Pueden construirse de piedra, bloques y materialesrelativamente económicos.6. Pueden diseñarse para airear y mejorar la calidad delagua junto a la orilla.7. Existe mucha experiencia en el uso de rompeolas.8. Los rompeolas reducen en forma significativa la alturade las olas junto a la playa.
1. Pueden ser costosos porque se requiereconstruirlos en la mitad del mar.2. Afectan significativamente las características de lazona de rompimiento de las olas y pueden restringirla practica de algunos deportes como surfing, ybaño en la vecindad de las estructuras.3. Constituyen un peligro serio para la navegación.4. Constituyen un peligro para los nadadores.5. Pueden disminuir la calidad del agua si dificultanla circulación de agua entre las estructuras y laplaya.6. Los rompeolas pueden conectarse con la playaformando depósitos de arena conocidos como“tómbolos”, los cuales afectan el comportamiento dela orilla y pueden generar problemas de erosión.
TABLA 14.2 Ventajas y desventajas de los rompeolas ( U.S. Army Corps of Engineers).
La separación de las estructuras determina lamodificación de circulación de las corrientes de agua.Entre mayor sea la separación se permite un mayorpaso de las corrientes, facilitando un mejor transportede arena a lo largo de la orilla.
Diseño de rompeolas
Para el diseño del sistema de rompeolas se utilizanlos siguientes parámetros:
1. “Relación de exposición” E
E = longitud total de espacios / longitud total derompeolas.
E varía comúnmente entre 0.25 y 0.66
2. Relación de distancias D
YLD /=
Donde
L = Longitud del rompeolas y Y = Distancia a laplaya
L / Y varía de 0.2 a 2.5
Si L / Y es mayor de 1.0 se pueden formar tómbolos.
Un ejemplo de rompeolas efectivo construido en laciudad de Norfolk utilizó una serie de rompeolas adistancias entre 60 y 90 metros de la playa, de 60metros de longitud cada rompeolas y con una altura
FIGURA 14.19 Espaciamientos y longitudes de rompeolasy su efecto sobre la playa (U.S. Army Corps of Engineers).
CAPÍTULO 14. ESTRUCTURAS MARINAS 542
T
Filtro
1.5 : 1 o menor
1 : 1
Roca superficial dB
Olas de diseño
dB
1 : 1
Roca de fondo
de 1.5 m por encima de la altura media de aguas bajas;diseñados para resistir una tormenta de 25 años deperíodo de retorno (IECA, 2001).
Para el diseño de rompeolas se utilizan programasrelativamente complicados de software.
Diques o rompeolas sumergidos
La construcción de estructuras sumergidas bajo elagua junto a la playa modifica el comportamiento delas corrientes junto a la playa y pueden ayudar adepositar arena. Estas estructuras funcionan en formasimilar a los rompeolas, pero su efecto esgeneralmente de menor magnitud. Estos diquessumergidos actúan como barreras submarinas queimpiden el movimiento de arena hacia el fondo delmar y hace que algunas olas rompan sobre laestructura. La cresta de las estructuras sumergidases comúnmente continua y su altura esta por debajode los niveles de marea baja.
Ventajas Desventajas1. Las estructuras enterradas son
estéticamente más aceptables porque noson visibles.
2. Se reduce el nivel de acción de las olassobre la playa.
3. Retardan la perdida de arena de la playa.
1. Por su poca altura pueden no ser suficientes para reducir laacción de las olas.
2. Puede no permitir la recuperación natural de la de la playa.3. Son un riesgo para la navegación.4. No hay mucha experiencia con este sistema.5. Pueden ser costosas de construir.6. Son difíciles de inspeccionar.
TABLA 14.3 Ventajas y desventajas de las estructuras enterradas.
Visualmente estas estructuras no afectan el paisaje,pero su principal inconveniente es que representanun peligro para la natación y la navegación. Cuandola playa es alimentada por arena del fondo del mar,las estructuras sumergidas impiden la alimentaciónde arena y generan procesos de erosión.
La principal diferencia entre los rompeolas y lasestructuras enterradas es que los rompeolas actúandirectamente sobre las olas y las estructurasenterradas actúan más sobre el transporte de arena.
14.4.4 REVESTIMIENTOS
Varios tipos de estructura se pueden construirparalelos a la orilla sobre la playa existente.Revestimientos, muros de mar, o estructuras normalesa la orilla, ayudan a proteger las áreas detrás de ellaspero no representan protección alguna para el áreaentre el mar y las estructuras. Estos elementosencierran ciertas áreas, protegiéndolas pero impidenel funcionamiento natural normal de la playa.
FIGURA 14.20 Enrocados.
CAPÍTULO 14. ESTRUCTURAS MARINAS 543
1
AB
C
D
E
F
AB
G
H
A
H
1Sección 1 - 1 Alzada
Planta
B C
D
A
A
C
C
Planta
Lateral
Alzada
FIGURA 14.21 Tribar.
FIGURA 14.22 Dolo.
Materiales utilizados pararevestimiento
Grandes tubos de geotextil llenos de arena
Un sistema de protección contra la erosión de las áreasarriba de la playa, consiste en la colocación de unasbolsas alargadas de gran tamaño manufacturadas congeotextil de alta resistencia, rellenas de arena o depiedra. Estos tubos deben resistir abrasión, desgarrey punzonamiento. Es común utilizar geotextiles depoliéster de alta resistencia (Gaffney, 2001). El tamañode las bolsas de varios metros de ancho y de grandeslongitudes las convierte en estructuras de gran pesoque no son fácilmente removidas por las fuerzas deloleaje y su flexibilidad les permite adaptarse a lasocavación (Gaffney, 2001).
Para su construcción se excava una zanja trapezoidalde gran tamaño, paralela a la playa dentro de la cualse extiende el tubo de geotextil y luego se rellenageneralmente, con el mismo material de la excavación.Se utilizan tubos en diámetros hasta de 2. 2 metros ylongitudes hasta 150 metros (Pamucku, 2001)
Los tubos de geotextil tienen una vida útil menor queotras estructuras, pero son generalmente muchomenos costosas, al utilizar arena de la playa comomaterial básico.
Colchones de bloques articulados de concreto
Los colchones de bloques articulados de concreto sonestructuras de gran área que resisten las fuerzas deloleaje y protegen las áreas arriba de la orilla de la
CAPÍTULO 14. ESTRUCTURAS MARINAS 544
L
A A
120º
A
B
C
H
I
K
J
F
G
129º
30'
109º
60'
.Planta
Fondo
Alzada
Sección A-A
FIGURA 14.23 Tetrápodos.
C
CB
C
D
A
D
B D
C
C C
D
D
B
D
B
A
Planta
Fondo
Alzada
FIGURA 14.24 Cubo.
erosión marina. Estos colchones consisten en bloquesprefabricados de concreto de altura entre 10 y 30centímetros amarrados entre sí por medio de cablesde poliéster. Estos colchones se colocan sobre unacapa de piedra de aproximadamente 30 centímetrosde espesor, la cual descansa sobre un geotextil dealta resistencia. La capa de piedra tiene por objetoayudar al drenaje y garantizar una cimentación establey uniforme para el colchón. El geotextil se ancla a unbloque o muerto alargado en la parte superior. Losvacíos entre los bloques del colchón articulado serellenan de suelo y se puede sembrar vegetaciónnativa de la orilla marina (Murria, 2001).
En el diseño se debe analizar la estabilidad aldeslizamiento de las diversas capas, una sobre la otra
y la resistencia del geotextil. Además, se debe analizarla socavación en el pié del colchón y diseñar unsistema de protección.
Colchones preformados de concreto
Los colchones preformados son construidos por doscapas de geotextil, las cuales forman un colchón deceldas dentro de las cuales se inyecta mortero apresión. Su diseño de estabilidad es muy similar alde los bloques articulados.
Geoceldas llenas de concreto
Otro sistema utilizado para la protección de las áreasjunto a la orilla son las geoceldas rellenas de concreto.Las geoceldas son construidas con cintas de
CAPÍTULO 14. ESTRUCTURAS MARINAS 545
polietileno de alta densidad soldadas a intervalosregulares para formar un panel tridimesional en formade canal. Adicionalmente a las geoceldas se le puedenincorporar tendones de refuerzo (IECA, 2001). Lasgeoceldas se colocan sobre un geotextil de filtro ymaterial de adecuación para mejorar la capacidad desoporte de la playa, en forma similar a los colchonesarticulados y luego se rellenan de piedra o de concreto.Para los revestimientos marinos generalmente se utilizaconcreto.
El diseño es muy similar al que se emplea para losbloques articulados.
Tubos diagonales de geotextil llenos de concreto
La utilización de revestimientos utilizando tubos degeotextil rellenos de concreto está aumentando en losúltimos años. En este sistema tubos alargadosllamados “Sausages” se colocan formando 45o con eleje de la ola rompiente, entrelazados diagonalmenteen tal forma que actúan en forma muy eficiente paracontrarrestar el arrastre por la fuerza de las olas.
Enrocados
La protección utilizando enrocados es tal vez la másantigua. Los enrocados son bloque de roca de gran
tamaño, los cuales se colocan sobre mantos degeotextil cubriendo el área de orilla que se requiereproteger. El tamaño y calidad de la roca utilizada, elespesor del manto de enrocado y la pendiente sonlos factores a determinar en el diseño.
Elementos de concreto
Son bloques o elementos de concreto simple oarmado cuya forma facilita el entrelace entre loselementos y permiten acumular fuerzas que resistanel embate del oleaje. De estos elementos semencionan el tribar, los dolos, los tetrápodos,hexápodos y cubos (Figuras 14.21 a 14.24).
Bolsas de concreto
Las bolsas de concreto o bolsacretos son grandesbolsas de geotextil que se rellenan de concreto, omortero. Las bolsas se colocan en capas, en tal formaque las bolsas superiores van tomando la forma delos espacios sobre las inferiores y se conforma unconjunto de concreto entrelazado muy resistente. Lafricción entre ellas puede ser hasta de 35º . Hay bolsasindividuales de diversos pesos desde 3 a 27 toneladas.La mayoría de las bolsas utilizadas en obras marinastienen dimensiones de 3 m de largo, 2 m de ancho y 1m de altura.
14.5 PESO DE LOS ELEMENTOS INDIVIDUALES
Un factor determinante en la estabilidad de una obramarina es el peso de los elementos bien sean piedraso elementos de hormigón.
Para calcular el peso de los elementos se puedeemplear alguna de las siguientes expresiones:
a. Fórmula general de Irribarren
3
3
1)cos38.2(
43.0
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −−
=
ws
sd
sen
HP
γ
γαα
γ
Donde:
P = Peso de los elementos en toneladas
Hd = Altura de la ola de diseño
s = Peso unitario de los elementos
w = Peso unitario del agua
α = Ángulo entre la horizontal y el talud en gradas.
b. Fórmula de Irribarrem modificada por Hudson
αγγ
γ
cot13
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −=
ws
sd
Kd
HP
Donde:
Kd depende de la forma del elemento y de suubicación con respecto a la ola (Tabla 14.4).
CAPÍTULO 14. ESTRUCTURAS MARINAS 546
Valor De KdElemento De Capas Talud Cot ColocaciónTronco Morro
Roca redonda 2 1.5 a 3 Al Azar 1.2 1.2Roca redonda Más de 3 1.5 a 3 Al Azar 1.6 1.4Roca angulosa 1 1.5 a 3 Al Azar - -Roca angulosa 1 1.5 Al Azar - 1.9Roca angulosa 2 2.0 Al Azar 2.0 1.6Roca angulosa 2 3.0 Al Azar - 1.3Roca angulosa Más de 3 1.5 a 3 Al Azar 2.2 2.1Roca angulosa 2 1.5 a 3Roca redonda 2 1.5 a 3 Especial 5.9 5.3Tetraedros 2 1.5 Al Azar - 5.0Tetrápodos 2 2.0 Al Azar 7.0 4.5Tetrápodos 2 3.0 Al Azar - 3.5Tribar 2 1.5 Al Azar - 8.3Tribar 2 2.0 Al Azar 9.0 7.8Tribar 2 3.0 Al Azar - 6.0Tribar 1 1.5 a 3 Uniforme 12.0 7.5Dolo 2 2.0 Al Azar 15.8 8.0Cubo 2 1.5 a 3 Al Azar 6.5 -Dolo 2 3.0 Al Azar 8.0 13.5
TABLA 14.4 Valores de kd (para diseño de elementos de Estructuras marinas).
C. Fórmula del U.S. Army Corps of Engineers
El manual para protección marina del U. S. Army Corpsof Engineers (1984) recomienda la siguienteexpresión:
θcot)1( 30
3
-=
r
rSK
HWW
Donde:
W = Peso en Newtons de cada piedra
Wr = Peso unitario de la piedra en Newton / m3
H = Altura de diseño de la ola
K0 = Coeficiente de estabilidad
Sr = Gravedad específica de la piedra
Ww = Peso unitario del agua de mar
θ = Ángulo de pendiente de la estructura en grados.
Elevación y ancho de la corona
El rebase de la ola por encima de la corona solo sepermite cuando no cause problemas de operación deembarcaciones al otro lado del rompeolas. La sobrealtura depende del run - up generado por el oleaje. El
ancho de la corona depende de las característicasconstructivas del rompeolas, siendo en todos los casoslo suficientemente grande para permitir el paso de losequipos de construcción y mantenimiento.
Durabilidad de los materiales en lasobras marinas
Los ambientes salinos deterioran más fácilmente losmateriales y se requiere analizar la durabilidad de losmateriales que se utilicen en las obras junto al mar.
Deben tenerse en cuenta entre otros los siguientescriterios:
• Los materiales metálicos se corroen con muchafacilidad por acción de la sal.
• Los materiales plásticos pueden ser susceptiblesa daño por acción de los rayos UV del sol.
• El concreto puede ser disuelto por ciertoscomponentes químicos que pueden estarpresentes en el agua del mar.
Estabilización mediante subdrenaje
Un sistema de estabilización de playas utilizandosubdrenaje se ha reportado con éxito en los últimosaños. El sistema consiste en construir un sistema de
CAPÍTULO 14. ESTRUCTURAS MARINAS 547
Mínimo 6.00 m.
Pared vertical
1.00 m.
Piedras pequeñas
Piedras 4.000-8.000 Lbs.
Piedras 300-500 Lbs.
Sección A
Sección B
Sección C
Sección D
FIGURA 14.26 Enrocado para protección de los muros.
FIGURA 14.25 Muros junto al mar.
subdrenaje del agua subterránea de la playa mediantela construcción de subdrenes profundos paralelos ala playa y pozos de recolección y bombeo. En estaforma se eliminan las presiones de poro positivas y seproducen presiones negativas, las cuales ayudan aque la arena se acumule en la playa. El aguabombeada es arrojada nuevamente al mar. El principalinconveniente de este sistema es el costo deelectricidad para el bombeo permanente.
Sistemas de estabilización patentados
En el mercado se ofrecen una gran cantidad desistemas de estabilización de playas, los cualesfuncionan en forma similar a los espigones, orompeolas pero que poseen una geometría, métodode construcción o materiales especiales de propiedadde las firmas vendedoras de estos productos. Lamayoría de estos sistemas son prefabricados deconcreto o estructuras flexibles. La mayoría de ellasno han sido adecuadamente probadas o ensayadas,aunque los vendedores generalmente afirman suefectividad sin bases ciertas (U.S. Army Corps ofEngineers , 1994).
El crecimiento de la industria de control de erosión hasido muy grande en los últimos años ypermanentemente aparaecen en el mercado nuevosproductos. Estos materiales deben ensayarse enforma experimental antes de su utilización definitiva,especialmente en proyectos de gran magnitud.
CAPÍTULO 14. ESTRUCTURAS MARINAS 548
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