cap01 erosion-conceptos-basicos
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CAPÍTULO
La Erosión – Conceptos Básicos
INTRODUCCIÓN
La erosión comprende el desprendimiento, transporte y posterior depósito de materiales de sueloo roca por acción de la fuerza de un fluido en movimiento (Figura 1.1). La erosión puede sergenerada tanto por el agua como por el viento.
El presente libro intenta resumir el estado del arte actual en el análisis de los procesos erosivos yla tecnología de control de erosión. El primer capítulo presenta algunos conceptos básicosnecesarios para entender los mecanismos de la erosión hídrica.
Como una regla general las regiones con suelos muy erosionables, pendiente alta, clima seco yfuertes vientos pero con lluvias intensas ocasionales, sufren las mayores pérdidas por erosión.Las actividades humanas frecuentemente intensifican o aceleran las ratas de erosión, especialmentepor la deforestación o la remoción de la capa vegetal, así como por la concentración de la escorrentíaen forma artificial. De los totales de erosión que se producen en el mundo cerca de 1/4 a 1/3 delos sedimentos se transportan hasta el mar y los demás se depositan en los planos de inundación,los canales de los ríos, los lagos y los embalses.
La erosión es tal vez el factor más importante de contaminación del agua en cuanto a volúmenesde contaminantes se refiere.
La erosión según Ayres (1960), depende de cuatro variables principales:
)...( VSGRfE =
E = Rata de erosiónR = Factor que depende de la cantidad e intensidad de la lluviaG = Factor que depende de la pendiente y topografía del terrenoS = Factor que depende de las propiedades físicas y químicas del sueloV = Factor que depende de las características de la cobertura vegetal.
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CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 16
Desprendimiento Transporte
Depósito
La erosión involucra una serie de procesos en los cuales interviene una gran cantidad de factores, además delos indicados por Ayres. En el presente capítulo se analizan los parámetros y variables que afectan estosprocesos, en los capítulos 2 a 5 se presentan los tipos y mecanismos de erosión y en los capítulos 6 a 14 seresumen las características de los materiales y los sistemas de diseño y construcción de obras para el control dela erosión.
FIGURA 1.1 Proceso de erosión.
1.1 HIDROLOGÍA
El análisis hidrológico es uno de los trabajos previosmás importantes para el diseño de obras de controlde erosión, independientemente de su tamaño o desu costo. Ese análisis es importante para determinarlos caudales máximos y velocidades máximas de lacorriente; las cuales son indispensables paradeterminar las fuerzas de erosión, debidas al flujo deagua. Si no se conocen con precisión y confiabilidad,las intensidades máximas de precipitación yescorrentía y los caudales máximos de las corrientes,no es posible diseñar adecuadamente obras paracontrolar la erosión.
La hidrología no es una ciencia exacta y es posibleque se obtengan resultados muy diferentes de acuerdoal método que se utilice para el cálculo y lametodología de manejo de la información; por lo tantose deben utilizar criterios de sana ingeniería paradecidir cual método se debe aplicar. Cuando sediseñan obras para el control de erosión serecomienda ser prudentemente generoso en lasuposición de lluvias y caudales y no correr el riesgode perder las obras al diseñar para fuerzas de erosiónmenores que las reales.
El ciclo hidrológico
El agua es un elemento natural esencial para laexistencia de la vida, y esta se encuentra en lanaturaleza de diferentes formas, generalmente encontinuo movimiento; de acuerdo a un ciclo queincluye las nubes o vapor de agua, la precipitación enforma de lluvia granizo o nieve, la infiltración, laevapotranspiración, la escorrentía, las corrientessubterráneas, los acuíferos, los ríos y quebradas, losmares y los lagos (Figura 1.2). El agua continuamenteestá cambiando de forma de acuerdo a un ciclo naturaldenominado ciclo hidrológico.
1.1.1 LAS LLUVIAS
Origen de la Precipitación
Las lluvias se deben a una serie de fenómenosatmosféricos que ocurren en las nubes, entre loscuales los más importantes son:
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 17
Evaporación
superficial
Intercepción
Evaporación
Almacenamiento
PrecipitaciónAcumulación
Percolación
Nivel freático
de deshieloPercolación
de nieve
de deshielo
Transpiración
Caudales de
Escorrentía
Escorrentía
Escorrentía subterráneahacia lagos, ríos y océanos los ríos
Océano
a) Desarrollo b) Madurez c) Decaimiento
Superficie
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LluviaNieveHielo
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Escala de vientos
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1. La precipitación convectiva (Tormentas)
Se forman movimientos verticales de aire muy fuerteslocalmente, en los cuales la precipitación de partículasde lluvia se inicia en la base de las nubes y crece haciaarriba (Figura 1.3). El tiempo en que se forma laprecipitación es muy corto (aproximadamente 45minutos). Son generalmente lluvias intensas pero decorta duración.
FIGURA 1.2 Ciclo hidrológico del agua (Dunne y Leopold, 1978).
FIGURA 1.3 Etapas de desarrollo de una tormenta convectiva. (Smith 1993).
2. La precipitación estratiforme
Se forman algunos movimientos verticales de airerelativamente débiles y se inicia precipitación en laparte superior de las nubes. El tiempo hasta que seproduce precipitación puede ser de varias horas. Sonlluvias menos intensas pero generalmente de mayorduración que las convectivas.
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 18
3. La precipitación orográfica
El levantamiento del aire con nubes al pasar sobrecadenas montañosas puede producir inestabilidadesconvectivas que producen lluvia. Los frentes nubososal chocar contra una cordillera generan precipitacionesmuy fuertes a determinadas altitudes.
4. Los grupos de nubes (Clusters) tropicales
La mayor cantidad de la precipitación que ocurre enlas zonas tropicales está asociada con grupos denubes o clusters que ocurren en la zona deconvergencia de vientos. Los clusters de nubes comotodos los sistemas de nubes tropicales son de origenconvectivo; sin embargo, los sistemas de clusters songrupos nubosos en gran escala con áreas de lluviashasta de 50.000 km2 (Smith, 1993). Estos clusters alpasar por los sistemas de montañas generanprecipitación de tipo orográfico y convectivo de granmagnitud e intensidad.
Es común que los clusters formen una corrientealargada de nubes o vaguada tropical que demoravarios días en pasar sobre un sitio, generando lluviasno solamente de gran intensidad sino de varios díasde duración. Estas vaguadas se localizan de acuerdoa la época del año sobre una franja relativamenteparalela al Ecuador. La localización precisa de estasfranjas varia de año en año. En ocasiones, lasvaguadas se vuelven persistentes en una determinadaubicación, generando lluvias intensas durantesemanas enteras. La ocurrencia de frentes nubosostipo clusters y vaguadas genera una gran inestabilidaden el clima tropical.
El paso de un clusters puede generar precipitacionesmuy altas en zonas de precipitación promedia muybaja, generando avalanchas o huaicos (Erosión enmasa). El paso y ocurrencia de los clusters estárelacionado con las corrientes de aire que llegan a lostrópicos provenientes de los hemisferios norte y sur(Figura 1.4). La mayoría de estos clusters en Américatropical ingresan desde el hemisferio sur por El Brasil,en dirección diagonal hacia Panamá, durante losmeses de Abril a Noviembre generándose una zonade alta pluviosidad sobre el continente americanocomo se muestra en la figura 1.5. Los sistemas declusters tropicales juegan un papel muy importanteen la circulación global y tiene conexiones importantescon anomalías de circulación atmosférica, como elNiño.
5. El Niño y La Niña
El sistema de frentes de clusters indicados en el párrafoanterior maneja la mayor parte del clima tropical. Sinembargo ocurren anomalías de vaguadas de clusters
en sentido contrario al indicado con nubesprovenientes del polo norte, o se produce undesplazamiento de los frentes que provienen del sur.Estas anomalías pueden generar precipitaciones muyaltas en áreas donde el promedio de lluvia es bajo osea en las costas de Perú y Ecuador y en la costa deVenezuela.
El Niño genera vaguadas persistentes hacia el Ecuadory Perú y hacia México y California y posteriormente LaNiña localiza estas vaguadas sobre Centroamérica,Colombia y Venezuela. Los resultados del Niño y laNiña son épocas muy intensas de lluvia o sequía, deacuerdo a la localización de las vaguadas.
6. Los huracanes
Los huracanes son sistemas convectivos de granmagnitud que producen grandes vientos y muy fuerteslluvias. Estos sistemas son propios de la zona tropicaldel mar Caribe desde México hasta la costa deVenezuela. La mayoría de estos huracanes se formanen el océano Atlántico y van creciendo en fuerza amedida que avanzan hacia el Caribe. Finalmentepierden poder al entrar al continente y generangrandes intensidades concentradas de lluvia. Loshuracanes son una fuente muy importante de erosiónen Centroamérica y México.
Anomalías climáticas
Las anomalías climáticas son modificaciones alsistema normal de precipitación debida a fenómenosglobales, como el Niño por ejemplo. Estas anomalíaspermiten la ocurrencia de temporadas secas en zonasnormalmente lluviosas y lluvias excepcionales enzonas semi áridas, generando problemas aceleradosde erosión o avalanchas.
Estas anomalías generan lluvias muy por encima delos promedios (Colegio de ingenieros del Perú, 1998),causando gran cantidad de deslizamientos,inundaciones y daños a las obras de infraestructura,especialmente las carreteras y los puentes. Lasanomalías climáticas activan focos de erosión y causandenudación de grandes áreas de suelo.
Los cambios climáticos anómalos que son evidentesen los últimos años, se atribuyen al creciente consumode combustibles fósiles, el uso del suelo yespecialmente la deforestación de los trópicos. Elefecto directo mejor identificado es la disminución dela capa de ozono.
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 19
Mes de enero
Mes de julio
México
Colombia
Brasil
Bolivia
Perú
Ecuador
México
Colombia
Ecuador
Perú Brasil
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Venezuela
Venezuela
FIGURA 1.4 Sistemas de circulación de vientos superficiales en la zona tropical de América.(Adaptado de Smith - 1993).
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Información requerida de laprecipitación
El conocimiento detallado del sistema de lluvias esuna información básica que se requiere para eldiagnóstico correcto de los problemas de erosión y eldiseño de obras para su control.
Se deben analizar entre otros, los siguientes aspectos:
• Tipos de tormenta que van a ocurrir en la zona(Orográfica, convectiva, grandes clusters,vaguadas tropicales, etc.)
• Promedio de lluvia acumulada anual
• Lluvia acumulada anual mínima
• Lluvia acumulada anual máxima
• Distribución promedio de lluvias a lo largo del año,periodos lluviosos y periodos secos.
FIGURA 1.5 Precipitación media anual generalizada en la zona tropical de América. La información corresponde a los años1986 -1989. (Adaptado de Smith 1993).
• Lluvia máxima acumulada histórica en 15 días yfrecuencia de ocurrencia de grandes lluviasacumuladas en 15 días.
• Lluvia máxima histórica en 24 horas y frecuenciade ocurrencia de grandes lluvias en 24 horas.
• Lluvia máxima probable en 24 horas.
• Intensidad máxima histórica de lluvia / hora yfrecuencia de ocurrencia de grandes intensidadesde lluvia.
• Duración de las intensidades máximas de lluvia.
• Intensidad máxima probable de lluvia en mm/hora.
• Duración de la tormenta de diseño.
• Volumen total de lluvia de la tormenta de diseño.
• Hietograma o gráfico de intensidad de la lluvia conel tiempo para la lluvia de diseño.
• Localización de la tormenta de diseño con respectoa la cuenca.
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 21
• Intensidades esperadas de la tormenta de diseñoen las diferentes áreas de la cuenca.
• Indice de la precipitación antecedente.
• Curvas intensidad – duración – frecuencia.
Para conocer los diversos métodos que existen parael análisis de precipitaciones y el proceso de lainformación climática se recomienda consultar laspublicaciones especializadas sobre meteorología ehidrología.
Medición de la precipitación
La precipitación puede medirse de varias formas:
a. Lluvia en un punto
El pluviómetro y el pluviógrafo permiten medir la lluviaque cae en un punto específico de la superficie de latierra. La lluvia se acumula en un recipiente cuyasuperficie de captación es generalmente un áreacircular de 8 pulgadas de diámetro. En esta forma semide en milímetros la lluvia que cae en un puntodurante un determinado tiempo.
b. Distribución espacial de la lluvia
Como en todos los sitios no cae la misma cantidad deprecipitación se requiere conocer la distribución de lalluvia en un área determinada o cuenca. La mediciónde la lluvia en unos pocos puntos no necesariamentepresenta la lluvia real en el área de una cuenca, serequiere de una gran cantidad de información paratener certeza de la forma como se distribuye laprecipitación.
En Cuencas o áreas muy pequeñas se puede asumirque la lluvia en la tormenta de diseño es uniformesobre toda el área de la cuenca, pero en cuencas demás de 500 Km2, esta condición es muy difícil de lograr.En cuencas con cambios fuertes de altitud laintensidad y magnitud de las lluvias varía con la altitudy los cambios topográficos pueden inducir cambiosen la precipitación.
Un sistema de radar permite determinar la distribuciónespacial de la lluvia, y el mejor sistema es el radarcalibrado con una serie de pluviómetros en variospuntos del área.
Actualmente con equipos de satélite se puede obteneruna información “aproximada” de lluvias en áreasdonde no se tienen equipos de medición en el terreno;sin embargo, esta información debe evaluarse concuidado para evitar errores muy grandes.
Sistema anual de lluvias
La magnitud e intensidad de las lluvias varía a lo largodel año en cada sitio, dentro de un sistemametereológico mundial. En algunas zonas el sistemaes unimodal con una gran temporada lluviosa anualcon máximos en los meses de mayo a octubre y unatemporada seca en los meses de diciembre a febreroy en otras zonas el sistema es bimodal con dostemporadas secas en diciembre-enero y en julio-agosto y dos temporadas lluviosas, con máximosaproximadamente en mayo y octubre.
Dentro del sistema general ocurren anomalías cadadeterminado número de años, durante las cuales lasmagnitudes e intensidades suben abruptamente odisminuyen marcadamente en una temporada. Estasanomalías dependen de sucesos metereológicosextraordinarios como son los fenómenos de “el Niño”o de “la Niña”.
Información requerida para el análisisespacial de las lluvias
Según el Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidospara la correcta medición de lluvias en un área plana,se requiere una densidad de mínimo una estación porcada 100 kilómetros cuadrados y en zonas de montañauna por cada 10 kilómetros cuadrados, para erroresde aproximadamente el 10%. En todos los casos paraun análisis aceptable en cuencas pequeñas serecomienda un mínimo de cuatro estacionespluviométricas.
Si se tiene un buen cubrimiento de estaciones existenmétodos de análisis confiables para determinar ladistribución de la lluvia en una cuenca. Si no existeun número suficiente de estaciones los errores sonmuy grandes.
Es práctica corriente suponer una lluvia uniforme enel área determinada, sin embargo, en las zonas demontaña tropical, como es el caso de los AndesColombianos, la magnitud e intensidad de lastormentas varían en forma importante de un punto aotro, dependiendo de varios factores entre los cualesse encuentran los sistemas de vientos y la altitud. Enel caso de cadenas montañosas de gran altura,comúnmente las lluvias de mayor intensidad ocurrenen puntos intermedios entre el Piedemonte y el Páramo(Figura 1.6), en la zona donde el frente nuboso seencuentra con las montañas.
En el caso de América latina la escasez de datosconfiables para una cuenca determinada es un casode común ocurrencia y se debe recurrir a análisis
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 22
regionales correlacionando las lluvias de una cuencaa otra o relacionándolos con la altitud. El análisisregional de las tormentas permite definir la magnitude intensidad de la tormenta para cada altitud o paradeterminada zona ambientalmente homogénea. Esteanálisis regional aunque no es preciso puede sersignificantemente más confiable que el realizado sindatos o con información deficiente (U.S. Corps ofEngineers, 1997).
Tormenta de diseño
Para el diseño de obras para el control de erosión esfundamental tener como base una tormenta máximapara diseño, y un cálculo de caudales; y para ello losestimativos basados en análisis de frecuencia de loseventos son una herramienta muy útil. La metodologíaa emplear depende de las características de los datosdisponibles.
Los métodos a utilizar pueden ser los siguientes:
1. Análisis estadístico de datos de caudales medidosen la corriente.
2. Análisis regionales de frecuencia de lluvias.
3. Análisis de un evento de precipitación tipo contormentas hipotéticas.
4. Análisis de un periodo con mediciones deprecipitación y caudales.
Al definir la lluvia hipotética de diseño se debedeterminar la intensidad de la lluvia y la duración dela tormenta. La tormenta escogida para diseño paracuencas pequeñas o medianas según el U.S. Corpsof Engineers debe tener una duración igual o superioral tiempo de concentración de la cuenca para que estarepresente un caso crítico de caudales en la corrienteanalizada.
Los caudales generados por una tormenta dependendel estado de la cuenca antes de la tormenta. Unagran tormenta con la cuenca seca genera caudalesmedianos, pero si la cuenca está saturada puedeproducir caudales muy grandes. Además la coberturavegetal actúa como acumuladora del agua de latormenta y afecta considerablemente la respuesta dela corriente (Ver capítulo 8). Se requiere entoncesanalizar un número grande de tormentas y estadosde la cuenca. Los caudales máximos generalmente,ocurren cuando la cuenca está saturada por lluviasantecedentes importantes y las infiltraciones yacumulaciones son mínimas.
La información de la tormenta de diseño, junto conlas características de la cuenca permiten calcular loscaudales de las corrientes de agua y de estos caudalesdepende su comportamiento erosivo.
Concepto de precipitación máxima probable(PMP)
La precipitación máxima probable es una tormentahipotética que presenta la máxima altura deprecipitación, que es físicamente posible para unadeterminada duración, sobre un área determinada, enuna localización geográfica particular, en cierta épocadel año.
1.1.2 LA ESCORRENTÍA
Escorrentía es la proporción de lluvia que fluye sobrela superficie del terreno. El camino y el tiempo quetoma el agua desde que cae en forma de lluvia hastaque alcanza una cañada o río depende de lascaracterísticas físicas de la cuenca, particularmentede las pendientes del terreno, textura del suelo yvegetación. El agua corre laminarmente al comienzo,luego en concentraciones pequeñas, las cuales vancreciendo ladera abajo.
La cantidad y concentración de la escorrentía dependede varios factores así:
1. Intensidad de la lluvia.
2. Area y forma de la superficie del terreno.
3. Pendiente y longitud de las laderas o taludes.
4. Naturaleza y extensión de la cobertura vegetal.
5. Rugosidad de la superficie del terreno.
6. Características de los suelos subsuperficiales.
Caudales concentrados
La escorrentía se acumula a lo largo de las zonas másbajas o enterradas formando caudales concentrados,los cuales a su vez pueden producir surcos o cárcavasde erosión. La magnitud de los caudales deescorrentía recolectados en un área de superficie deterreno puede ser determinada referenciándose alhidrograma unitario; Sin embargo la utilización delmétodo de hidrogramas unitarios para el cálculo decaudales en áreas pequeñas puede no ser práctico.Generalmente, para el cálculo de caudalesrecolectados en áreas pequeñas, para propósito dediseño de obras para el control de erosión, se utilizael Método Racional, el cual es más práctico y presentaresultados satisfactorios.
Es importante en todos los casos la observación dela escorrentía durante períodos de lluvias intensas. Laevidencia de caudales concentrados puede serencontrada en líneas de lodo y residuos que se formanen las áreas de cobertura vegetal de poca altura. Laexperiencia muestra que la presencia de estas
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FIGURA 1.6 Relación entre la magnitud de las lluvias y la altitud en las cuencas del Piedemonte llanero Colombiano.
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 24
concentraciones de agua, es precursora de problemasde erosión y la detección a tiempo de un problemapermite su control en forma fácil y económica.
Otra clave para detectar concentraciones de agua deescorrentía es el exceso de humedad, el cual semanifiesta en el carácter verde de la vegetación envecindades de los sitios de concentración de agua.Ciertas plantas solamente crecen en áreas deconcentración de humedad. La localización decaudales concentrados ya sea intermitentes opermanentes, deben ser localizados en los mapastopográficos.
1.1.3 INFILTRACIÓN
El agua de la lluvia al caer sobre el suelo trata deinfiltrarse, desplazando el agua existente hacia abajopor macro poros, formando una especie de onda depresión de agua dentro del suelo, la cual produce unfrente húmedo de infiltración.
Al inicio de la lluvia la totalidad de la precipitación seinfiltra humedeciendo el suelo. La humedad en el sueloantes de la lluvia es determinante en la cantidad deinfiltración porque al llover, el agua trata de penetraral suelo humedeciéndolo y creando una capa delgadade saturación; y hasta que ésta capa no haya llegadoa un punto de equilibrio no se forman una escorrentíay una corriente de infiltración. El equilibrio se logracuando todo el perfil está transmitiendo agua a lamáxima rata permitida por la parte menos permeablede los horizontes. Esto puede ocurrir entre diezminutos o varias horas después de iniciada lalluvia.(Figura 1.7)
El agua en exceso que no puede infiltrarse se quedaen la superficie. De acuerdo con la intensidad de lluvia,la infiltración y las características físicas del terreno seproduce una corriente superficial (escorrentía), unaserie de corrientes subterráneas semiparalelas a lapendiente del terreno y una corriente semivertical deinfiltración hacia el nivel freático.
Capacidad de infiltración
Las capacidades de infiltración varían de dos a dosmil quinientos milímetros por hora, dependiendo dela cobertura vegetal, pendiente, textura del suelo,humedad natural y prácticas de agricultura. Los suelosmás permeables (Tabla 1.1) como las gravas y arenasposeen una capacidad mayor de infiltración. Lasgravas y arenas son mucho más permeables que lasarcillas.
FIGURA 1.7 Lluvias, infiltración y escorrentía durante unatormenta.
TABLA 1.1 Coeficientes de permeabilidad y capacidad deinfiltración.
Suelo Permeabilidad K cm/seg
Capacidad deinfiltraciónmm/hora
Arcillas < 10 x 10-9 0.25 a 2.5Limos 1 x 10-9 a 1 x 10-7 2.5 a 8Arenasfinas 1 x 10-7 a 1 x 10-5 8 a 13
Arenasgruesas 1 x 10-5 a 1 x 10-2 13 a 20
Gravas > 1 x 10-2 20 a 30
La infiltración es también influenciada por la pendientedel terreno y por la textura del suelo; Sin embargo,hay otros factores que determinan la infiltración comoson: las prácticas agrícolas que crean zonas deacumulación de agua y aumentan la porosidad delsuelo subsuperficial. Una pasada de tractor en unárea semiplana puede aumentar la rata de infiltraciónen un ochenta por ciento. Igual situación ocurre conla siembra siguiendo las líneas de nivel.
Cuando la línea del nivel de agua está muy cerca a lasuperficie, esta puede interceptarse con las corrientessuperficiales formándose una zona de flujocombinado. Esta situación es común en depresionesen áreas de lutitas meteorizadas, especialmente en lacordillera oriental de Colombia, formándose una«semicuenca saturada» dentro de la cuenca general,la cual va creciendo durante el tiempo que dure lalluvia.
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Intensidad de Lluvia
EscorrentíaCurva de Infiltración
Agua Infiltrada
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 25
FOTOGRAFÍA 1.1 y 1.2 Erosión diferencial en formaciones de origen sedimentario.
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 26
Cauceprincipal
Punto de salida
Divisoriade aguas
B
1.2 LA CUENCA
Como un resultado de la precipitación se produce unflujo superficial y subsuperficial hacia una grancantidad de corrientes tributarias, las cuales al unirsevan formando quebradas y ríos. El área total que drenahacia el río principal y sus tributarios se le denominacuenca de drenaje. El concepto de cuenca omicrocuenca es básico en el análisis y diseño de obraspara el control de la erosión. Cada cuenca esecológicamente una unidad independiente, nosolamente con relación al agua, sino con otros factoresinterrelacionados con el elemento agua.
Primero es importante definir cual es el límite de lacuenca que afecta el análisis. Como las cuencas estánconformadas por un grupo de sub-cuencas máspequeñas, la cuenca debe definirse con referencia aun punto que es la salida del agua recogida por todala cuenca. La cuenca consiste en toda el área deterreno que puede conducir agua hacia el punto desalida durante una lluvia (Figura 1.8).
Propiedades principales de la cuenca
Entre los factores a analizar en un proyecto de controlde erosión se encuentran las siguientes propiedadesde una cuenca:
a. Area de drenaje
En todo diseño o análisis es importante delimitar elárea de la cuenca, la cual esta circunscritaprincipalmente por líneas de división de aguas odivisión de drenajes. El área de drenaje es una de lascaracterísticas más importante de las cuencas, debidoa que esta área determina la cantidad de aguarecogida por la cuenca.
El área de drenaje está limitada por una divisoria deaguas fácil de determinar. Generalmente, el área dedrenaje se mide en hectáreas o en kilómetroscuadrados. Dentro de las mismas condicionesgeológicas y ambientales, la escorrentía esproporcional al área drenada. El área del drenajepuede obtenerse por medio de planos topográficosque ya han sido publicados, o por la medición enfotografías aéreas. Si no existen planos o fotografíasse debe realizar una medición en campo del área dela cuenca.
b. Longitud de la cuenca
La longitud de la cuenca se define usualmente, comola distancia medida a lo largo del canal principal dedrenaje desde la salida de la cuenca hasta la divisoria
de aguas en el extremo superior de la cuenca. El canalprincipal debe seguir la línea de mayores caudales.La longitud se toma a lo largo de los canales y no enlínea recta (McCuen, 1989). La longitud de la cuencava a determinar un parámetro tiempo, que es la medidadel tiempo de transporte del agua desde la divisoriade aguas hasta la salida de la cuenca.
c. Pendiente de la cuenca
La pendiente de la cuenca es un factor muy importantepara definir el momentum de una avenida de agua yel momentum a su vez refleja la magnitud de laavenida. Es importante analizar tanto la pendiente delcanal principal como la pendiente de los taludes y delos canales secundarios. Por esta razón es esencialpara el análisis, que se describan las diferentespendientes y no se resuma la información en un solodato de la pendiente del canal principal. En ocasionesse divide la cuenca en subcuencas y se calculan laspendientes de cada subcuenca. Las cuencas demayor pendiente tienen una respuesta más rápida quelas de menor pendiente.
d. La altitud
La altitud y las diferencias de elevación tienen graninfluencia sobre los niveles de precipitación eintensidad de las lluvias, así como sobre la temperaturay la disponibilidad de agua.
Existen determinadas altitudes en una cordillera a lascuales los niveles de precipitación son máximos.
FIGURA 1.8 Delimitación de una cuenca
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 27
c) Cuenca en abanico
b) Cuenca ancha
a) Cuenca larga
FIGURA 1.9 Formas básicas de una cuenca
e. Curva hipsométrica
La curva hipsométrica es una descripción de la relaciónacumulativa entre la elevación y el área dentro de cadaintervalo de elevación. La curva se traza con laelevación como ordenada y el área de cuenca porencima de esa elevación en la abscisa. Esta curvapuede dibujarse utilizando los valores reales oestandarizando estos valores en fracciones de 0.0 a1.0.
La curva hipsométrica es útil para comparar lascaracterísticas área – elevación de diferentes cuencas.También se puede obtener curvas hipsométricastípicas o promedio para varias cuencas de una región.
f. Forma de la cuenca
La forma de la cuenca afecta la rata a la cual el aguaes suministrada al canal principal. Para el análisisconceptual de problemas de erosión o avalanchas esmuy importante analizar la forma de la cuenca; aunquelos análisis hidrológicos tradicionales generalmenteno la tienen en cuenta en los modelos. La forma de lacuenca influye definitivamente en la determinación dela forma del hidrograma de la cuenca y la forma deeste determina en buena parte la magnitud de losproblemas de avalancha, socavación y erosión.
g. Forma del sistema de drenaje
Las cuencas pueden tener diferentes formas,estructura y densidad de los patrones de drenaje, deacuerdo a las características topográficas y geológicas.La mayoría de las cuencas de drenaje puedenagruparse en tres categorías generales con relación ala forma del sistema:
1. Sistema de drenaje alargado
2. Sistema de drenaje ancho
3. Sistema de drenaje en abanico.
La forma del sistema de drenaje está relacionado conla forma de la cuenca (Figura 1.9). La forma delsistema de drenaje influye grandemente en loscaudales pico y la forma del hidrograma. Por ejemplo,para la misma área, un sistema de drenaje alargadopresenta caudales de hasta el doble de los obtenidosen un sistema ancho o de abanico. La forma puede asu vez representarse por un parámetro K, donde:
5.0AxKL =
L = Longitud del cauce principalA = Area total de la cuencaK = Factor de forma de la cuenca (K puede variar
de 1.3 a 4.6, de acuerdo a la forma de lacuenca).
Otra forma de describir la forma de la cuenca esmediante los factores de forma de Egleason m y a
LBa
LBAm ==
B = Ancho máximo de la cuenca
h. Densidad y estructura del sistema de drenaje
La densidad del drenaje es el número de corrientesque hay en un sistema de drenaje y la forma internade esta red se le llama estructura de drenaje. Lascuencas con suelos impermeables o arcillosos poseenuna mayor densidad de estructuras de drenaje quelos suelos permeables o arenosos.
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 28
De otra parte la estructura de drenaje influye en losprocesos hidrológicos y de erosión.
La densidad del sistema de drenaje se puederepresentar por la relación entre la sumatoria de latotalidad de las longitudes de todos los tributarios detodos los grados y el área total de la cuenca.
ALDd ∑=
LnLLL ...21 ++=∑
i. Cobertura vegetal y uso de la tierra
Las actividades humanas cambian las característicasde la superficie de la cuenca y por lo tanto su respuestahidrológica. El tipo y porcentaje de la coberturavegetal, las zonas de cultivos, las zonas de potreros,las zonas urbanas o áreas pavimentadas determinanla magnitud y características de los caudales y la formadel hidrograma de las crecientes.
Los efectos de la urbanización sobre los caudalesmáximos dependen del porcentaje de áreaimpermeabilizada, los cambios realizados al sistemanatural de drenaje, la instalación de alcantarillados, yla modificación de los canales de las corrientes. Laurbanización generalmente aumenta los valores de loscaudales máximos y la rapidez de la respuesta a laprecipitación.
j. Rugosidad de la superficie
La rugosidad va a determinar la velocidad del aguaen la superficie del terreno y esta a su vez tieneimportancia fundamental sobre los caudales.
k. Geología y tipos de Suelo
Las características geológicas y el suelo tienen un granefecto en la infiltración. La geología caracteriza laspropiedades del subsuelo y otros factores geotécnicosque pueden ser significativos como la posibilidad dedeslizamientos, los cuales a su vez afectan laocurrencia de caudales extraordinarios, flujoshiperconcentrados y avalanchas.
l. Configuración de los canales y geometríatransversal
Los canales en forma de U presentan velocidadesmenores que los canales en forma de V y la presenciade zonas de inundación junto al canal permiten lasedimentación en las inundaciones, disminuyendo lacarga de materiales en la corriente. La sinuosidadafecta la capacidad de acumulación de agua y loscaudales.
m. Hidrología
La experiencia ha demostrado que para el correctodiseño de las obras de Ingeniería se debe tener unainformación hidrológica adecuada. El Ingeniero debeestar familiarizado con los muchos factores que afectanel régimen hidráulico de cañadas y ríos.
Debe realizarse una investigación completa, en lacuenca afectada y en toda el área de característicasclimáticas y ambientales similares. Cuando no existeinformación de lluvias, generalmente se recurre azonas similares lo más cercanas posible, pero se correel riesgo de imprecisiones y por esta razón serecomienda para el diseño de obras del control deerosión ser generosos en la apreciación de caudalespara evitar posteriores fallas en las estructuras.
n. Historia de inundaciones y eventosextraordinarios
Los eventos históricos que ocurrieron antes de quese tuviera instrumentación de una corriente,representan una información muy valiosa para la tomade decisiones sobre obras de control. Es importantedefinir no solamente la fecha de ocurrencia sinotambién su magnitud y las consecuencias del evento.Existen otros eventos que aunque no se tengainformación histórica, sí pueden encontrarseevidencias morfológicas o estratigráficas. Lainformación de los periódicos antiguos es muy valiosa.
Estos paleo-eventos pueden servir como guía paraanalizar la posibilidad de ocurrencia de eventosextraordinarios, los cuales no es posible predecir conbase en las informaciones recogidas de solamente lasépocas más recientes.
1.3 RÉGIMEN DE CAUDALES
El caudal de una corriente varía en el transcurso deltiempo de forma natural, los caudales son diferentesa lo largo del año y de unos años a otros. El régimende caudales define en términos estadísticos ladistribución de los caudales a lo largo del año en unasección específica de la corriente.
Parámetros a definir en cada sección
Se considera importante definir para cada secciónanalizada los siguientes elementos:
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 29
• Caudal promedio anual (media aritmética de loscaudales medios diarios) volumen / tiempo
• Escorrentía media anual ( caudal medio divididopor la superficie de drenaje aportante) en mm.
• Caudal máximo anual.
• Variabilidad temporal de los caudales.
• Caudales medios y máximos mensuales.
• Variación de los caudales a lo largo del año.
• Caudal máximo para diseño.
• Frecuencia de ocurrencia de los caudales máximos(intervalo medio en años en que el caudal superaun determinado valor).
• Duración en el tiempo de los caudales máximos.Un volumen o caudal determinado de agua puedeno representar una amenaza de erosión oinundación, la amenaza depende de la distribuciónen el tiempo de ese caudal.
• Ocurrencia histórica de grandes crecientes. Caudalmáximo histórico.
• Evidencias de ocurrencia de Paleo-caudalesextraordinarios. Un geólogo puede determinar sise observa que han ocurrido grandes caudales oavalanchas en el pasado y cual ha sido su altura yun hidrólogo puede calcular su caudal.
Tiempo de Concentración
El tiempo de concentración está definido como eltiempo requerido para el viaje del agua desde el puntomás alejado de la cuenca hasta el sitio objeto deldiseño.
Para la formulación de predicciones de caudales seasume que la máxima rata de flujo se obtiene con unalluvia de intensidad uniforme sobre la totalidad de lacuenca, cuando la duración de la lluvia es igual altiempo de concentración, o sea que en ese momentotodos los puntos de la cuenca están contribuyendo alcaudal. El tiempo de concentración se requiere paradeterminar la intensidad promedio de la lluvia a utilizaren un análisis de caudales.
El tiempo de concentración es la suma de todos lostiempos, incluyendo el de la escorrentía sobre elterreno, las corrientes secundarias y primarias y el flujocanalizado o conducido por ductos.
1.3.1. VIDA ÚTIL Y PERÍODO DERETORNO
La mayoría de las obras de control de erosión sediseñan y construyen para una vida útil especificada,
dependiendo de la función que debe cumplir laestructura. Las obras temporales se diseñan para unavida útil corta y normalmente su diseño es muy simple.Una estructura más permanente como un muro deprotección de ribera o una obra de drenaje para unavía se diseñan comúnmente para una vida útil de 50 ode 100 años. La vida útil de diseño puedeseleccionarse con criterios económicos, tales comoel costo de reemplazo.
Para el diseño esta vida útil debe convertirse en unperiodo de retorno de un fenómeno metereológico.En la realidad el periodo de recurrencia de unfenómeno metereológico es indeterminado. El “U.S.Corps of Engineers” (1997) considera que ladenominación de “tormenta de 100 años”, “tormentade 25 años”, etc., puede ser engañosa. Debido a lanaturaleza estocástica de los fenómenos existe unriesgo muy alto de que un fenómeno con un períodode retorno determinado, ocurra dentro de ese mismolapso de tiempo. Por ejemplo, si se tiene unaestructura que se requiere que tenga una vía útil de50 años y se diseña para un período de retorno de 50años, existe una probabilidad del 63% de que el eventode diseño sea superado durante la vida útil de laestructura. Si la superación de este evento puededestruir la estructura, existe entonces un 63% deposibilidad de que la estructura sea destruida durantesu vida útil de diseño (Figura 1.10), lo cual no esaceptable en criterios de ingeniería; Sin embargo,comúnmente no es económicamente posible diseñaruna estructura para un riesgo de excedencia del 0 %de un evento durante la vida útil. Por lo tanto, elingeniero debe definir el nivel aceptable de riesgo deexcedencia y con él diseñar la estructura.
El Código Británico (British Standards Institution, 1991)presenta la siguiente expresión para encontrar laprobabilidad “P” de que ocurra un evento con unperíodo de retorno “TR” durante una vida útil de diseño“N”.
NRTp )/11(1 −−=
Criterio de creciente para diseño
En los Estados Unidos para el diseño de obras decontrol de erosión se utilizan alguno de los dos criteriossiguientes:
a. Creciente básica
La creciente básica se define como la creciente quesolo tiene 1% de posibilidad de ocurrencia en un año,lo cual equivale a una creciente con período de retornode 100 años. Este criterio es utilizado por lascompañías de seguros y algunas agencias menores.
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 30
VIDA ÚTIL DE DISEÑO N
5
2
2
5 10
PE
RÍO
DO
DE
RE
TOR
NO
(AÑ
OS
)
10
20
50
100
200
500
1000
2000
20 50 100 200PR
OB
ABI
LID
AD
DE
QU
E O
CU
RR
AE L
EV
EN
TO M
ÁX
IMO
DU
RA
NTE
T =1-N
100P1-
1
63
50
LA V
IDA
ÚTI
L
1
25
105
FIGURA 1.10 Relación entre el período de retorno de un fenómeno meteorológico y la probabilidad de que este sea superadodurante la vida útil de una estructura (British Standards Institution, 1991)
b. Creciente máxima
La creciente máxima o supercreciente es la que tieneun 0.2 % de probabilidad de ocurrencia en un año,equivalente a una creciente con periodo de retornode 500 años.
Sin embargo de acuerdo a las características de laobra y la agencia o entidad reguladora se puedenestablecer otros criterios. Generalmente este criterioes definido por norma de una entidad y no comosuposición del diseñador.
En muchos países de América latina no existen normasa este respecto y se diseñan obras con períodos derecurrencia muy bajos, los cuales no permitengarantizar una vida útil aceptable de la obra.
1.3.2 HIDROGRAMA DE UNACRECIENTE
La mejor forma de representar los caudales de unacorriente es mediante un hidrograma del flujo. Unhidrograma es una serie en el tiempo de los caudales.Es una gráfica de caudal contra tiempo. El períodode tiempo puede ser minutos, horas o días y debeseleccionarse en tal forma que sea representativo dela respuesta de la cuenca. En un hidrograma sepueden obtener una serie de variables como tiempode demora, tiempo de creciente y tiempo hasta el pico(Figura 1.11).
La forma del hidrograma depende de la geología, tipode suelo, vegetación, intensidad de la lluvia, duración,
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 31
Escorrentía
Hietograma de lluvias
TIEMPO (hrs)
hietograma de lluvias
Curva de agua retenida
Centroide del hietograma
Centroide de escorrentía
Punto medio de
Flujo base
CAU
DAL
- IN
TEN
SID
AD D
E LL
UV
IA
b
Pico
c
da
a = Tiempo de retraso
b = Retraso de la cuenca
c = Tiempo de ascenso
d = Tiempo al pico
Centroide del hidrograma
Hidrograma
área de precipitación, topografía, morfología, tamañoy forma de la cuenca, densidad de drenaje y de laforma y características del canal de la corriente deagua. Por ejemplo, en las cuencas relativamentepequeñas en zonas de montaña, una lluvia corta eintensa puede producir un hidrograma de gran pico.Estas cuencas reaccionan muy rápidamente y elcaudal puede lograr su valor máximo durante la lluviao inmediatamente después de la lluvia.
En ríos de tamaño mediano las diferencias en el tiempode concentración de los ríos tributarios conducen aun balance o compensación de las diversasintensidades de la precipitación y el hidrograma tiendea ser relativamente ancho e incluso tener varios picos.Los ríos grandes donde los principales tributariosfluyen por áreas semiplanas, los hidrogramas tiendena ser muy anchos y de poca pendiente con períodoslargos, de días o de semanas.
Hidrograma Unitario
El hidrograma unitario es la respuesta directa delcaudal de la cuenca para una cuenca específica, paraun volumen de exceso de lluvia de 1 mm y un tiempodeterminado. Una cuenca puede tener varioshidrogramas unitarios dependiendo de las diferentesduraciones de las lluvias. Se asume que el exceso delluvia es uniforme en el tiempo y en el espacio.
El hidrograma unitario puede utilizarse para obtenerel hidrograma de caudales, debido a cualquiercantidad de lluvia efectiva. La forma del hidrogramadebe reflejar todas las propiedades físicas de la cuencacombinadas. Si la información hidrológica utilizadapara el análisis del hidrograma unitario se aproxima a
la realidad, el método se ha encontrado que esaceptable para diseño de obras (AASHTO 1999).
Los hidrogramas unitarios pueden obtenerse demediciones directas de caudales para determinadastormentas y se pueden aproximar para tormentas demayor duración utilizando criterios de linearidad ysuperposición. Aunque es preferible la derivación delhidrograma unitario directamente de mediciones encampo, la falta de información obliga en muchos casosa utilizar un hidrograma unitario sintético basado enlas características de la lluvia y de la cuenca.
Hidrogramas regionales
Se han realizado gran cantidad de estudios que hanpermitido obtener las formas y volúmenesaproximados de los hidrogramas para las crecientesen toda una región hidrológicamente homogénea.Estos hidrogramas han dado resultados satisfactoriospara cuencas hasta de 40 Km2 (AASHTO, 1999). Encuencas de mayor tamaño estas interpolaciones noson confiables. Varios hidrogramas pueden sintetizarsepara obtener un hidrograma representativo de lascorrientes de toda una región con comportamientohidrológico similar.
Hidrogramas sintéticos
Los hidrogramas pueden obtenerse de medición decaudales directamente en la corriente o puedendibujarse hidrogramas sintéticos con base en lascaracterísticas de la cuenca y de las precipitaciones,simulando el comportamiento natural de la corriente.El hidrograma sintético más conocido es el del SoilConservation Service, pero existe además una gran
FIGURA 1.11 Variables de un Hidrograma de creciente.
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 32
Área de drenaje = 50 millas cuadradas Tc = 13.3 horas Curva sintética tiempo - área programada HEC-1
= 0.1 (Cuenca urbana)
Tc+R
Tc+R
SCS (Soil Conservation Service)
R
0
500
8 0
1.000
1.500
2.000
CA
UD
AL
(pie
s /s
e g)
3
Asc
enso
16 3224
Des
cens
o
2.500
3.000
3.500
Tc+RR
= 0.7
R = Coeficiente de acumulaciónTc = Tiempo de concentracion
64
RTc+R
TIEMPO (hrs)4840 56
= 0.5R
= 0.3
(Cuenca plana y pantanosa)
72 8880 96
FIGURA 1.12 Hidrogramas unitarios de Clark y del SCS (US Army Corps of Engineers, 1997).
cantidad de hidrogramas sintéticos como los de Clark,Nash y Snyder.
La figura 1.12 muestra una serie de formas de hidrogramassintéticos para una determinada cuenca de acuerdo almétodo de Clark y en ella también se incluye el hidrogramadesarrollado con base en el hidrograma unitario del SoilsConservation Servicie SCS.
El parámetro que varía es el coeficiente deacumulación R, el cual se representa mediante larelación CR
RTRC
cR +
=
El valor de CR se ha encontrado que es muyconsistente entre las cuencas de un áreaecológicamente homogénea.
Para el valor de CR = 0.1, el hidrograma unitario subeen forma muy fuerte y puede ser representativo de unacuenca urbana. Para el valor de CR = 0.7 el hidrogramaunitario es muy atenuado y puede ser representativode una cuenca plana y pantanosa. Entre los valoresde CR de 0.1 a 0.7 se pueden interpolar una granvariedad de respuestas de creciente.
Se pueden realizar dibujos similares para los métodosde Nash y de Snyder.
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 33
TABLA 1.2 Coeficientes de escorrentía C para su utilización con el método racional (Williams, 2001)
Período de retorno (años)Características dela superficie
Pendiente% 2 5 10 25 50 100 500
Coeficiente de Escorrentía CAsfalto 0.73 0.77 0.81 0.86 0.90 0.95 1.00Concreto y techos 0.75 0.80 0.83 0.88 0.92 0.97 1.00
0 a 2 0.32 0.34 0.37 0.40 0.44 0.47 0.582 a 7 0.37 0.40 0.43 0.46 0.49 0.53 0.61
Pastos y parquescon 50% decobertura Más de 7 0.40 0.43 0.45 0.49 0.52 0.55 0.62
0 a 2 0.25 0.28 0.30 0.34 0.37 0.41 0.532 a7 0.33 0.36 0.38 0.42 0.45 0.49 0.58
Pastos y parquescon 50 a 75% decobertura Más de 7 0.37 0.40 0.42 0.46 0.49 0.53 0.60
0 a 2 0.21 0.23 0.25 0.29 0.32 0.36 0.492 a7 0.29 0.32 0.35 0.39 0.42 0.46 0.56
Pastos y parquescon más del 75%de cobertura Más de 7 0.34 0.37 0.40 0.44 0.47 0.51 0.58
0 a 2 0.31 0.34 0.36 0.40 0.43 0.47 0.572 a7 0.35 0.38 0.41 0.44 0.48 0.51 0.60
Tierra cultivada
Más de 7 0.39 0.42 0.44 0.48 0.51 0.54 0.610 a 2 0.22 0.25 0.28 0.31 0.35 0.39 0.482 a7 0.31 0.34 0.36 0.40 0.43 0.47 0.56
Bosques
Más de 7 0.35 0.39 0.41 0.40 0.48 0.52 0.58
1.3.3 METODOLOGIAS PARA ELCALCULO DEL CAUDAL
Una vez determinadas las características de la cuenca,analizada la hidrología y determinado el período deretorno, se puede calcular el caudal de diseño para laestructura a diseñar.
Existe para ello una gran cantidad de métodos perosolo se resumen algunos de los más importantes.
Método racional
El método racional es una fórmula empírica muysencilla, con la cual se puede aproximar el caudal deuna creciente sobre la base de una intensidad de lluviapromedio en milímetros por hora, para unadeterminada frecuencia y por un tiempo igual al deltiempo de concentración de la corriente. Aunque encuencas de gran área el método puede dar valoresimprecisos, algunos autores (Geotechnical ControlOffice, 1979), aseguran que el método da resultadossatisfactorios en áreas pequeñas. Algunas entidades(AASHTO, 1999) recomiendan limitar el uso del métodoracional a cuencas hasta de 80 hectáreas.
Este método se utilizó con éxito en el diseño de obraspara el control de la erosión en Bucaramanga(Colombia) y aunque da valores relativamenteconservativos, estos representan un factor de
seguridad muy importante en el diseño de obras decontrol de erosión, en donde se debe diseñar paracaudales máximos probables, con el objeto degarantizar una vida útil de las obras.
De acuerdo con la fórmula racional:
AICQ ..=
Donde:
Q = Caudal en volumen / tiempo.A = Area de drenaje.C = Coeficiente de Escorrentía (Ver tabla 1.2).I = Intensidad de la lluvia en altura de agua por
tiempo, para una duración igual al tiempo deconcentración de la cuenca y para un períodode retorno determinado.
Coeficiente de Escorrentía
El coeficiente de escorrentía es función del tipo delsuelo, de la permeabilidad de la superficie del terreno,de la pendiente y del tipo de cobertura vegetal. Paradeterminar el valor del coeficiente de escorrentía sepresenta el criterio utilizado en Texas (Williams, 2001)
Para diseño de obras de control de escorrentía entaludes se recomienda un valor de C igual a 1.0(Geotechnical Control Office, 1979). La utilización deeste valor ayuda a que el sistema de drenaje poseaun factor de seguridad adecuado.
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 34
Intensidad de la lluvia
La intensidad de la lluvia se puede determinar con lascurvas de intensidad - duración – frecuencia, deaguaceros equivalentes en función del período deretorno (Figura 1.13).
Algunas áreas del país cuentan con instrumentaciónhidrológica suficiente para elaborar estas curvas opueden emplearse curvas de cuencas aledañas quetengan el mismo ambiente de lluvias.
Período de retorno
El período de retorno a utilizar en el análisis dependede la vida útil requerida para la estructura. El períodode retorno debe ser muy superior a la vida útil esperadade la estructura a diseñar.
Método del hidrograma unitario
Existe una gran cantidad de métodos que utilizan elcriterio del hidrograma unitario, los cuales serecomienda consultarlos en los textos de hidrología.La mayoría de estos métodos se trabajan utilizandoprogramas de computador o Software.
120
Tr = 20 años
Tr = 100 años
Tr = 75 años
Tr = 50 años
Tr = 30 años
Tr = 10 años
Tr = 5 años
80 100
Tr = 2 años
604020
500
350
300
400
150
100
200
250
0
0
50
450
Curvas de intensidad - Frecuencia - DuraciónEstación Aguazul - Piedemonte LLanero Colombiano
Altitud 400 m.s.n.m. (GRADEX Ltda.)
INT E
NSI
DA
D (m
m/h
r)
DURACIÓN (min.)
FIGURA 1.13 Curvas intensidad- frecuencia- duración en el Piedemonte llanero Colombiano.
Utilización de Software
Hasta el momento se han desarrollado una grancantidad de paquetes de software para el análisishidrológico de corrientes. Entre otros se mencionanlos siguientes programas:
HYDRAIN (Federal Highway Administration)
HEC (U.S. Army corps of engineers)
NRCS-TR (National resource conservation service)
SWMM (Stormwater management model)
HSP (Stanford watershed model)
Penn State Urban Runoff Model
MITCAT (Massachusetts Institute of Technology)
STORM(U.S,. Army Corps of Engineers)
ILLUDAS (Illinois State Water Survey)
DAWDY (U.S. geological survey)
Y deben aparecer nuevos programas en el futuro.
Estos programas de computador permiten utilizarvarios métodos, los cuales deben escogerse deacuerdo a la aplicabilidad del modelo y a ladisponibilidad de la información requerida. Algunosde estos programas se pueden obtener gratuitamente
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 35
en el INTERNET y el autor recomienda obtenerlos yaprenderlos a manejar.
No se ha realizado la calibración de la mayoría deestos modelos en cuencas de montañas tropicales,por lo tanto se desconoce el nivel de precisión parasu utilización confiable; sin embargo la experienciava a determinar su utilización. Lo esencial es que nose diseñe obra alguna de control de erosión sinconocer de antemano los caudales y velocidades quese requiere manejar.
Uso del programa HEC-HMS
Para el cálculo de caudales en cuencas es utilizado elSistema de Modelación hidrológica desarrollado enel Centro de Ingeniería Hidrológica del Cuerpo deIngenieros del ejército de los Estados Unidos (HEC-HMS), que proporciona una variedad de opciones parasimular los procesos de lluvia y escorrentía de unacuenca. HEC-HMS está compuesto por una interfasegráfica, componentes integrados de análisishidrológico, almacenamiento de datos y reportegráfico.
La ejecución de una simulación requiere laespecificación de tres grupos de datos:
El primero es el Modelo de la Cuenca, contieneparámetros y datos de conexión de los elementoshidrológicos. Los tipos de elementos son:subcuencas, tramos de ríos, puntos de convergencia,embalses, nacimientos de agua, receptores yderivaciones.
El segundo es el Modelo de Precipitación, estácompuesto por los datos meteorológicos y lainformación requerida para estos procesos. El modelopuede representar condiciones históricas ohipotéticas.
El tercer grupo de datos lo componen lasEspecificaciones de Control, especifica la informacióntemporal para la simulación. Un proyecto puedeconsistir de varios grupos de datos de cada tipo. Unaejecución es configurada con un modelo de cuenca,un modelo de precipitación y las especificaciones decontrol.
Modelo de la cuenca
El análisis se inicia con la entrada del modelo de lacuenca, con sus respectivas subcuencas y los caucesque la componen.
Cada subcuenca debe ser caracterizada con losparámetros para el análisis de pérdidas, de escorrentía,y tránsito de la avenida.
Análisis de pérdidas / Infiltración
La infiltración en el suelo y las pérdidas de precipitaciónen la superficie involucran muchos procesos diferentesa diferentes escalas de observación. El más básicode los procesos es la infiltración de agua en un suelo“ideal”, un suelo con propiedades uniformes yprofundidad infinita. Inicialmente, se asume que elsuelo tiene un contenido de agua uniforme. Alcomienzo de la lluvia, el agua es infiltrada hasta quela precipitación excede la capacidad de absorción deagua del suelo. En este punto, la superficie se saturay la lluvia que excede la capacidad de infiltración delsuelo es asumida como escorrentía.
Entre las pérdidas en la superficie se encuentran lasdebidas a la intercepción, almacenamiento endepresiones, y a la retención. La intercepción resultade la absorción de lluvia por la cobertura superficialtales como planta y árboles. El almacenamiento delluvia en depresiones de la superficie permite que elagua eventualmente se infiltre o evapore. También unafunción de la topografía, es la retención, que actúacomo un mini-embalse, incrementando el tiempo deretención del flujo superficial y proporciona másoportunidad para la infiltración.
El proceso de pérdida por infiltración es complejo yestá afectado por muchos factores. Las propiedadesdel suelo son importantes, pero la química del agua,la actividad biológica, la heterogeneidad del suelo yla cobertura superficial modifican la capacidad deinfiltración del suelo. La cobertura superficial y latopografía también están involucradas en las pérdidaspor intercepción, almacenamiento y retención de laprecipitación.
Los métodos usados para modelar la rata de pérdidas/infiltración pueden ser clasificados en físicos, como elde Green and Ampt, conceptuales como el Métodode Pérdidas de Holton, y empíricos como el Métodode la Curva Número (CN) del Soil Conservation Service(SCS), el método de Pérdidas iniciales y Constantespuede ser considerado como empírico.
Método de la curva número
En cuencas con información escasa para el cálculode las pérdidas se utiliza el método de la Curva Númerodel Soil Conservation Service. Los parámetrosnecesarios para la utilización de este método incluyenel coeficiente número CN que está determinado porfactores como el grupo hidrológico del suelo, el tipode cobertura, el tratamiento de la tierra, las condicioneshidrológicas, y las condiciones de escorrentíaantecedentes, estos factores son obtenidos defotografías aéreas y visitas de campo a la zona aanalizar.
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 36
FOTOGRAFÍA 1.3 y 1.4 Erosión acelerada por intervención antrópica en taludes y en cauces de corrientes.
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 37
El SCS ha clasificado todos lo suelos en cuatro gruposhidrológicos (A, B, C y D) de acuerdo a su rata deinfiltración, con A teniendo la más alta y D la más bajacapacidad; esto depende del tipo de material por elque esté conformado el suelo que es determinado porla geología de la zona. También se requiere determinarlas pérdidas iniciales y el porcentaje de áreaimpermeable de la cuenca.
Transformación de Escorrentía
La escorrentía total está compuesta por la escorrentíadirecta y el flujo base. La escorrentía directa resultadel exceso de precipitación, la cual es consideradacomo una porción de la precipitación que aparececomo una corriente de agua durante o luego de unatormenta. El flujo base resulta de la escorrentíasubsuperficial previa al evento de precipitación y laescorrentía retardada de la tormenta actual. Ladiferencia entre la precipitación total de la tormenta yel exceso de precipitación es denominada pérdidas(o abstracciones).
Hidrograma unitario
Para cuencas sin aforos, el desarrollo directo de unhidrograma unitario no es posible y son empleadastécnicas para estimar un hidrograma unitario decaracterísticas medibles de la cuenca. Generalmente,un hidrograma unitario es representadomatemáticamente como una función de uno o dosparámetros, y estos parámetros están relacionadoscon las características de la cuenca por análisis deregresión o por otros medios.
La transformación del exceso de precipitación aescorrentía directa puede realizarse con un hidrogramaunitario o métodos de onda cinemática.
Un hidrograma unitario puede ser especificado enforma tabular o en términos de los parámetrosdefinidos por Clark, Snyder o el método del SCS. Elmétodo de la onda cinemática permite la definiciónde dos planos de flujo rectangular. La escorrentíadesde un plano de flujo rectangular puede ser dirigidoa través de uno o dos canales colectores y un canalprincipal con el método de la onda cinemática oMuskingum Cunge.
Para el análisis de la escorrentía en una cuenca seutiliza un hidrograma unitario basado en el Modelo deClark (Clark 1945), el cual difiere de otros modelosen que tiene en cuenta el efecto de la forma de lacuenca (y otros factores) sobre el tiempo de viaje.
El parámetro que varía para el hidrograma unitario deClark es el coeficiente de almacenamiento R. Cadahidrograma unitario está marcado con un valor parala relación R / (tc+R). Para un valor de esta relación
de 0.1, el hidrograma unitario se eleva fuertemente ypuede representar a la respuesta de la escorrentía deuna cuenca urbana. Para un valor de 0.7, el hidrogramaunitario es más atenuado y puede representar unacuenca plana pantanosa. El punto es que con dosparámetros, hay flexibilidad sustancial para el ajustede una amplia variedad de respuestas de escorrentía.
Para el trabajo de cuencas de alta pendiente se utilizauna relación R/(tc+R) = 0.25 que es equivalente autilizar el hidrograma unitario del SCS (adoptando unaconstante de 484 en la ecuación para la descargapico).
Tiempo de concentración
En la aplicación del modelo de Clark, deben serestimados los valores de diseño del tiempo deconcentración y el coeficiente de almacenamiento.Para áreas urbanas, los valores de tc sonnormalmente calculados como la longitud dividida porla velocidad determinada por fórmulas hidráulicas ovalores tabulados. Para cuencas de drenaje ruralestc es generalmente estimada por medio de fórmulasempíricas.
El tiempo de concentración se calcula con base en laecuación empírica de retardo del SCS a partir decuencas de uso agrícola (1973).
( )[ ]0.5c
tS
CNL1900
9/1000100 7.08.0 -=
Donde tc está dado en minutos, L es la longitud delcanal expresada en pies, S es la pendiente promediodel canal en pie/pie y CN es el coeficiente número delSCS.
Otro parámetro a especificar en las características dela cuenca es el del flujo base que puede serdeterminado de tres formas dependiendo de lainformación disponible, el método de la recesión, quedepende de tres parámetros, el flujo inicial, la constantede recesión y el valor umbral; el método de flujo basemensual utiliza un flujo constante para cada mes delaño y se puede simular sin flujo base y de esta formael hidrograma se calcula sólo con la escorrentía directa.
Tránsito de la avenida
Las opciones del tránsito incluyen el método deMuskingum, de la Onda cinemática y el método deMuskingum – Cunge. El método de la Ondacinemática y el de Muskingum – Cunge pueden serutilizados con formas geométricas estándar (circulareso trapezoidales), o con secciones transversalesdefinidas por ocho grupos de coordenadas X – Y, ytres valores del coeficiente de Manning.
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 38
En el caso de cuencas con información escasa seutilizan métodos que involucren parámetros mediblesu observables de la cuenca.
Modelo de precipitación
El modelo de precipitación es la información requeridapara definir la precipitación histórica o hipotética queva a ser usada junto con el modelo de la cuenca. Lostipos de tormenta hipotética incluyen los basados en
la frecuencia y la tormenta del proyecto estándar delCuerpo de Ingenieros. Las tormentas basadas en lafrecuencia requieren que el usuario suministreprofundidades de lluvia para varias duraciones.
Especificaciones de control
Las especificaciones de control incluyen la fecha deinicio y fin para una simulación, y el intervalo de tiempopara los cálculos.
1.4 ECUACIÓN UNIVERSAL DE LA EROSIÓN
Para determinar el potencial de erosión en camposagrícolas se desarrollaron una gran cantidad deecuaciones con base en los diversos parámetros queafectan la erosión. Estos métodos han sido utilizadoscomo una forma de evaluar el potencial de erosión deun área determinada.
De estos modelos empíricos el más conocido es laEcuación Universal de Pérdidas de suelo desarrolladapor Smith y Wischmeier (Tragsa, 1994). El modeloparamétrico permite la evaluación de las pérdidas desuelo, incluyendo tanto la erosión laminar como laerosión en surcos mediante la expresión:
PCLSKRA ....=
Donde:
A = es la pérdida de suelo por unidad de superficie,que se obtiene por el producto del resto de losfactores (Ton/hectárea).
R = factor lluvia es el número del índice de erosiónpluvial, E.I30, en el período considerado, y midela fuerza erosiva de una lluvia determinada;.(J.m-2. cm.hora-1).
K = factor erosionabilidad de suelo es el valor dela erosión por unidad de índice de erosiónpluvial, para un suelo determinado, con unapendiente del 9% y una longitud de declive de22.1 m.
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
cmJhahoramtK..
.. 2
L = factor longitud de la ladera es la relación entrela pérdida de suelo para una longituddeterminada y la pérdida en una longitud de22.1 m del mismo tipo de suelo (adimensional).
S = factor pendiente es la relación entre las pérdidaspara un pendiente determinada y las pérdidaspara una pendiente del 9% del mismo tipo desuelo (adimensional).
C = factor cultivo y ordenación, la relación entre laspérdidas de suelo en un terreno cultivado encondiciones específicas y las pérdidascorrespondientes para ese suelo sin cultivo(adimensional).
P = factor prácticas de conservación del suelo, larelación entre las pérdidas de suelo con cultivoa nivel, en fajas y en terrazas, y las pérdidas desuelo correspondientes a un cultivo en surcossegún la pendiente (adimensional).
1.4.1 ÍNDICE DE EROSIÓNPLUVIAL – R
El índice de erosión pluvial o factor de erosionabilidadde los aguaceros, se define como el producto de laenergía cinética de un aguacero por su máximaintensidad en un tiempo de 30 minutos.
La energía cinética se calcula por:
IE 10log892.210 +=
Donde:
E (julios. m2.cm-1): energía cinética del aguacero.I (cm.hora-1): intensidad de la lluvia en el períodoconsiderado.
El índice de erosión pluvial R se define por:
100
).()log892.210( 301
10 ITIR
n
jjjIj∑ +
= =
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 39
Donde:
R = (julios.m2.cm.hora-1), índice de erosión pluvial.Tj = período de tiempo (horas) para intervalos
homogéneos de lluvia durante el aguacero.I30 = máxima intensidad de lluvia durante el
aguacero.J = intervalos homogéneos del aguacero.n = número de intervalos.
El valor R correspondiente a un año será la suma delos valores de R de cada una de las lluvias registradasen ese tiempo. Para obtener un valor representativoconfiable de R es necesario calcular un ciclo al menosde 10 años.
1.4.2 ÍNDICE DEEROSIONABILIDAD DELSUELO – K
El factor K del suelo se evalúa de forma experimentalpara parcelas tipo.
Para cada suelo se mide la relación entre el peso desuelo perdido (t . ha-1) y el número de unidades delíndice de erosión pluvial correspondientes, encondiciones sin cultivo continuo. Con el conjunto devalores obtenidos se calcula el promedio de K paracada suelo, a partir del cual se establece una ecuaciónde regresión en función de las variables representativasde sus propiedades físicas.
La regresión establecida viene expresada por laecuación:
( ) ( ) ( )323.3220.41271.2.10100 14.14 -+-+-= - cbaMK
Donde:
M, factor representativo de la textura. Se calculacomo el producto del porcentaje de partículasde suelo comprendidas entre 0.002-0.1 mm. dediámetro, expresado en %, por el porcentajede partículas de suelo comprendidas entre0.002-2 mm. de diámetro, expresado tambiénen %, o lo que es igual, a 100 menos el % dearcilla de la muestra.
M = [100 - % arcilla]. [% (limo + arena muy fina)]
a, % de materia orgánica
b, número correspondiente a la estructura delsuelo según la siguiente codificación:
1 – grano muy fino (<1mm)2 – grano fino (1-2 mm)3 – grano medio (2-5mm) y gránulo grueso (5-10mm)4 – grano liso, prismático, columnar y muygrueso (>10mm)
c, clase de permeabilidad del perfil, según lasiguiente codificación del USDA-Soil SurveyManual:1 – rápida a muy rápida2 – medianamente rápida3 – moderada4 – moderadamente lenta5 – lenta6 – muy lenta
Los valores de la textura, materia orgánica y estructurase refieren a los 15 – 20 cm, superiores del suelo y losde permeabilidad a todo su perfil.
Los valores más elevados calculados para K son de0.92 y corresponden a suelos en que la fracción limomás arena muy fina, representa virtualmente latotalidad de la muestra y es nulo el contenido demateria orgánica.
La determinación del valor K se puede hacergráficamente con ayuda de la (Figura 1.14).
1.4.3 FACTORES TOPOGRÁFICOSL Y S
Factor L
El factor L, longitud de la ladera viene definido por:
mL ⎟
⎠
⎞⎜⎝
⎛=1.22λ
Donde λ es la longitud en metros y m un exponenteinfluenciado principalmente por la interacción entre lalongitud y la pendiente. La longitud se define como ladistancia desde el origen de la escorrentía superficialhasta el inicio del depósito.
Factor S
El factor pendiente S se expresa por:
613,6043,030,043,0 2ssS ++=
Siendo s la pendiente en %.
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 40
(b)
21
3
PERMEABILIDAD
4
ESTRUCTURA
K0.90
0.70
0.60
0.50
0.80
30
65
50
0
1015
20
0.40
0.30
0.20
0.10
0
K
0.90
0.80
0.70
0.60
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
4
210
(a)
70
%M.O.
60
90
0
20
30
40
10
80
40
% ARENA(0.10-2mm)
50
60
70
100
90
80
50
LIM
O +
AR
ENA
MU
Y FI
NA
(0.0
02 -
0.10
mm
)
3
PERMEABILIDAD
2. Moderada a rápida
4. Moderada a lenta4. Masiva, plana o en bloques3. Granular media a gruesa
1. Granular muy finaESTRUCTURA
2. Granular fina1. Rápida
5. Lenta
3. Moderada
6. Muy lenta
Factores L y S agrupados
Suelen agruparse bajo la denominación de factortopográfico L.S, los dos factores que integran el efectodel relieve, longitud y pendiente.
La ecuación obtenida del análisis estadístico de losdatos para representar el producto L.S, es la siguiente(Wischmeier 1982):
Para pendientes menores del 9 %:
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡ ++⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=613,6
043,030,043,0.1,22
..23.0 ssSL λ
Y para pendientes iguales o mayores del 9%:
3.13.0
9.
1,22.. ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡= sSL λ
Estas ecuaciones son estrictamente aplicables en el
caso de laderas de pendiente uniforme con un mismo
tipo de suelo y vegetación en toda su longitud,
debiendo utilizarse factores correctores, para el caso
en que a lo largo del recorrido de escurrimiento se
produzcan cambios sensibles de pendiente o de
alguno de los otros factores.
La obtención de los parámetros λ y s que definen el
factor topográfico, no presentan dificultades cuando
se trata de una parcela concreta de terreno.
Los valores de L.S así calculados predicen la erosión
promedio que tiene lugar sobre la totalidad de la
ladera. Pero, evidentemente, esta erosión no está
distribuida igualmente a lo largo de toda su longitud.
FIGURA 1.14 Abaco para la determinación gráfica del índice de erosionabilidad del suelo - K.
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 41
Tipo y altura de la cobertura Porcentaje de cubrimiento del suelo Coeficiente C
0 20 40 60 80 95-100Cobertura de pastos bajos .45 .20 .10 .042 .013 .003Cobertura de pastos y hierbas(0.5m).
.36 .17 .09 .038 .012 .003
Arbustos (2m) .40 .18 .09 .040 .013 .003Árboles (4m) .42 .19 .10 .041 .013 .003
TABLA 1.3 Valores de C para cobertura vegetal
TABLA 1.4 Factor C para bosques
% de áreacubierta
Tipo de ordenación
Coeficiente CSin pastoreo Con pastoreo
100 – 75 0.001 0.003 –0.0011
75 – 40 0.002 – 0.003 0.01 – 0.0340 - 20 0.003 – 0.009 0.03 – 0.09
Valores de λλλλλ y S
La determinación de los valores representativos de losparámetros λ y s en el caso de aplicarse el modelo asuperficies de cierta extensión o pequeñas cuencashidrográficas en que, a pesar de la homogeneidad deotros factores, estas variables pueden presentaramplias variaciones, resulta más compleja y puedeobtenerse por los métodos de la “densidad de drenaje”y de “pendiente media” de Horton y de “contornopunto extremo” de Williams y Berndt (1976).
Horton considera que el valor de λ en una cuencapequeña puede ser estimado como la mitad de lainversa de la densidad de drenaje. Como la densidadde drenaje es la relación entre la suma de longitud delos cauces que constituyen dicha red a la superficiede la cuenca, la expresión será:
∑
Ω=L
5,0λ
Ω (Km2) = superficie de la cuenca
ΣL (Km) = longitud total de cauces.
1.4.4 FACTOR COBERTURAVEGETAL DEL SUELO – C
La influencia del sistema de cultivo en la erosión semanifiesta a través de la especie cultivada, las mezclascuando existan, la forma y número de las labores, laproductividad, la existencia de mayor o menorerosividad de la lluvia en el período del año en que serealiza el cultivo.
Como es fácil deducir, el número de combinacionesposibles es muy elevado y no es posible separar losefectos de cada uno por lo cual se utilizan a través deun solo factor.
Este factor C ya se ha definido como la relación entrelas pérdidas de suelo que se producen bajo unaalternativa y con unas determinadas técnicas decultivo, y las pérdidas correspondientes a un suelo nocultivado.
Se han elaborado una gran cantidad de tablas paradeterminar el valor del coeficiente C dependiendo deltipo y cubrimiento de la cobertura vegetal (Tablas 1.3y 1.4).
1.4.5 FACTOR DE PRÁCTICAS DECONSERVACIÓN – P
Se ha considerado como una variable independientey, por lo tanto, no incluido en el factor C, cuando setrata de las prácticas siguientes: cultivo a nivel, cultivopor fajas y terrazas. Otras prácticas conservacionistascomo rotación con cultivos herbáceos, tratamientosfertilizantes, cubiertas artificiales, etc., se considerandentro de los trabajos de cultivo y por tanto, suinfluencia en las pérdidas de suelo se incluye dentrodel factor C. El factor P varía según la pendiente y susvalores pueden obtenerse en la tabla 1.5.
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 42
Flujo
Detalle
Fondo
Fondo
FlujoPozo
a. - Arrastre de Partículas
b. - Formación de Pozos en el Fondo
Fuerza Tractiva
Turbulencia
En el caso de prácticas de cultivo en terrazas, ademásdel coeficiente P considerado, debe modificarse elfactor L de longitud de la ladera, adoptando para lalongitud entre terrazas consecutivas, cuando serequieran calcular los sedimentos que salen fuera delterreno aterrazado o para estimar su contribución alconjunto de sedimentos producidos en la cuenca.
Para calcular las pérdidas de suelo, en el terrenocultivado entre terrazas, debe utilizarse el valor de Pcorrespondiente al cultivo por curvas del nivel, con laL correspondiente al intervalo entre terrazas.
TABLA 1.5 Factor P de prácticas de conservación
Pendiente%
Cultivo anivel
Cultivo enfajas
Terrazas
Factor P1-2 0.60 0.30 0.123-8 0.50 0.25 0.109-12 0.60 0.30 0.12
13-16 0.70 0.35 0.1417-20 0.80 0.40 0.1621-25 0.90 0.45 0.18
1.5 MECANISMOS DE EROSIÓN
La mecánica de la erosión incluye tres procesosbásicos:
1. Desprendimiento de las partículas
2. Transporte de las partículas desprendidas
3. Depósito o sedimentación.
Las fuerzas que actúan o fuerzas tractivas dependende la velocidad del agua, la turbulencia, los caudalesy la forma y rugosidad del canal y la resistencia delsuelo a la fuerza tractiva depende de la estructura ylas interacciones físico – químicas entre las partículasde suelo (Figura 1.15)
El control de erosión está dirigido a disminuir la fuerzatractiva y/o aumentar la resistencia del suelo a laerosión.
Corrasión o abrasión
Es el desgaste mecánico del perímetro del cauce ode los bloques acarreados por la corriente. Losbloques o cantos se van desgastando y redondeandoal moverse por acción del flujo de agua y la roca delfondo y orillas del cauce, se van erosionando por lafricción de los bloques, gravas y arenas.
Disolución
El proceso de disolución de material de suelo o rocaes mucho más común de lo que la mayoría de losingenieros creen. En algunos casos de erosión, másde la mitad del material erosionado fue disuelto por elagua. Este proceso es propio de compuestos comolos óxidos de hierro y los carbonatos. La mayoría delas aguas llevan en solución productos de la erosióndel suelo sobre el cual circula. Algunos suelos o
FIGURA 1.15 Desprendimiento y arrastre de partículas
productos de la meteorización de rocas son muyresistentes a la solución en agua pero otros como lascalizas son fácilmente vulnerables (Tabla 1.6).
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 43
Tipo de rocaDescenso del nivel
del terrenomm/1.000 años
Rocas Igneas yMetamórficas
0.5 a 7.0
Esquistos micáceos 2.0 a 3.0Areniscas del Mesozoico yTerciario
16 a 34
Morrenas glaciales 14 a 50Yesos 22Calizas 22 a 100
TABLA 1.6 Estimativos de disminución de nivel pordisolución en rocas
Transporte
2.01.00.40.20.1
60
50
40
30
20
Depositación
Erosión
0
10
0
VELO
CID
AD D
EL A
GU
A c
m/ s
eg
TAMAÑO DE LAS PARTÍCULAS mm
FIGURA 1.16 Velocidades de erosión, transporte ydepositación
Fricción hidráulica
La resistencia a lo largo del contacto de la corrientede agua con el suelo se le llama fricción hidráulica, lacual forma una zona de «Turbulencia» en la corriente.El espesor y características dinámicas de esta capadependen de la rugosidad de la línea del suelo y de lavelocidad, dirección y tipo de flujo. La turbulencia estácaracterizada por un flujo irregular en todas lasdirecciones con un rango amplio de velocidades y sepresenta flujo tangencial hacia abajo, tangencial haciaarriba, frontal hacia fuera, junto con combinacionesde estas y otras formas de flujo más complejas. Lasfuerzas generadas pueden desprender las partículasde suelo por fenómenos de arrastre, cavitación, etc.
La fricción que genera la fuerza tractiva en la superficiey el transporte de sedimentos en especial de losgranulares produce una pérdida de energía y unadisminución de velocidad del agua cerca al contactocon el suelo.
Para que la erosión ocurra se requieren velocidadesmayores que las que son necesarias para el transportede los sedimentos (Figura 1.16). Las partículas sonerosionadas cuando las fuerzas de tracción,levantamiento y abrasión exceden las fuerzas degravedad, cohesión y fricción, que tratan de mantenerlas partículas en su sitio. En el proceso de erosiónocurre una profundización y ensanchamiento delcauce.
No todos los sedimentos son transportados porsuspensión; las partículas más grandes son cargadaspor «Tracción» que consiste en rodamiento y arrastrey las partículas de tamaño mediano son transportadasa saltos. La concentración de sedimentos es mayoren el fondo del torrente que en la superficie. Mientraslas partículas finas están más o menos uniformementedistribuidas, las partículas gruesas son transportadasmuy cerca al fondo. (Figura 1.17)
Fuerzas de erosión
Las fuerzas que ejerce el flujo sobre las partículas osedimentos en el perímetro del cauce son básicamentelas fuerzas de tracción y de levantamiento. Laevaluación de estas fuerzas es muy compleja debidoa los siguientes factores:
• La variación permanente de velocidades ofluctuaciones en el flujo turbulento. La variaciónde las velocidades instantáneas puede ser de 2 a3 veces el promedio.
• La heterogeneidad o variedad de tamaño degranos expuestos a la corriente. Las partículasgrandes protegen de las fuerzas de flujo a las máspequeñas. La superficie del fondo de la corrienteno es uniforme, lo cual hace que las fuerzas nosean uniformes.
Los valores críticos de los esfuerzos del flujo sobrelas partículas son funciones erráticas del perfil develocidades, la turbulencia, las fluctuaciones develocidad y de la forma y tamaño de las partículas yla geometría de la superficie del fondo. En los taludesde las orillas el esfuerzo crítico de erosión dependeadicionalmente del ángulo o pendiente de la orilla ydel ángulo de fricción o de reposo de las partículas.
Yang (1973) propuso un criterio para determinar elmovimiento inicial o desprendimiento de las partículasde sedimento, de acuerdo a la figura 1.18, analizando eldesprendimiento de un bloque de roca en el fondo deuna corriente. Se requiere una fuerza tractiva de friccióndel flujo de agua sobre la partícula de suelo para lograrque esta partícula, embebida dentro de la masa dematerial del fondo de la corriente pueda ser desprendida.
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 44
1.6 CONCEPTO DE FUERZA TRACTIVA
1.6.1 CÁLCULO DE LA FUERZATRACTIVA
Un criterio utilizado para calcular la fuerza que el aguaen movimiento ejerce sobre las partículas de sueloes el de fuerza tractiva de una corriente τo.
La fuerza tractiva es la fuerza de corte que ejerce elflujo sobre las partículas del cauce en un determinadopunto.
Ecuación general de la fuerza tractiva
Para un cauce recto y ancho, la fuerza tractiva ejercidapor el agua puede determinarse por medio de lafórmula general:
τ ρ ρo= v = g.y.i2
Donde:
τo = Fuerza tractivaρ = Densidad del aguav = Velocidad de la corriente en la superficie del
caucey = Altura de flujoi = Pendiente promediog = Aceleración de la gravedad
FIGURA 1.17 Concentración de sedimentos con la profundidad de flujo.
CARGA DE FONDO
CARGA SUSPENDIDA
Solución
Rodamiento y Tracción
Saltación
Suspensión
y
VELOCIDAD CONCENTRACIÓNA
LTU
RA
SO
BR
E EL
FO
ND
O
Asumiendo una distribución vertical de velocidadesesta ecuación se puede presentar en la siguienteforma:
2
3.12ln5.2⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
s
oo
ky
Vρτ
Donde:
Vo = Velocidad promedio de la corrienteks = Altura media de la rugosidad
Para un canal no muy ancho la fuerza tractiva puedecalcularse por medio de la siguiente expresión:
iRho ..γτ =
Donde:
Rh = Radio hidráulico
Ecuación de Murray
Murray (1.976) presentó la siguiente expresión:
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 45
1.52m 2.44m 2.44m 1.52m 0.91m
76.2
mm
0.61m
0.61
m0.
91m
Flujo
A celdade caja
Sección de ensayo
1- Separación
2- Levantamiento
3- Desplazamiento
FIGURA 1.18 Representación esquemática del proceso deerosión en roca (Yang 1973).
FIGURA 1.19 Esquema de un canal para la medición de fuerza tractiva del flujo sobre revestimientos sintéticos (Urroz yIsraelsen, 1994).
τo = 2
/)4.18(log75.5.
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
KsRV
gρ
Donde:
V = Velocidad promedio de la corriente cm/seg.R = Radio hidráulicoKs = Diámetro promedio de las partículas de arena.
La fuerza tractiva puede determinarse en el laboratoriomediante ensayos de flujo en canal (Figura 1.19).
Fuerza tractiva en las curvas
La curvatura relativa de una curva o relación entre elradio y el ancho de la curva es el factor que másinfluencia tiene en la fuerza tractiva o esfuerzo decortante en la superficie del cauce en una curva.Cuando la curvatura relativa disminuye a valoresmenores de 1.5, la fuerza tractiva aumentaconsiderablemente, y para curvaturas relativasmayores de 3.5 la fuerza tractiva es relativamenteuniforme (Chen y Shen, 1983).
Energía hidráulica
La energía o potencia hidráulica mide la capacidadde erosión de la corriente
. Vw oτ=
w = Energía hidráulica por unidad de superficie(watts/m2).
τo = Tensión de arrastre (N/m2).v = Velocidad media en la sección transversal (m/
seg.)
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 46
La energía hidráulica se puede explicar como el gastode energía potencial a lo largo de un tramo de río. Seha comprobado que esta energía hidráulica estáíntimamente relacionada con la capacidad erosiva.
1.6.2 RESISTENCIA DEL SUELO ALA FUERZA TRACTIVA
Así como el agua ejerce una fuerza tractiva sobre laspartículas de suelo a su vez el suelo trata de resistiresa fuerza de corte. Cada suelo tiene una tensióncritica máxima τc o resistencia máxima a la fuerzatractiva.
Existen una gran cantidad de expresiones matemáticaspara calcular la resistencia del suelo a la fuerza tractivay ninguna de ellas tiene una aceptación universal.
Criterios de Schoklitsch
Schoklitsch estableció las siguientes expresiones parala tensión crítica de arrastre τc en kg/m2:
Para suelos no cohesivos de granulometría uniforme:
Vssc .)(..385.0 λγγγτ -=
Donde:
V = Volumen de la partículaλ = Coeficiente de forma que vale 1 para piedras
esféricas de 1.15 a 1.35 para arena, 3.1 paragravas y 3.75 para pizarras.
Para suelos no cohesivos de granulometría nouniforme:
4 15.101
.)(..385.0
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡-+
-=
m
ssc
VV
Vλγγγτ
Donde Vm es el volumen medio de las piedras.
El mismo Schoklitsch establece:
3.)(..201.0 dssc βγγγτ -=
Donde
d es el diámetro medio.β es un coeficiente de forma que tiene un valor
de 1 para esferas y 4.4 para piedras planas.
También propuso
3/1(000285.0 )dsc γγτ -=
Para 0.0001 m < d < 0.003 m
dsc )(076.0 γγτ -=Para d ≥ 0.006 m
Criterio de Leliavsky
Leliavsky (1955) recomienda utilizar la siguienteexpresión:
).(.166 2-= mgdcτ
Donde d es el diámetro medio en mm.
Criterio de Shields
Shields a su vez obtiene la siguiente expresión paraflujo turbulento:
dsc ..06.0 γτ =
Criterio de Lane y Carson
Lane y Carlson (1953) proponen para lechos nouniformes:
75(05.0 )dsc γγτ -=
Criterio de Miller
Según Miller y otros (1977):
dsc )(045.0 γγτ -=
Criterio de Meyer - Peter
Una fórmula bastante aceptada es la de Meyer – Petery el E.T.H. suizo:
dsc )(047.0 γγτ -=
La cual también puede utilizarse bajo la forma:
95)(02.0 dsc γγτ -=
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 47
TABLA 1.7 Velocidad límite en metros / segundo paradiferentes situaciones.
Diámetrode las
partículasmm
Velocidadlímite
superiorVb
Velocidadde
transporteVc
Velocidadcrítica
inferiorVa
2 0.15 0.11 0.085 0.37 0.27 0.2110 0.70 0.51 0.3915 1.05 0.70 0.5920 1.29 0.86 0.6225 1.47 0.96 0.7030 1.57 1.05 0.7840 1.68 1.16 0.8850 1.76 1.21 0.9360 1.86 1.27 0.9870 1.96 1.30 1.00
Criterio de Dunn para sueloscohesivos
Para suelos cohesivos se presenta el modelo de Dunn
( ) βτ
TanvSc 876.0310 +-=
Donde:
Sv es el esfuerzo cortante admisible del material
β es un ángulo en grados
β = 0.6 x (% de material más fino de 0.06 mm)siempre que este no sea mayor del 90%
β = 30 + 1.73 Ip, si el % es mayor del 90 %
Ip = índice plasticidad del material
La multiplicidad de fórmulas es un indicativo de laincertidumbre de los modelos utilizados; Sin embargoestas fórmulas son muy utilizadas para la estimacióndel transporte de sedimentos y para determinar eltamaño de las piedras para la protección de taludesy para revestimiento de canales y cauces.
Corazas
Un hecho a tener en cuenta es la formación deacorazamientos en el lecho por lavado de materialesfinos en aguas bajas. Estas corazas compuestas demateriales gruesos bastante uniformes, protegen elmaterial subyacente en capas más profundas. Comoconsecuencia de la presencia de estas corazas semodifica el diámetro característico de los materialesdel cauce y por lo tanto, la tensión crítica de arrastre.
1.6.3 VELOCIDADES A LASCUALES SE PRODUCEEROSIÓN
Algunos autores relacionan la erosión directamentecon la velocidad del agua, y suponen que existe unavelocidad crítica a la cual se inicia el movimiento delas partículas de suelo.
La resistencia a la erosión depende de muchosfactores y la mejor forma de calcularla es realizandoun ensayo de erosión para determinar la velocidaderosionante o la fuerza tractiva que produce erosiónen ese suelo específicamente. Sin embargo, existentablas muy simples que definen la velocidaderosionante para diversos tipos de suelo (Tablas 1.7 y1.8).
Es importante además, calcular o medir lasvelocidades reales del agua en la superficie decontacto cauce - agua para determinar la potencialidadde ocurrencia de erosión en cada caso.
Ecuación de Richardson y Richardson
Con base en el concepto de fuerza tractiva crítica τc,Richardson y Richardson desarrollaron la siguienteecuación para calcular la velocidad crítica a la cual seproduce erosión:
nyDSKV ss
c6/12/12/12/1 )1( -=
Ks = Coeficiente que depende de la forma de laspartículas
Schafernak distingue tres velocidades característicasen el acarreo de partículas aisladas:
• Velocidad crítica inferior Va capaz de desprenderla partícula del lecho.
• Velocidad de transporte Vc
• Velocidad límite superior Vb capaz de poner enmovimiento la partícula.
En la tabla 1.7 se muestra estas velocidades límite.
La presencia de coloides o sólidos en suspensión, asícomo la concentración de sedimentos en carga defondo afectan en forma importante la velocidad deerosión.
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 48
Efecto de la rugosidad de la superficie
La resistencia que ejerce una superficie de suelo alflujo de agua depende de la rugosidad de estasuperficie. La rugosidad a su vez depende deltamaño y forma de las partículas así como de lascaracterísticas del flujo.
No existe un sistema preciso y confiable de determinarla rugosidad y pérdida de energía del flujo. La mayoríade los métodos conocidos son empíricos. El sistemamás utilizado universalmente es el de los coeficientesde Manning.
1.7 EROSIONABILIDAD
La erosionabilidad o erodabilidad, es la susceptibilidado facilidad con que un suelo es desprendido ytransportado por los fenómenos erosivos.
El problema de la erosión no es un problema de corteprofundo sino un problema de fuerzas en la superficiedel suelo; la influencia de la geometría y la localizaciónde las partículas tienen gran influencia. Las partículasen la superficie están expuestas a fuerzas netasmenores que las que están debajo de la superficie ycuando existe orientación de la partícula, la erosiónes mucho menor. La iniciación del movimiento de unapartícula de suelo debido a la acción hidráulica sedefine como el instante en el cual las fuerzasgeneradas por el fluido arrancan y levantan la partículaproduciendo su movimiento, excediéndose por lo tantola fuerza estabilizante debida a la gravedad y lasfuerzas de fricción y cohesión.
Los fenómenos son diferentes para suelos granularesy para suelos cohesivos
1.7.1 FACTORES QUE AFECTAN LAEROSIONABILIDAD
La erosionabilidad depende de las propiedades delsuelo y del agua. Agena y Saad (1995) cuantifican laerosionabilidad por medio de tres factores: dispersiónde las arcillas, erosión propiamente dicha ygranulometría del suelo.
Vanoni expresa que los factores básicos que definenla erosionabilidad de un suelo son:
a. Tamaño y distribución de las partículas
b. Resistencia al corte (Cohesión)
c. Indice de plasticidad
d. Contenido de arcilla
e. Porcentaje de arena, limo y arcilla
f. Tipo de arcilla
g. Dispersibilidad de la arcilla
h. Valencia de los Iones absorbidos
i. Tamaños de los Iones absorbidos
j. Porcentaje y tipo de los suelos disueltos
k. Temperatura
l. Orientación de las partículas
m. Factores geométricos (estado de esfuerzos)
n. Humedad natural antes de la lluvia
o. Area expuesta
p. Intensidad de la lluvia
q. Pendiente del terreno
r. Rata de escorrentía
s. Profundidad de la escorrentía
t. Velocidad de la escorrentía
u. Longitud de recorrido de la escorrentía
v. Características de la cobertura vegetal
La erosionabilidad es una propiedad cuyas causasespecíficas son muy complejas y dependiendo de lascaracterísticas del fenómeno en cada sitio, algunosde los factores indicados tienen importancia muysuperior a los otros.
Para suelos granulares (arenas y gravas) las fuerzasque resisten el movimiento son causadasprincipalmente por el peso propio de las partículas.Los suelos finos (arcillosos) en cambio deben éstafuerza generalmente a la cohesión.
Tendencias generales de la erosionabilidad
Como tendencia general de la erosionabilidad sepueden hacer las siguientes observaciones:
• La erosionabilidad es baja en gravas gruesas biengradadas
• La erosionabilidad es alta en limos y arenas finasuniformes
• La erosionabilidad disminuye con el aumento delcontenido de materia orgánica
• La erosionabilidad aumenta al aumentar la relaciónde vacíos
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 49
MaterialesAguaslimpias
Aguas conlimos finos
Aguas conarena ygrava
Arena fina 0.45 0.76 0.45Arenalimosa
0.53 0.76 0.61
Limosarenosos
0.61 0.91 0.61
Limos nocoloidales
0.61 1.06 0.61
Cenizavolcánica
0.75 0.90 0.60
Gravasfinas
0.76 1.52 1.14
Arcillacompacta
1.14 1.51 0.91
Arenagravolimosa
1.14 1.52 1.52
Limoscoloidales
1.15 1.52 0.91
Gravasgruesas
1.20 1.50 0.90
Limoscoloidalesy guijarros
1.22 1.68 1.52
Guijarros 1.22 1.82 1.98Cantosaluviales
1.50 1.65 1.95
Lutitasfracturadas
1.80 1.80 1.50
Esquistos ybloques deroca
1.82 1.82 1.42
TABLA 1.8 Velocidad crítica de arrastre para diferentescondiciones del agua.
• La erosionabilidad aumenta con el incremento delcontenido de iones de Na
• La erosionabilidad aumenta al aumentar lapendiente del talud
• La erosionabilidad aumenta al aumentar la longituddel canal.
1.7.2 EROSIONABILIDAD ENSUELOS NO COHESIVOS
Desde el punto de vista de erosión los suelos nocohesivos son aquellos que poseen menos del 10 %de partículas de arcilla. Los suelos no cohesivos tienen
una estructura granular y no forman una masacoherente. En los suelos no cohesivos elcomportamiento a la erosión depende principalmente,del tamaño y forma de las partículas.
La mayoría de los suelos no cohesivos con excepciónde las arenas y limos finos tienen generalmente unadistribución grande de tamaño de partículas. Ladesviación estándar geométrica de las gravas en losríos normalmente es del orden de 4. La erosión deesos lechos en ciertas condiciones de flujo puedeconducir a la formación de una coraza protectora departículas gruesas. Las partículas finas sonerosionadas por el flujo y las gruesas permanecendependiendo de la fuerza tractiva de la corriente. Alaumentar la fuerza tractiva, las partículas de menortamaño van siendo erosionadas y puede llegar unmomento en que va desapareciendo la corazaprotectora o pavimento de partículas. Este procesode acorazamiento solo ocurre cuando se cumple lasiguiente expresión:
5.150/84 >DD
El principal efecto del acorazamiento es que la rata deerosión que es fuerte en un principio va disminuyendoal formarse el pavimento de partículas pero al aumentarla fuerza tractiva la rata puede aumentar nuevamente,generándose un aumento muy fuerte de la erosióncuando desaparece el acorazamiento.
El riesgo de movimiento de un grano de suelo dependetambién de su posición con respecto a la superficiedel terreno. Una partícula que se encuentra totalmenteexpuesta posee seis veces mayor posibilidad de sererosionada que una que se encuentra enterrada hastala mitad de su diámetro.
1.7.3 EROSIONABILIDAD ENSUELOS COHESIVOS
Al aumentar el porcentaje de arcilla por encima del10%, los suelos cambian drásticamente depropiedades y la arcilla asume el control del suelo.En los suelos cohesivos las interaccioneselectroquímicas dominan y el tamaño y peso departículas individuales puede tener poca importancia.Los suelos cohesivos forman una masa coherente. Elconocimiento físico de la forma como ocurre la erosiónen suelos cohesivos es muy limitado y no existenmodelos racionales capaces de cuantificar las ratasde erosión en suelos cohesivos. Los sedimentosproducto de la erosión de suelos cohesivos sontransportados principalmente en suspensión y afectanen forma significativa la calidad del agua.
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 50
Es interesante anotar la formación de pequeñoscúmulos de partículas o grupos de partículas que sedesprenden independientemente.
Estos grupos de partículas están comúnmenteidentificados con la presencia de illita yMontmorillonita, confirmando la causa de laerosionabilidad alta de los suelos de la ciudad deBucaramanga y algunos de la ciudad de Cúcuta, aloriente de Colombia. La erosión por grupos departículas que luego se desmoronan dentro de lacorriente de agua es un caso muy común. Estos«seudogranos» de suelo le dan un comportamientoerosivo semigranular a algunos suelos cohesivos.
Los factores que afectan el sistema de fuerzasinterparticulares son:
a. Valencia de los Iones absorbidos
b. Tamaño de los Iones absorbidos
c. Porcentaje y tipo de suelos disueltos en elelectrolito.
d. Temperatura
e. Orientación de las partículas
f. Estado de esfuerzos (Geometría).
1.7.4 EROSIONABILIDAD ENSUELOS RESIDUALES
En los suelos residuales la erosionabilidad es unfenómeno mucho más complejo y no se cumplen enforma simple las premisas planteadas en los párrafosanteriores. En estos suelos generalmente se presentauna mezcla de gravas, limos, arenas y arcillas. Esmuy importante la interacción entre los mineralesarcillosos y los constituyentes de las arenas y gravasdentro del conjunto que forma un suelo residual. Lossuelos ciento por ciento cohesivos o friccionantes sonpoco comunes en ambientes tropicales y la «mezcla»es factor importante en el comportamiento erosivo.
La investigación Norteamericana y Europeageneralmente no tiene en cuenta las partículas degrava y ensayos como el de «Pinhole» no esrepresentativo para arenas y mezclas grava-arena-limoy arcilla, muy comunes en suelos residuales tropicales.La interacción electroquímica de la superficie de gravay arena con las de arcilla no ha sido estudiada hastael momento.
Otro factor muy importante es la falta de resistenciade cohesión y/o de fricción a lo largo de la estructurasheredadas diaclasas o discontinuidades, lo cual facilitala erosión.
Litología y erosionabilidad
En los suelos residuales y rocas meteorizadas laerosionabilidad está relacionada íntimamente con eltipo y características de la roca parental. Cadaformación o manto de roca presenta unaerosionabilidad característica y diferente. Por ejemplo,los esquistos y sus suelos residuales son mucho máserosionables que las areniscas o la cuarcita, y lasarcillolitas son más erosionables que las areniscas.La fracturación y meteorización son otros factoresdeterminantes de las ratas de erosión. Estasdiferencias en erosionabilidad modelan un paisaje concambios bruscos de morfología de acuerdo a lalitología (Figura 1.20)
1.7.5 LAS ARCILLAS DISPERSIVAS
Se dice que un suelo es dispersivo cuando las fuerzasentre partículas son tales que hay una resultante netade repulsión.
Según Sherard los suelos de dispersividad alta seerosionan mediante un proceso en el cual las partículasindividuales son soltadas a suspensión en aguasprácticamente quietas, mientras en suelos ordinariosse requiere considerable velocidad del aguaerosionante.
El porcentaje alto de sodio (Na) en el extracto saturadode un suelo es el indicador de su alta dispersividad.Sherard desarrolló una relación para determinar ladispersividad de las arcillas para su uso en presas detierra, basado en la presencia de iones de Na (Figura1.21).
La mayoría de las arcillas dispersivas conocidas en elmundo provienen de depósitos aluviales (Sherard,1976) en forma de depósitos de planos de inundación,lagos y loess. En algunas áreas se han encontradolutitas formadas en ambientes marinos con las mismassales de las arcillas dispersivas y sus suelos residualesson dispersivos. Según Sherard (1977) las arcillasdispersivas pueden ser rojas, marrones grises oamarillas, pero no se conocen arcillas dispersivasnegras.
La mayoría de las arcillas provenientes de lameteorización de rocas ígneas y metamórficas y decalizas generalmente no son dispersivas.
En suelos tropicales muy erosionables como lo sonlos de las ciudades de Bucaramanga y Cúcuta enColombia, los suelos se clasifican en las zonas B(Estables) y C (Algo dispersivos); sin embargo estossuelos son extraordinariamente erosionables. Igual
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 51
10- Flujo de lava cementada9- Intrusión ignea8- Limolita7- Caliza6- Arcillolita
8
3
5- Arenisca cementada4- Arenisca arcillosa3- Granitos2- Cuarcita1- Esquistos
1
2
3- Granito2- Cuarcita1- Neiss
32
A
1
31 4
5
6
D
9 7
GranitoB
5
610
3- Arenisca cementada
1- Arenisca arcillosa
3
5- Caliza
2- Limolita
4- Arcillolita
4
C
3
5
12
FIGURA 1.20 Efecto de la litología sobre la erosión y la morfología del terreno.
evidencia es observada por Mitchell para suelos enlos EE.UU., donde existen suelos muy erosionablesque no son arcillas dispersivas, dentro del conceptode dispersividad de Sherard.
Diagrama de dispersividad de Sherard
Sobre la base de cientos de muestras de suelosdispersivos y no dispersivos Sherard (1976) desarrollóuna gráfica para poder dictaminar el grado dedispersividad de una arcilla, con base en el contenidode iones en el agua de los poros y que según Sherardes válida para la mayoría de los suelos (Figura 1.21).
En esta gráfica se definen tres zonas diferentes así:
ZONA A: Suelos dispersivos con los que no debenconstruirse obras de tierra (ALTAEROSIONABILIDAD)
ZONA B: Suelos no dispersivos; la mayoría de lossuelos estarán en la zona. Aunquealgunos suelos (casos excepcionales)son altamente erosionables a pesar deque caen en este rango y ellos puedenser identificados por medio de un ensayodirecto de erosión.
ZONA C: Suelos que van desde no dispersivos amedianamente dispersivos
KNaMgCaNaNade
+++= )100(%
( )MgCaNaSAR
+=
5.0
en M. Equivalente / litro
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 52
La erosionabilidad y el tipo de arcilla
Según Mitchell la erosión ocurre cuando las partículasde arcilla entran en suspensión en la corriente de agua.La mayoría de las fallas importantes de taludes porerosión han ocurrido en arcillas con baja a medianaplasticidad (CL y CL-CH) que contienen algo deMontmorillonita.
En el criterio del autor la erosionabilidad dependeprincipalmente de las características de la estructuraincluyendo la presencia de arenas, limos, lamineralogía de las arcillas (en especial la presenciade Montmorillonita o illita, así sea en pequeñascantidades) y la presencia de iones intercambiables.
El origen mineralógico de la arcilla especifica el gradode actividad de una arcilla. Las Kaolinitas sonrelativamente inactivas y muestran poca habilidad paraabsorber agua y expandirse. Las arcillas de tres capasmuestran gran actividad superficial debido a la gransubstitución isomorfa y la gran habilidad para absorberaguas, especialmente las Montmorillonitas; las Illitaspresentan mayores fuerzas de atracción entre laspartículas debidas a los iones de K presentes y supotencial de expansión es reducido. La facilidad de
expansión trae como consecuencia una mayorsusceptibilidad a la erosión.
En los últimos años se ha logrado entender muyclaramente que hay cierto tipo de arcillas que son muyerosionables. El factor «tipo de arcilla» es el másimportante.
El porcentaje de arcilla
Grissinger encontró que al aumentar el porcentaje dearcilla en un suelo, la erosionabilidad disminuye, conla excepción de la Montmorillonita cálcica. Estaexcepción se debe posiblemente a los paquetes departículas que se forman en las arcillas cálcicas, lascuales son comunes en ambientes tropicales.
Los suelos con altos porcentajes de arenas tienden aser no cohesivos y fácilmente erosionables y aquelloscon altos porcentajes de arcillas son cohesivos y resistenla separación de las partículas, sin embargo, una vezseparadas éstas son llevadas muy fácilmente por el aguadebido a su tamaño minúsculo. Sin embargo, el solohecho de la presencia de un tipo de arcilla dispersivaindependientemente del porcentaje es un factordeterminante en la erosionabilidad del suelo.
FIGURA 1.21 Diagrama de dispersividad de Sherard.
0.1 0.5 1.0 5.0 10 50 100 5000
20
40
60
80
100
PO
RC
ENTA
JE D
E S
OD
IO (M
. eq.
/Lit r
o)
TOTAL DE SALES DISUELTAS EN EL EXTRACTO SATURADO(M. eq./Litro)
no DispersivosPueden ser o
Zona A(dispersivo)
Zona C
Zona B(no dispersivo)
SAR=0.2
SAR=0.1
SAR=0.5
SAR=1.0
SAR=2.0
SAR=3.0
SAR=5.0
SAR=10 SAR=20SAR=50
SAR=100
Dispersivos
No Dispersivos
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 53
Cono de broncecon hueco de1.5 mm.
Hueco 1 mm
100 mlRecipienteGraduado
Equipo de
Harvard MiniaturaCompactación
Agua aCabeza constante
Válvula
PiezómetroCono
Malla
MuestraCompactada
de Bronce
Cilindro PlásticoDiámetro= 3.09 cmLongitud= 11.78 cm
Filtro de Grava
Malla (2) 14 hilos/pulg1.15 mm
0.4 cm
1.29 cm
1.29cm
3.92 cm 5.00 cm
1.8 ENSAYOS DE EROSIONABILIDAD
Para identificar los suelos erosionables se empleanvarios métodos de ensayo así:
1. Ensayo de caída simple de agua
El agua cae sobre una muestra de suelo y el agua ylos productos de erosión son recogidos en unrecipiente. Se hace un análisis cuantitativo basadoen el grado de lodosidad.
2. Ensayo de desmoronamiento (Crumb test)
Este ensayo fue desarrollado por Emerson (1964). Unamuestra de suelo se coloca en agua y se observacualitativamente en forma visual, si se forma una nubede partículas coloidales alrededor de la muestra. Lapresencia de esta nube es una evidencia de que elsuelo es dispersivo. Este ensayo no produceresultados confiables en suelos dispersivos en loscuales la arcilla predominante es la Kaoilinita. El usode una solución de NaOH como medio dispersivoaumenta la posibilidad de detectar un suelo dispersivo,pero puede ocurrir que un suelo no dispersivo seclasifique como dispersivo.
3. Ensayos químicos: ESP Y S.A.R.
La concentración de iones se determina y secorrelaciona con tablas o figuras, tales como la deSherard (Figura 1.21).
4. Ensayo de Pinhole
Para la identificación de arcillas dispersivas el métodomás confiable es el ensayo “Pinhole” desarrollado porSherard en 1976. Se hace pasar agua por un hueco
(Pinhole). La rata y naturaleza del flujo es observadapara determinar la erosionabilidad (Figura 1.22) y semide la cantidad de erosión para cuantificar laerosionabilidad.
La muestra se compacta dentro del cilindro, luego sele entierra un cono de bronce y se le hace unaperforación de un milímetro de diámetro con un alfiler.Se obtiene el peso y la humedad de la muestra antesdel ensayo. Luego la muestra se erosiona utilizandoagua destilada con una cabeza hidráulica de dospulgadas durante 10 minutos. Posteriormente se pesanuevamente la muestra y se obtiene la cantidad desuelo erosionado, y el % de erosión mediante lamedición del peso y la humedad (Lewis y Schmidt,1977). El ensayo puede ser realizado para variosniveles de cabeza de agua y se puede interpretar deacuerdo a la tabla 1.9.
5. Ensayo de flujo en canal
Se hace pasar agua sobre un canal de suelo en ellaboratorio y se observa el comportamiento (Figura1.23). Se han desarrollado varios sistemas para medirla fuerza tractiva al flujo en un canal abierto. La fuerzatractiva es la fuerza tangencial por unidad de área quese aplica sobre la superficie del canal. Cada materialtiene una fuerza tractiva máxima a la cual se produceerosión.
El sistema de fuerza tractiva se ha popularizado muchoen los últimos años y se han desarrollado equiposcapaces de determinar este parámetro para diferentessuelos y para diferentes materiales de control deerosión.
FIGURA 1.22 Esquema típico ensayo de Pinhole.
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 54
152cm
11cm
11 cm
6. Ensayo de luz ultravioleta
Se mezcla Acetato de Uranio y Zinc con una moronade suelo y se observa la fluorescencia con luzultravioleta, la cual revela la presencia de sodio.
7. Ensayo de dispersión (Soils ConservationServicie)
El porcentaje de partículas menores de cinco mm sedetermina en dos ensayos de hidrómetro. El primerocon un agente dispersante en la solución y el segundosin dispersante. Entre mayor sea la relación de
FIGURA 1.23 Canal para ensayo de erosión.
Categoría dedispersión
Clasificación Descripción de los resultados del ensayo
D1 Falla rápidamente con una cabeza de 2 pulgadasSuelo Dispersivo
D2 Falla menos rápidamente con una cabeza de 2 pulgadasND4 Falla lentamente con una cabeza de 2 pulgadas
Suelo intermedioND3
Falla lentamente con una cabeza de 7 pulgadas o ligeramente conuna cabeza de 15 pulgadas.
ND2Erosión ligera con una cabeza de 15 a 40 pulgadas(No ocurre erosión coloidal)Suelo No Dispersivo
ND1 No ocurre erosión con una cabeza de 40 pulgadas.
TABLA 1.9 Dispersividad de acuerdo al ensayo de Pinhole (Sherard 1976).
Porcentaje deDispersión Probabilidad de erosión
20 a 25% Erosión Mediana25 a 50% Erosión Alta
Más de 50% Erosión muy Alta
TABLA 1.10 Erosionabilidad de acuerdo al ensayo dedispersión
100.55
edispersantconmmdemenorespartículasPorcentajeedispersantsinmmdemenorespartículasPorcentajeDISPERSIÓNDEPORCENTAJE =
partículas menores de cinco mm sin dispersante, laprobabilidad de erosión es mayor (Tabla 1.10).
8. Ensayo de erosión por chorro de agua
Este ensayo desarrollado por el autor del presentelibro, consiste en la colocación de un jet de agua conuna boquilla a un determinado ángulo sobre unamuestra de suelo (Figura 1.24). Se mide el volumende suelo erosionado durante un determinado tiempo.
El ensayo permite utilizar tres boquillas, tres ángulosde incidencia del chorro y una gama de caudales deagua, los cuales se controlan midiendo la presión deagua antes de la boquilla. De acuerdo al tipo de flujoen el campo se determina la boquilla, el ángulo deincidencia y la presión de agua.
CAPÍTULO 1. LA EROSIÓN – CONCEPTOS BÁSICOS 55
Válvula para definirel ángulo del chorro
Muestra preparada
Jet de agua
Boquillas
Fuente de agua
Muestra en ensayo
Identificación de áreas sensitivas a laerosión
Para la construcción de obras de infraestructura,urbanizaciones, carreteras, oleoductos etc., se requiereidentificar las áreas sensitivas a la erosión para objetode la planeación de las obras y para el diseño de las
FIGURA 1.24 Ensayo de erosión por chorro de agua desarrollado en la UIS – Bucaramanga – Colombia.
obras de control. La geología y el comportamientohistórico de cada formación permite en la primerainstancia detectar las áreas más complejas, tanto paraerosión como para sedimentación; posteriormente sedeben hacer sondeos con toma de muestras yensayos de laboratorio para determinar laerosionabilidad.
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