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MASTER EN INGENIERÍA MEDIOAMBIENTAL Y GESTIÓN DEL AGUA

Escuela de Negocios

Módulo: Recursos hídricos

EL PROBLEMA DE LAS INUNDACIONES Y

LAS VÍAS DE COMUNICACIÓN

AUTOR: ALFONSO PALMA VILLALÓN

©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.

Master en Ingeniería Medioambiental y Gestión del Agua Módulo: Recursos Hídricos

Materia: El problema de las inundaciones y las vías de comunciación


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Sumario 1 INTRODUCCIÓN...................................................................................................................3

2 LOS SISTEMAS DE DRENAJE SUPERFICIAL. ..............................................................4 2.1 CÁLCULOS HIDROLÓGICOS.................................................................................................6 2.2 CÁLCULOS HIDRÁULICOS. ..................................................................................................7 2.3 DISEÑO DE PUENTES.........................................................................................................12





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EL PROBLEMA DE LAS INUNDACIONES Y

LAS VÍAS DE COMUNICACIÓN

Alfonso Palma Villalón

1 Introducción. La intervención humana ha supuesto la modificación artificial de la respuesta de

las zonas inundables. Actuaciones tales como la urbanización, los cambios en los usos de suelo, las infraestructuras lineales etc, pueden dar lugar a modificaciones de los niveles de inundación e incluso alterar los esquemas de circulación del flujo. Estas actuaciones pue-den constituir un factor de intensificación de las crecidas y de sus efectos catastróficos. En particular, las infraestructuras lineales –sobre todo los grandes terraplenes- y las obras de desagüe insuficientes, pueden agravar la inundación aguas arriba, desviarla hacia otras zonas, e incluso producir una onda de avenida por rotura del terraplén. –ver foto 1-

Fotografía 1.- Desagüe de un puente de una autopista durante una crecida y conducciones

que obstruyen la sección de un puente.

La importancia que el transporte tiene en nuestros días adquiere un singular relie-ve en situaciones de inundación por las interrupciones del servicio que pueden llegar a producirse, dificultando en muchos casos la evacuación de las poblaciones o la llegada de ayudas de emergencia –ver foto 2-. Por otra parte, las vías de comunicación se convierten en un elemento de transporte inseguro durante una inundación. Un número elevado de las víctimas provocadas por inundaciones en los últimos años en España se ha producido en vehículos automóviles. La localización y modificación de puentes y obras de drenaje insuficientes, la señalización y la eliminación de badenes son medidas que tienen una gran efectividad para la protección de vidas humanas.





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Fotografía 2.- Problemas de accesibilidad por la destrucción de un puente durante el Mitch

e inundaciones en zonas regables por deficiente capacidad de drenajes.

Las obras lineales –sobre todo los grandes terraplenes- y las obras de desagüe in-suficientes pueden desviar la inundación hacia otras zonas o agravarla aguas arriba –ver foto 2-. Es preciso reconocer, sin embargo, que la afección no puede eliminarse por com-pleto y tampoco sería deseable encarecer las obras hasta extremos antieconómicos. La planificación conjunta de las vías de comunicación y de las actuaciones en las zonas.

2 Los sistemas de drenaje superficial. La presencia de una vía de comunicación provoca interrupciones en la red de dre-

naje natural del terreno –ríos, barrancos, ramblas y arroyos-. El drenaje superficial trans-versal tiene por objeto restituir la continuidad de esos cursos de agua tanto en situaciones ordinarias como en extraordinarias, cual es el caso de una crecida. Los efectos perjudicia-les de un drenaje transversal mal diseñado son los daños que pueden producirse sobre la propia infraestructura viaria y las afecciones a terceros, causadas estas últimas fundamen-talmente por sobreelevaciones de la lámina aguas arriba de la infraestructura, si ésta llega a convertirse en una barrera que dificulta el paso de las aguas.

En algunas ocasiones, incluso se debe recurrir a sistemas de drenaje complicados, que no serían necesarios si se planificasen las nuevas vías de comunicación teniendo en cuenta la peligrosidad frente a las inundaciones. Ligeras modificaciones en el trazado o en los perfiles de la carretera o el ferrocarril serían suficientes para evitar problemas se-rios de evacuación de las aguas.

Figura 1.- Ejemplo de Pequeña Obra de Drenaje Figura 2.- Ejemplo de puente





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Los elementos que constituyen un sistema de drenaje superficial transversal se dividen en:

Pequeñas Obras de Drenaje – alcantarillas, marcos y pontones-, en las que la sec-ción resulta determinante para el desagüe y que generalmente están provistas de solera- figura 1 y foto 3-. Una característica importante que influye en las condiciones de desa-güe de estas obras es su embocadura.

Las obras de paso con grandes dimensiones, como es el caso de los puentes, que se colocan en cauces con cursos de agua continuos o donde circulan caudales de crecida importantes –figura 2-. Su sección no es tan determinante para el desagüe y presentan problemas específicos, como el derivado de la erosión en las pilas de apoyo.

Fotografía 3.- Ejemplo de marcos con aletas en una autopista.

Para el diseño hidráulico de los elementos de drenaje transversal deberán tenerse en cuenta los siguientes criterios:

La velocidad de la corriente deberá limitarse para evitar daños por erosión y ate-rramientos.

El nivel de agua se controlará al objeto de disponer de un resguardo respecto a la plataforma, normalmente un mínimo de 50 cm.

Los posibles daños por inundaciones inducidos por la carretera en sus zonas próximas deberán ser considerados admisibles.

Los daños materiales a terceros que se puedan producir en zonas aledañas a la ca-rretera por la sobreelevación del nivel de agua debida a la presencia de ésta, no deberán tener la condición de catastróficos1 y, entre los que no la tengan, deberán ser admisibles2.

1 Los daños a terceros se consideran catastróficos cuando exista riesgo de pérdida de vidas huma-

nas o graves daños personales o cuando hayan afecciones a núcleos poblados o industriales. 2 Cuando los daños no se consideren catastróficos, se considerarán admisibles si la sobreelevación

del nivel de la corriente provocada por la presencia de la carretera no exceda de 50 cm.





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2.1 Cálculos hidrológicos.

Para el dimensionado de las obras es necesario definir el periodo de retorno del caudal de cálculo, siendo los más normales:

De 25 a 100 años según la importancia de la obra y los posibles daños que pueda ocasionar su obstrucción o rotura.

De 500 años cuando los daños sean de naturaleza catastrófica. El método utilizado normalmente en España en el racional, incluyendo unas mo-

dificaciones propuestas por su autor –Témez, 1991-, que extienden su ámbito de aplica-ción, de cuencas pequeñas (< 75 km2) hasta cuencas medianas (< 3.000 km2). Ambos métodos son una variante de la tradicional fórmula racional:

Q = KAIC ·6,3··

en la que: Q (m3/seg) = caudal punta I (mm/h) = máxima intensidad media en e intervalo de duración igual al tiem-

po de concentración. A (km2) = superficie de la cuenca C = coeficiente de escorrentía del intervalo en el que se produce I. K = coeficiente de uniformidad. Las modificaciones de este método respecto al tradicional son: La introducción de un coeficiente de uniformidad que tiene en cuenca la falta de

uniformidad de las lluvias máximas cuando las cuencas tienen una extensión apreciable. La incorporación del efecto de no simultaneidad de las lluvias, proponiendo una

reducción de las precipitaciones en función del tamaño de cuenca. El coeficiente de uniformidad K varía de unos episodios a otros, pero su valor

medio en una cuenca concreta depende fundamentalmente del valor de su tiempo de con-centración, Tc, y de forma tan importante según su autor, que a efectos prácticos puede despreciarse la influencia de otras variables tales como, por ejemplo, la torrencialidad del clima.

Para la estimación del coeficiente de uniformidad K, en valores medios, en el mé-todo se propone la siguiente expresión:

141 25,1

25,1

++=

c

c

TTK

Respecto al coeficiente de escorrentía C, la fórmula propuesta utiliza como pará-metro el umbral de escorrentía Po y tiene en cuenta el efecto de la lluvia diaria Pd:

Si Pd ≤ 0: C = 0

Si Pd ≥ P0 C = (Pd – P0) (Pd + 23 P0) / (Pd + 11 P0)2





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2.2 Cálculos hidráulicos.

Para el diseño o comprobación del sistema de drenaje transversal deberá calcular-se si con la altura disponible a la entrada de la obra y con la disposición prevista de las obras de drenaje es suficiente para desaguar el caudal de referencia. Si se considera nece-sario, deberá estudiarse el remanso que puede producirse hacia aguas arriba.

Es fundamental –sobretodo en las pequeñas obras- el riesgo de obstrucción, que se puede dividir en tres:

Alto: peligro de arrastre de árboles y ramajes u objetos de gran tamaño. Medio: peligro de arrastre de cañas, arbustos u objetos de dimensiones similares. Bajo: no es previsible el arrastre de objetos que puedan obstruir el desagüe. Si existe riesgo es conveniente que l conducto no funcione a sección llena, tengan

anchura suficiente para ser atravesadas por los objetos flotantes, aunque haya que sobre-dimensionar las obras, y tener en cuenta en la embocadura la reducción de sección por obstrucción. En casos especiales se puede recurrir a disponer un dispositivo de retención aguas arriba. En cualquier caso es muy recomendable que se proceda a una conservación sistemática de las obras que presenten estas características.

En todo caso, si existe riego de obstrucción, se deben disponer aletas en la embo-cadura, ya que incrementa en gran medida la capacidad de desagüe de los objetos arras-trados y evita, por lo tanto la obstrucción –ver foto 4 y figura 3-.

No recomendable Recomendable

Fotografía 4.- Tipos de embocadura recomendables en caso de riesgo de obstrucción





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Figura 3.- Diseño de embocaduras.

En ocasiones se tiende a elevar la rasante para aumentar la capacidad de desagüe. A ésta práctica hay que prestarle una atención especial pues puede acentuar el efecto ba-rrera, tanto desde una perspectiva ambiental, como de las afecciones a los niveles de aguas arriba.

En la figura 4 se muestra las diferentes disposiciones en planta de las obras trans-versales.

Figura 4.- Pequeñas obras de drenaje. Disposición en planta y Cálculo hidráulico –

Control aguas abajo o arriba.





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En las pequeñas obras de desagüe se pueden producir dos tipos de control en el régimen hidráulico –ver figura 4-.

De entrada, cuando los niveles se pueden determinar en función de las caracterís-ticas de la obra –geometría y embocadura-.

De salida, cuando los niveles del cauce a la salida de la obra o bien las caracterís-ticas de la conducción, influyen en los niveles de aguas arriba. Será, por tanto, necesario comprobar si aguas abajo de la obra hay obstáculos tales como azudes, cruces con otras vías de comunicación, estrechamientos bruscos del cauce, confluencia con otras corrien-tes, etc.

En la mayoría de los casos prácticos se produce control de entrada y el cálculo de la altura de agua se puede realizar mediante la aplicación de curvas de desagüe, obtenidas experimentalmente para conductos circulares y rectangulares con diversas condiciones de embocadura. Estas curvas se presentan de forma adimensional en la Instrucción y permi-ten, a partir del caudal de referencia y de las características geométricas de la obra (an-chura, altura, diámetro etc), obtener la altura de la lámina inmediatamente aguas arriba de la misma –figuras 5-.

Figura 5.- Obras de drenaje. Niveles aguas arriba en función del caudal y de las

características del conducto. Si hubiese control de salida, para determinar con precisión esa altura sería necesa-

rio, en algunos casos, recurrir al análisis de las curvas de remanso, pero en general se puede realizar un cálculo aproximado a partir de la aplicación de la ecuación de la energía entre dos secciones situadas aguas arriba y aguas abajo de la obra, considerando las pér-didas en la embocadura y las que se producen debido al paso del flujo a través de la obra.

Hs = g

V

R

nLgKe·2

····212

34

2

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡++ - L ·J +h0





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Figura 6.- Embocadura. Coeficiente de pérdidas Ke en función de la forma

Siendo: Hs = El nivel del agua a la entrada de la obra, sobre la solera de esta. L = La longitud del conducto. J = La pendiente del conducto. V = La velocidad media (a sección llena) R = El radio hidráulico (área/perímetro) a sección llena. g = La aceleración de la gravedad.





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n = El coeficiente de rugosidad de Manning Ke = El coeficiente de pérdida de carga en la embocadura, dado por la figura 6. H0 = el mayor de los dos valores siguientes: La diferencia del nivel del agua en el cauce a la salida del conducto, con la cota

de la solera de este. La semisuma del calado crítico Yc del conducto y la altura H de este. Si del con-

ducto resultase Yc > H, se tomar igual a H. Aunque en la mayoría de los casos no se produce control de salida, esa posibili-

dad no se debe olvidar, sobre todo si tiene en cuenta que es habitual que tramos de distin-tas vías de comunicación –autopista, carretera nacional, ferrocarril etc- discurran por tra-zados próximos.

En el caso de puentes, la sobreelevacion aguas arriba se calcula función de la ve-locidad media del flujo, y de una manera simplificada resulta:

∆h = (Kb + Kp) g

v·2

2

Siendo: v : velocidad media del agua (m/s) Kb : Coeficiente que depende de la relación del caudal que pasaría libremente

por el puente y el total (Qp/Q) –ver figura 7-. Kp : Coeficiente que representa en efecto de las pilas en función del área y de

la forma de ellas –ver figura 7-.

Figura 7.- Sobreelevación en puentes. Coeficientes de pérdidas por estrechamiento –

Kb- y por pilas –Kp-





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2.3 Diseño de puentes.

Un elemento fundamental en el diseño de puentes es considerar las erosiones ge-nerales y localizadas que se producen, principalmente durante el paso de crecidas, que pueden originar la ruina del puente y la consiguiente incomunicación entre las márgenes, con los problemas que conlleva de reconstrucción del mismo -ver foto 5-.

Fotografía 5.- Desmoronamiento de un puente por descalce.

Por ello es fundamental estudiar con cuidado la profundidad de socavación en las pilas y estribos de los puentes –ver figura 8-, ya que se pueden producir descalces como los de la foto 6.

Figura 8.- Erosiones generales y localizadas en un puente.





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Figura 9.- Erosiones en una pila de un puente y comparación entre las sobreeleva-

ciones con lecho fijo o móvil. En el gráfico de la figura 9 se muestra la diferencia en el cálculo de las sobreele-

vaciones en un puente considerando el lecho fijo o el lecho móvil, resultando muy infe-riores las segundas respecto las primeras, por lo que el cálculo hidráulico anteriormente hecho con lecho fijo queda del lado de la seguridad.

La forma de las pilas tienen una importancia fundamental en las erosiones –ver figura-, ya que pilas muy largas pueden generar grandes erosiones si no coincide su direc-ción con la del flujo -lo cual a veces es difícil de definir-. En la fórmula de Larsen la ero-sión es proporcional a b*.

E = 1,5 · y1/3 · b*2/3

Figura 10.- Erosiones en pilas. Comparación entre pilas largas y cilíndricas

En la foto 6 se puede ver casos de descalce de puentes que se han mantenido gra-cias a los pilotes de sustentación de las zapatas.

Fotografía 6.- Descalces de puentes por erosión. El segundo caso es debido a un proceso de

extracción de áridos aguas abajo





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Por todo ello es conveniente en la planificación considerar con amplitud el diseño de los puentes, ya que son obras singulares que pueden tener una gran influencia en los daños que se puedan originar en las crecidas.

A veces la rotura no es del puente, sino de los terraplenes laterales –ver foto 7-, esto, dentro del los daños que se representa, es preferible a la rotura del puente, ya que estos terraplenes pueden rápidamente rellenarse y la restauración de la circulación se puede hacer relativamente rápido, mientras que la construcción de un nuevo puente con-lleva un tiempo mucho mayor.

Fotografía 7.- Rotura de los terraplenes de acceso al punte. El segundo caso es el puente

recién construido en Choluteca y dañado por el Mitch.

Por todo ello en los valles anchos sería conveniente pensar en un diseño de los te-rraplenes de acceso a las puentes que sitúe su rasante por debajo del puente, permitiendo el desbordamiento por encima en las grandes crecidas, sin su rotura, y evitando la rotura del puente –ver figura 11-.

Figura 11.- Diseño de terraplenes de acceso a puentes para evitar roturas del puente.

Figura 12.- Protección del talud aguas abajo de los terraplenes de los accesos a los

puentes en valles anchos –La foto corresponde al Mitch en Honduras-

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