Los tubos geosintéticos para la protección de costas (y II)
Lunes, 16 Marzo, 2020En la segunda parte del artículo de Cimbra número 413, vamos a analizar el diseño de tubos geosintéticos desde un punto de vista técnico y con la incorporación de la principal formulación que tener en cuenta a la hora del proceso de desarrollo de los mismos.
Así, desde las primeras obras con tubos, la experiencia y el conocimiento en el estado de éstos se han incrementado considerablemente. Los modelos de diseño que se van a exponer a continuación están basados en investigaciones y en el seguimiento de experiencias reales.
Para un correcto diseño de los tubos, es necesario analizar mecanismos de fallo “interno” (los relacionados con el propio tubo y su relleno), y externos (estabilidad del tubo actuando como un elemento monolítico).
Antes de estudiar los diferentes casos de estabilidad externa e interna que tener en cuenta, es necesario definir un concepto previo, el de grado de llenado.
Grado de llenado
El grado de llenado puede definirse como el cociente entre la altura de llenado del tubo H y el diámetro nominal D. Este ratio tiene mucha importancia en la magnitud de las tensiones generadas en el geotextil que conforma el tubo.
La definición de grado de llenado respecto a la altura según la definición de Deltares (Van Steeg, 2010) sería:
Ph= h/h100%
Donde ph es el porcentaje de llenado respecto a la altura de llenado, h es la altura del tubo tras el llenado y h100% es la altura máxima de llenado del tubo (el diámetro nominal).
Comúnmente, la expresión se realiza atendiendo al diámetro nominal del tubo:
Ph= h/D
Siendo h la altura del tubo tras llenado (en metros) y D el diámetro nominal del tubo (también en metros).
Estabilidad interna
Para la clasificación de los diferentes modos de fallo, seguimos los enumerados por Lawson (2008). Podrían presentarse tres casos diferentes de fallo para la estabilidad interna:
- Rotura del geotextil por tensión excesiva.
- Salida del material del relleno a través del geotextil.
- Deformación excesiva post-contructiva.
- Determinación de las tensiones axiles y circunferenciales en el tubo
Existen diferentes métodos para determinar las tensiones en el geotextil del tubo. En este caso, no limitaremos a exponer brevemente el método propuesto por Dov y Ora Leshchinsky (1996) por ser quizás el más uso en la práctica. Está basado en la teoría de la membrana y permite calcular, además de las tensiones, la altura final del tubo llenado. El método está, además, contrastado con el experimento de Liu (1981).
La tensión circunferencial viene dada por la expresión:
T * y’’ – (p0 + y * x) * (1 + (y’²)) * 1? = 0
Es una ecuación diferencial no lineal que se resuelve numéricamente. Los autores han desarrollado un software en el cual, fijando valores conocidos (como el diámetro del tubo), resuelve el valor de la tensión circunferencial.
Una vez obtenida ésta, la tensión axial se obtiene de la fórmula:
T axial = 2/L * ?ho (p0 + y * x) y (x)dx
En el siguiente gráfico, se puede ver cómo aumenta exponencialmente la tensión circunferencial para diferentes diámetros D de tubos en relación con el grado de llenado.
Tamaño permisible de poro
El tamaño de poro del geotextil debe ser el adecuado para evitar la migración de las partículas de relleno hacia el exterior del tubo. Puede ser determinado respecto al documento “Dealing with Design of Geotextils and Elements” (CUR 217, 2006).
Las dos fórmulas propuestas son la consecuencia de un estudio con arenas de >60 ?m.
La recomendación general es que el material para el llenado de tubos sea una arena que contenga un máximo del 15% de finos (GRI, 1999). De esta forma, también se evitarán las deformaciones post-constructivas por consolidación. (Ver formulación, aquí).
Estabilidad externa
Volviendo a la clasificación de Lawson (2008), tenemos seis casos que tener en cuenta:
- Deslizamiento.
- Vuelco.
- Capacidad portante (asiento diferencial).
- Estabilidad global (para el caso de tubos apilados).
- Erosión en pie de tubo.
- Asiento del apoyo (suelos blandos con baja capacidad portante).
Todas estas comprobaciones pueden realizar siguiendo métodos convencionales.
En el trabajo de Lawson, sin embargo, no se tienen en cuenta las fuerzas inducidas por la marea u oleaje, por lo que vamos a completarlo con dos fórmulas propuestas por sendos estudios. Por un lado, la estabilidad externa con oleaje CUR 217 (2006). Por otro, la estabilidad externa con oleaje según Deltares (ver formulación, aquí).
Caso real. Defensa de la línea de duna en la playa de Isla Canela (Huelva)
La evolución de la costa de Huelva ha venido determinada tanto por el efecto natural de la desembocadura de sus ríos como por la acción humana en la realización de distintas obras costeras. El cambio a lo largo del tiempo, de manera esquemática, tendría origen en la costa (formada por amplios estuarios en las desembocaduras de los ríos), posteriormente, se forman islas arenosas y, en otra fase de tiempo, se van rellenando los estuarios. Éstos se completan mediante cordones y flechas litorales, surgiendo así esteros, que primeramente derivan en marismas para después crear flechas exteriores.
Las obras de diques en las entradas de los puertos y en especial el dique de encauzamiento de la margen portuguesa del río Guadiana está provocando desde entonces una erosión generalizada en la costa de Huelva, al haber alterado los bajos que formaban el delta sumergido del Guadiana (CEDEX 22-410-5-001,2013).
EN el año 2018, tras los temporales del invierno, se acometen, por la Dirección General de Sostenibilidad de la Costa y del Mar del Ministerio para la Transformación Ecológica, varias obras de emergencia en el litoral onubense encuadradas en el “Plan Litoral 2018”. Una de ellas, es la obra “Redistribución de arenas, reperfilado de playas y estabilización del talud dunar con arena, geocontenedores y empalizada en las playas de Ayamonte”.
Esta intervención va a permitir testar la empleabilidad de la tecnología de tubos para proteger la línea de duna situada en la zona más occidental de la playa de Isla Canela, donde en los temporales de finales de 2017 e inicio de 2018, las mareas atravesaron esta línea de duna natural, afectando a la playa e incluso a la zona urbanizada. Esta zona de la playa actual es muy estrecha en pleamar y muy ancha en bajamar, ya que tiene muy poca profundidad y el perfil de playa muy poca pendiente, por lo que la carrera de marea es muy amplia.
La actuación consiste en la instalación de varios tubos de geosintético, con una altura tras llenado de 1,10 metros. Éstos se instalan justo en el pie de la línea de duna, en la zona de barlovento, enterrados a una profundidad de 0,5 metros y a lo largo de una línea de 210 metros (en tubos de 35 metros de largo, en seis unidades.
Bajo el tubo, se coloca un geotextil para defensa contra la erosión y, en todo el frente, a unos 1,50 metros hacia el intradós del tubo, una empalizada de pilotes de madera para completar la defensa contra la erosión del pie del tubo y evitar que pueda desplazarse. Posteriormente, se entierra con arena de un acopio cercano de dragado.
Al tratarse de una zona rica en marisqueo y con la finalidad de disminuir en lo posible cualquier impacto ecológico en la zona de actuación, se determinó usar arena del acopio procedente de acumulaciones en otras zonas de playa, mezclada con agua captada de la orilla en un contenedor de donde se alimenta otra bomba para el sistema de llenado de tubos.
Los tubos instalados son del tipo SoilTain ® PP200/200 CP de Huesker, fabricado con un geotextil tejido de polipropileno con una tensión nominal de 200kN/ml y una permeabilidad de m/s. acabado de color beige muy parecido al color de la arena de la playa. La empresa contratista fue TR Construya S.L. y los trabajos se realizaron a lo largo del mes de mayo de 2018 de manera satisfactoria.
Conclusiones
La experiencia acumulada, pero poco conocida en nuestras costas, así como diferentes ensayos a escala y reales han permitido desarrollar un proceso de diseño para calcular la tensión circunferencial y axial que debe soportar el textil técnico. También para calcular sus características hidráulicas y la sección teórica tras llenado, lo que permite, además, calcular los diferentes modo de fallo tanto a solicitaciones externas como inherentes al sistema.
Si bien es una técnica que tiene muchos usos potenciales, pensamos que su uso en aguas poco profundas y en el entorno cercano de la línea de costa, el empleo como relleno de arena procedente de dragados, la sencilla instalación, el bajo coste de adquisición y la aceptación por los usuarios finales lo convierten en un complemento perfecto para las campañas de regeneración de playas en el litoral español y también para la defensa de humedales y de línea de dunas.
Artículo incluido en el número 413 de Cimbra. Escrito por Marco T. Rodríguez Martínez, Ingeniero Civil.
Imagen: situación de la costa previa a la implantación de los tubos geosintéticos.
