Autores: Ing. Pablo Spalletti1 Daniel Brea1 Martín Irigoyen1 Javier Herrera2 1 Laboratorio de Hidráulica. Programa de Hidráulica Fluvial – Instituto Nacional del Agua (INA) 2 Maccaferri de Argentina S.A.
Resumen
El presente trabajo completa la serie de artículos científicos presentados en anteriores ediciones del CICES; artículos que han sido producidos en el seno de un amplio programa de investigación desarrollado por el Instituto Nacional del Agua de Argentina, por solicitud de Maccaferri. En los anteriores trabajos, se presentó el estudio experimental del flujo bajo mantas de geotextil y el estudio experimental del flujo sobre una protección contra la erosión constituida por colchonetas de piedra embolsada por una malla de alambre. Se presenta el comportamiento de geomantas sintéticas sometidas a la corriente en un ensayo en un canal de laboratorio a escala prototipo. Proporcionando a los diseñadores, a través de ábacos, los límites de aplicación de las geomantas ensayadas para situaciones similares a las estudiadas.
Introducción
Uno de los parámetros de mayor importancia en el diseño de protecciones a la acción de las corrientes, es la velocidad del flujo. En ese sentido, y con el objeto de mejorar las condiciones de diseño, Maccaferri solicitó al Programa de Hidráulica Fluvial del Laboratorio de Hidráulica del Instituto Nacional del Agua (LH-INA) que realizara una serie de ensayos en un canal en escala de prototipo, o sea 1:1, para estudiar el comportamiento de diversos tipos de mantas geosintéticas o geomantas (Spalletti, 2013).
Se evaluó el funcionamiento de protecciones del lecho constituidas por tres tipos de geomantas denominadas comercialmente como MacMat_L, MacMat_S y MacMat_R. Se analizó, también, el comportamiento de las mantas MacMat_L y MacMat_S cubiertas con una capa de grava fina con una granulometría específica. Adicionalmente, se efectuó un ensayo de referencia con el lecho de arena de base sin protección. Las experiencias fueron ejecutadas en un canal con paredes vidriadas de 7 metros de longitud y un tramo a fondo móvil de arena, por sobre el que se colocaron los diversos tipos de protecciones analizadas. En cada ensayo se registraron perfiles de velocidades en sitios característicos, y se estudió la deformación de la protección y el estado de los anclajes frente a acciones dinámicas crecientes. Se estudió también para las geomantas, la forma en que se produce la rotura para velocidades crecientes del escurrimiento, indicándose los límites en los que se observaron cambios de comportamiento en las protecciones. Instalación Experimental Los estudios se efectuaron en la Nave 6 del INA en un canal de 14.65 m de largo, 0.765 metros de ancho y 1.20 metros de altura, construido de ampostería y hormigón, con paredes vidriadas en ambos laterales y un tramo a fondo móvil de arena con d50=0.34mm. Aguas abajo, el canal dispone de una compuerta metálica accionada por un motor eléctrico para regular los tirantes.
El dispositivo experimental cuenta con un sistema de recirculación cuyo caudal máximo de bombeo es de aproximadamente 0.8 m3/s. En el canal de retorno hay un vertedero de aforo tipo Rehebock, que permite determinar los caudales mediante la lectura de un limnímetro situado en uno de los laterales. En la margen izquierda del canal se construyó una pasarela para situar los equipos de medición. El esquema de la instalación experimental se presenta en la Figura 2.
Por sobre el lecho de arena nivelado se colocaron las geomantas a ensayar, cubriendo la totalidad de tramo a fondo móvil, con una longitud adicional en el sector a fondo fijo, donde las cubiertas fueron sujetadas. En el tramo con material granular, las mantas geosintéticas se anclaron cada 80 cm con fijaciones de hierro con forma de U de 25 cm de largo. Las velocidades de la corriente se registraron mediante un Velocímetro Acústico Doppler (ADV) SonTek, montado sobre un carro para acceder a cualquier sector del canal mediante movimientos longitudinales, transversales y en la vertical. Dicho dispositivo debió ser reforzado para resistir las solicitaciones dinámicas debidas a las altas velocidades, evitando vibraciones que pudieran afectar los registros. El relevamiento de la superficie de las mantas y de los anclajes para cuantificar las erosiones y movimientos de las protecciones, se efectuó mediante un nivel óptico.
Experiencias
Como se indicara anteriormente se estudió el funcionamiento de geomantas MacMat_L, MacMat_S y MacMat_R y su desempeño como protecciones de lecho a la acción de corrientes. Para las dos primeras también se efectuaron ensayos con una capa de grava fina con una granulometría específica sobre la geomanta y en sus intersticios. Con el objeto de disponer de un ensayo de referencia se realizaron experiencias con el lecho de arena de base sin protección. En todos los casos se fue trabajando con velocidades crecientes y, en primera instancia, con tirantes de 40 cm. Para caudales elevados, la condición de restitución impuso la necesidad de trabajar con tirantes algo mayores por la formación del tirante crítico en la descarga.
En términos generales la velocidad de inicio de movimiento para el material de base se estimó en 0.28 m/s, y para la grava fina de la cubierta en 0.80 m/s.
En la Tabla 1 se resumen los rangos de los parámetros hidráulicos, en los grupos de ensayos realizados para los distintos tipos de cubierta del lecho.
Se relevaron perfiles verticales completos de velocidad en el centro del canal a 7.70m (PCAAB) y 5.60m del extremo de aguas arriba del mismo y en el lateral de margen izquierda en la progresiva 7.70m.
Para analizar el efecto de las paredes y del desarrollo del perfil de velocidades a lo largo del canal, se compararon entre sí los perfiles relevados, pudiéndose apreciar que en el centro aguas abajo el perfil de velocidades se encuentra más desarrollado que en el centro aguas arriba, y que en cercanías de las paredes, los perfiles de velocidad presentan, en su parte superior, una reducción respecto de las velocidades máximas.
Para todas las protecciones se describió su comportamiento frente a velocidades crecientes, determinándose para qué valores las geomantas dejaban de cumplir satisfactoriamente con su función de proteger el lecho de base.
También se relevó el lecho por sobre las distintas protecciones, para diferentes grados de evolución del proceso erosivo. Se analizaron, para los distintos casos estudiados de mantas geosintéticas con y sin grava, las posiciones del lecho en todo el tramo a fondo móvil. Para ello se niveló el fondo del canal, registrándose valores cada 20 cm en la dirección longitudinal y al menos 5 puntos por sección transversal. Se niveló también la parte superior de cada anclaje y el nivel del lecho junto al mismo. La información relevada se procesó con un sistema de información geográfico, determinándose en cada caso y situación el modelo digital del fondo.
Las variaciones en el perfil de velocidades y en las condiciones de turbulencia en la parte inferior del escurrimiento respecto de las que se presentarían para un canal de fondo plano con material granular, son causales de los cambios en las condiciones de arrastre sobre el material de base. Por ello se analizaron también parámetros que caracterizan la turbulencia, como el desvío medio cuadrático (RMS) y la intensidad de turbulencia.
Análisis de resultados experimentales
Con el objeto de caracterizar rangos de funcionamiento de las cubiertas ensayadas en relación a su desempeño en la protección del material de base a partir del comportamiento observado en las experiencias, se determinaron umbrales para los cuales se distinguían cambios en las condiciones de movilidad del material granular del fondo.
A partir de las observaciones se han definido un primer límite en el cual comenzaba a distinguirse el inicio de movimiento de algunas partículas de arena, un segundo límite cuando se apreciaba un transporte generalizado de material con el consiguiente desarrollo de erosiones generales del lecho, y finalmente, una situación en la que se desarrollaba un flujo por debajo de la cubierta sin que se observaran efectos de protección, pudiéndose asumir como un estado de colapso. En el límite final, las mantas geosintéticas quedaban sostenidas en los anclajes, sin que se produjeran roturas de las fibras.
A modo de ejemplo, en la Figura 3 se muestra, para la geomanta MacMat_L, los perfiles de velocidad con los valores límite definidos antes.
Las velocidades medias límites máximas admisibles, asociadas a los tirantes considerados en cada ensayo y a un tiempo de acción de la corriente de una hora, para las cuales las geomantas logran evitar la erosión del fondo son las que se presentan en la Tabla 2
Conclusiones
De acuerdo con las observaciones realizadas durante el desarrollo de las experiencias, para el estudio de las geomantas MacMat_L, MacMat_S y MacMat_R a la acción de corrientes, se han logrado identificar las condiciones hidráulicas límites admisibles y las que generan el colapso de cada protección. También se ha evaluado la forma en que se produce este colapso y el desarrollo de la erosión del fondo una vez que la geomanta deja de cumplir su función de protección. En la Figura 4 se indican los límites recomendados para su aplicación para condiciones similares a las ensayadas.
Referencias
Spalletti,P.; Irigoyen,M. (2013). Estudio en modelo físico del funcionamiento de colchonetas y MacMat en escala 1:1. Informe LHA-INA 329-03-2013. Argentina.