Autor: Leonardo Gómez Sandoval 1
1: IC, Especialista en infraestructura vial y transportes, Departamento de Ingeniería, Geosistemas Pavco. Bogotá, Colombia.
RESUMEN
El puente Tahuamanu durante los últimos años los máximos niveles de agua, fueron superiores al máximo nivel de agua considerado en el diseño del puente, lo cual estaba poniendo en peligro la estabilidad de la carretera de acceso en ambas márgenes.
La alternativa que mejor se adecuaba a las condiciones del proyecto era la GEOESTRUCTURA estructuras flexibles en forma tubo hechas con geotextil tejido de alta resistencia.
Estas estructuras hechas con geotextiles de alta resistencia, especialmente desarrolladas con propiedades únicas de filtración y retención: almacenan, conforman, drenan y consolidan materiales en su seno mediante el uso de dragas, barcos areneros o tolvas especialmente diseñadas, la mezcla de llenado es conocida como “slurry”, y corresponde a un 80% de agua y un 20% de material arenoso fino. Estas condiciones hicieron que las GEOESTRUCTURAS fuera la solución 100% viable, el uso de esta solución y cumplió con gran éxito la función de protección de los estribos que conforman el Puente Tahuamanu.
1. ANTECEDENTES
El puente Tahuamanu, construido sobre el río del mismo nombre, se encuentra ubicado entre las progresivas Km 627+950 y Km 628+100 del Corredor Vial Interoceánico del Sur. El puente, con una antigüedad no mayor a 15 años, tiene 160 m de longitud con un perfil longitudinal parabólico, donde los accesos tienen una menor elevación que la parte central del puente. Es un puente de tres tramos con pilares intermedios tipo tarjeta trapezoidal de 1.20 de espesor, con zapatas superficiales apoyadas sobre pilotes.
Durante la máxima avenida del 27 de febrero del 2007 los máximos niveles de agua, que ocurrieron en el río Tahuamanu, fueron superiores en 1.61 m al máximo nivel de agua considerado en el diseño del puente, además el cauce principal del río, aguas arriba del puente, ha sufrido variaciones significativas que están poniendo en peligro la estabilidad de la carretera de acceso de la margen izquierda. Ante esta situación es necesario hacer una evaluación del sistema actual y presentar una solución definitiva.
2. OBJETIVO
Los objetivos del estudio son:
– Estudios de alternativas de solución.
– Diseño de defensas ribereñas con Geoestructuras.
– Planteamiento y solución a problemas de erosión en la selva.
3. EL PUENTE TAHUAMANU
El puente Tahuamanu fue construido el año 1997, tiene las siguientes características generales:
Es un puente continuo de concreto presforzado de sección cajón de una celda
La longitud total del puente es de 160.0 m, distribuidos en tramos de 46.0 m + 68.0 m + 46.0m
La sección transversal de la estructura tiene 9.0 m de ancho, la cual está conformada por una vía de 7.2 m de ancho, y veredas de 0.9 m a cada lado de la vía
La subestructura consiste de pilares tipo muro, cimentados sobre 21 pilotes tubulares de acero de 0.5 m de diámetro por pilar, y los estribos son del tipo viga, con muros laterales soportados por 4 pilotes tubulares de acero de 0.5 m de diámetro.
4. EVALUACION DEL SISTEMA ACTUAL
4.1 Comportamiento del sistema actual
En la Fig. 2 se muestra una vista aérea del puente Tahuamanu, tomada en enero del 2009. En esta foto se observa que la dirección de los flujos de agua de la corriente principal que se aproximan al puente no son perpendiculares a esta estructura.
Para enero 2010 los fenómenos de socavación lateral en el tramo AB están poniendo en peligro la estabilidad de los taludes de la carretera de acceso, y el río tiene una tendencia peligrosa a cambiar su cauce cortando a la carretera dentro de este tramo AB
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En los últimos años se ha presentado la siguiente situación:
Desde el año de construcción del puente se observa que el meandro del cauce principal del río Tahuamanu, ubicado aguas arriba del puente, se ha desplazado de tal manera que actualmente la margen izquierda del río se encuentra al pie del talud de la carretera, poniendo en peligro la estabilidad de la vía en un tramo de aproximadamente 140 m.
La Fig. 3 nos muestra un levantamiento topográfico efectuado en la zona de estudio, en el año 1999, por el Proyecto Especial Madre de Dios– Instituto Nacional de Desarrollo, y en la Fig. 4 un levantamiento topográfico realizado en noviembre del 2009 por CONIRSA. Analizando estas figuras se tiene que la curva del meandro ubicado inmediatamente aguas arriba del puente se ha desplazado hacia aguas abajo, desde el año 1999, una distancia aproximada de 170 m, hasta alcanzar el talud de la carretera de acceso por la margen izquierda. Debido a esta situación actualmente el talud de aguas arriba de la carretera de acceso de la margen izquierda se encuentra en un serio peligro de colapso, y además hay el peligro de que el cauce principal del río corte a la carretera haciendo que el puente Tahuamanu quede aislado.
Entre febrero del 2009 y diciembre del 2009, se notan un rápido desplazamiento hacia la carretera que ha tenido el cauce principal del río, poniendo en peligro la estabilidad de la vía.
5. PROPUESTA DE SOLUCION A LOS FENOMENOS DE VARIACION DEL MEANDRO DE AGUAS ARRIBA DEL PUENTE, Y DE SOCAVACION DEL TALUD DE LA CARRETERA DE ACCESO DE LA MARGEN IZQUIERDA
a. Trabajos de nuevo encauzamiento del cauce principal, aguas arriba del puente Dado que la construcción del puente y del relleno de sus carreteras de acceso han originado el fenómeno de la variación del meandro de aguas arriba, y por los problemas de socavación que se han descrito, es necesario efectuar obras de encauzamiento que cumplan principalmente los siguientes objetivos:
– Estabilizar el río tomando como referencia el desarrollo del cauce principal que el río tenía el año de 1992, cuyo desarrollo se muestra en la Fig. 7, y hacer que ya no sufra variaciones posteriores, se toman como referencia este año, pues tal como se observa en la imagen satelital el cauce principal del río estaba bastante alejado de la carretera y el puente aún no había sido construido, y además el cauce cruzaba la zona de estudio perpendicular al eje de ubicación del puente actual. La estabilización deberá permitir que se aproveche la abertura actual del puente de una manera efectiva
– Dado que el cauce principal del río tiene un comportamiento meándrico, no es conveniente efectuar un trabajo de encauzamiento de trayectoria recta.
– El encauzamiento debe ser tal que la dirección de las velocidades de los flujos de avenida, al pasar por la abertura del puente, debe ser perpendicular al eje del puente, y paralelo a los pilares y estribos.
En la Fig. 8 se muestra el plano donde se indica los trabajos de encauzamiento. Las características principales de estos trabajos son:
– La base del nuevo encauzamiento es de 100 m, que es la base promedio del cauce principal del río en la zona de estudio.
– En los nuevos encauzamientos los taludes de las nuevas riberas del cauce principal se consideran de 1V:2H. Se toma en cuenta este talud pues actualmente en la zona de estudio las orillas del cauce principal tienen taludes que varían entre 1V:1.4H a 1V:2.4 H.
– En el inicio del nuevo encauzamiento se deberá colocar en el cauce anulado un relleno compactado con el material extraído de la excavación, libre de todo tipo de material orgánico, para hacer que los flujos promedio se desvíen hacia el nuevo cauce. El relleno debe llegar hasta el nivel promedio de la llanura de inundación.
– La longitud de los trabajos de un nuevo encauzamiento es de 720 m.
– Además se deben hacer trabajos de perfilado y/o ampliación del cauce principal actual, en una longitud de 304 m, donde parte de estos trabajos se deben efectuar aguas abajo del puente actual.
b. Construcción de diques guía
La solución más adecuada para el río Tahuamanu, el cual es un río con meandros y con amplias llanuras de inundación, y cuyo cauce está formado de arena muy fina, es la construcción de diques guía.
La colocación de los diques guía tiene las siguientes ventajas adicionales:
– No existirán corrientes de agua al pie de los taludes de las carreteras de acceso al puente, por lo tanto se elimina el riesgo de colapso de los taludes de la vía.
– No es necesario colocar estructuras complementarias a los diques guía para cambiar el cauce principal del río, tales como la colocación de espigones, diques adicionales, etc.
– Sólo se requiere de trabajos menores de encauzamiento para dirigir los flujos del cauce principal hacia la abertura inicial de los diques guía, pues posteriormente el río irá progresivamente modificando su cauce, hasta aproximarse al desarrollo que tenía el año 1992 o en años anteriores
Los estudios de investigación efectuados recomiendan longitudes de diques guía, aguas arriba del puente, igual a la luz del puente o menores, y aguas abajo una longitud de dique de aproximadamente 1/3 de la longitud del dique de aguas arriba. Por las características de la situación actual, y dado que como mínimo se propone que el cauce principal del río tenga el desarrollo que tenía inmediatamente antes que se construya el puente actual (1992), se propone las siguientes longitudes:
– Longitud de los diques aguas arriba: L1 = 160 m
– Longitud de los diques aguas abajo: L2 = 60 m
Resumiendo, los diques guía cumplen con las siguientes funciones:
– Hacen que las velocidades del flujo, durante la ocurrencia de máximas avenidas, sean paralelos a los estribos y pilares del puente.
– Protegen los estribos, y los taludes de las carreteras de acceso al puente, de los fenómenos de socavación local.
Teniendo en cuenta la ubicación del proyecto, el cual tiene como principal dificultad la falta de canteras de material agregado utilizado en las soluciones convencionales para casos de defensa ribereña, obligó a buscar soluciones utilizadas en otros proyectos (nacionales e internacionales) en los cuales se tuviera dificultades similares a la encontrada en el Puente Tahuamanu.
Se plantearon el uso de tres alternativas:
a.- Gaviones: Su uso fue descartado debido a que no se contaba con material en la zona, lo cual hacia que la solución se volviera económicamente inviable, cabe indicar que se utilizó gaviones como solución de emergencia en el estribo derecho del puente pero este fue desechó o destrozado por el río Tahuamanu.
b.- Tablestacado: Se planteó su uso pero la falta de experiencia en proyectos similares así como su costo hizo descartar la solución.
c.- Geoestructuras: Son estructuras flexibles en forma tubo hechas con geotextil tejido de alta resistencia. Su sección trasversal tiene forma oval y el diámetro y la longitud son determinadas de acuerdo a los requerimientos del proyecto, como se observa en la Figura
12. Son estructuras hechas con geotextiles tejidos de alta resistencia, especialmente desarrolladas con propiedades únicas de filtración y retención: almacenan, conforman, drenan y consolidan materiales en su seno mediante el uso de dragas, barcos areneros o tolvas especialmente diseñadas, la mezcla de llenado es conocida como “slurry”, y corresponde a un 80% de agua y un 20% de material arenoso fino. De esta forma la tela debe ser diseñada para retener partículas de suelo de este tamaño.
Las geoestructuras van a acompañadas de los siguientes elementos para su correcto funcionamiento:
• Manto antisocavación
Se trata de un manto que se extiende hasta la longitud recomendada (Le=Longitud efectiva) para proteger de la socavación el sistema y en toda la longitud de la Geoestructura.
• Puerto de llenado
Son mangas de 12 pulgadas de diámetro cosidas de fábrica a la parte superior de la Geoestructura. Estas mangas son conectadas a la tubería que de descarga del slurry (agua – arena). Los puertos son fabricados del mismo material que la geoestructura.
• Eslingas de amarre
Son argollas fabricadas de nylon van colocadas a lo largo de la geoestructura. Se deberá anclar la geoestructura con un cordel de polipropileno de ½” a estacas de madera o metálicas con el fin de darle estabilidad en el proceso de llenado.
Debido a que las geoestructuras, sólo necesitan agua y arena como materia prima para su relleno, materiales existentes en la zona, se eligió esta opción para solucionar el problema del Puente Tahuamanu.
Para el diseño del tipo Geotextil Tejido de Alto Módulo a usar en la fabricación de la Geoestructura a utilizar en el proyecto se tienen que tener en cuenta los siguientes factores:
Presentar una permeabilidad suficiente para aliviar el exceso de presión de agua
Retener el material de llenado.
Resistir las presiones de llenado
Resistir las fuerzas de abrasión durante las operaciones de llenado.
Sobrevivir a los procesos de instalación.
Resistencia al punzonamiento y al rasgado.
Para el cálculo de la resistencia que debió cumplir el Geotextil Tejido se utilizó el Software
Geocops*, el cual permite mediante el ingreso de datos calcular la resistencia que debe tener el Geotextil Tejido de Alto Módulo que se usará en la fabricación de la Geoestructuras, este programa permite el ingreso de factores de seguridad así como factores de instalación y de degradación, lo cual permite que se asemeje de mejor manera a las condiciones de campo en las que estará expuesta la geoestructura.
Otro punto importante a tener en cuenta en la fabricación de la geoestructura es el tipo de arena con la cual será llenada, se necesitaba saber el TAA (tamaño aparente de la abertura) de la arena, dado que el geotextil tejido debería tener un tamaño menor para que el geotextil tejido pueda retener la mayor cantidad de material y así evitar que durante el bombeo del slurry, la arena se escape por el TAA de la geoestructura.
*GeoCoPS was developed by ADAMA Engineering (formerly Leshchinsky, Inc.) for the US Army Corps of Engineers in 1995
Los resultados obtenidos una vez realizados los cálculos del Geocops y el Análisis Granulométrico del material a usar para el slurry, nos dio como resultado la utilización de un Geotextil Tejido de Alto Módulo con una resistencia de 175 kN/m, el cual tiene un TAA de 0.425 mm, siendo este mayor al TAA de la arena a utilizar en el slurry, se optó por la utilización de un geotextil no tejido como “forro” el cual tenía un TAA de 0.20 mm con lo cual se cumplía con las dos condiciones necesarias para la aplicación de esta tecnología en el proyecto Defensa Ribereña del Puente Tahuamanu.
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7. CONCLUSIONES
Las geoestructuras es la solución a problemas de erosión en la selva ó en zonas donde las piedras y/o concreto son de muy alto costo, es decir, una solución que contemple el uso de material de la zona como es la arena y el agua (materiales usados para la conformación del slurry) los cuales son utilizados para el llenado de las geoestructuras.
La metodología de diseño de la solución con geoestructuras es aceptada por parte del Ministerio de Transportes y Telecomunicaciones, esto se logra gracias a los argumentos técnicos debidamente sustentados, así como las experiencias en otros países para proyectos en condiciones similares.
Se logra solucionar el problema de erosión en el Puente Tahuamanu de manera eficiente, se instalaron con éxito 15000 metros lineales aprox. de GEOESTRUCTURAS, equivalente a 219600m³ de arena confinada, se alcanzaron rendimientos de llenado al día de hasta 187.5 m3 por día, logrando así superar la expectativa de instalación.
Como toda solución que contempla el uso de geosintéticos, a excepción de la Geomembrana, la geoestructura no necesita de mano de obra calificada, es por ello que se coordinó unas charlas entre la empresa suministradora de la solución y los encargados de la obra para enseñar la metodología de llenado, con lo cual se llegó a óptimos resultados durante el proceso de instalación.
La protección ribereña del puente Tahuamanu es el proyecto a mayor escala de geoestructuras realizado en Perú.
Se obtuvo como resultado también que las geoestructuras se acoplarían al entorno del lugar dado que luego de la primera temporada de lluvia la naturaleza cubrió las Geoestructuras de vegetación, corroborando así que la solución se alineaba con el medio ambiente
8. BIBLIOGRAFIA
[1] Departamento de Ingeniería. Manual de diseño con geosintéticos. Geosistemas Pavco S.A. Novena Edición. Bogotá. 2008.
[2] Leshchinsky, D. and Leshchinsky, O., “Geosynthetic confined Pressurized Slurry (GEOCOPS): Supplemental Notes, Version 2.0. Newark, Delaware, USA, 1996
[3] Koerner, R. M. (2005). Designing with Geosynthetics, 5th ed., Pearson Prentice Hall, New Jersey, USA.