SECRETARIA DE
COMUNICACIONES Y TRANSPORTES
CENTRO SCT CAMPECHE
PROYECTO DE
ESTABILIZACION DE ZONA DE PLAYA PARA PROTECCION DE LA CARRETERA CARMEN
-CAMPECHE,
KM 46+000 - 46+500
Campeche, Nov, 2002
1 ANTECEDENTES Y METODOLOGIA
2 ANALISIS DE OLEAJE Y MAREAS
2.1 OLEAJE EN AGUAS PROFUNDAS
2.2 OLEAJE EN ROTURA
2.3 MAREAS
3 CALCULO DEL
PESO Y DIMENSIONES DE LOS ELEMENTOS DE PROTECCION
4 TRANSMISION
DEL OLEAJE POR LA PRESENCIA DEL ARRECIFE ARTIFICIAL
5 GRANULOMETRIA
6 DEFINICION DE ESTRUCTURAS DE PROTECCION
7 REFERENCIAS
8 ANEXOS
1 ANTECEDENTES Y METODOLOGIA.
La carretera Cd. del Carmen -
Campeche ha sufrido en los últimos años un deterioro progresivo en diversos
puntos. Esto es debido a la proximidad con la costa y a la erosión permanente
de las playas en la zona por causas diversas tanto naturales como provocadas
por la acción del hombre. El tramo que
nos ocupa, corresponde a una franja de 500 mts entre los cadenamientos 46+000
al 46+500. En esta zona, la carretera ha sufrido permanentes daños debido a la
pérdida paulatina de la línea de orilla que provoca que el oleaje incidente
en eventos meteorológicos de magnitudes
importantes, llegue directamente a la estructura de terracería y pavimento,
provocando el inevitable deterioro de la vía de comunicación.
La regresión de la línea de costa es
un fenómeno que se ha incrementado en los últimos años en la mayor parte del
planeta. Entre sus causas naturales destaca el incremento global de temperatura
que ocasiona una elevación del nivel medio del mar a un ritmo entre los 5 y 10
mm por año. Adicionalmente, existen intervenciones artificiales de
consecuencias negativas. Las playas están formadas por el arrastre de
sedimentos proveniente de diversas fuentes, entre otras las desembocaduras de
ríos como uno de los aportes principales. Cualquier intervención que modifique
esta dinámica natural de suministro de
arena, provocará pérdidas de playas, inclusive
en zonas alejadas a la ubicación de las actuaciones. El ejemplo mas
característico son los espolones transversales, obras de abrigo y estructuras
portuarias.
En este contexto, la disminución de
sedimento que forma las playas, ha provocado que en la zona de interés, el
oleaje incidente rompa directamente sobre los taludes laterales de la
carretera, en diversas épocas del año.
El planteamiento básico de este
proyecto es por tanto, recuperar la línea de orilla mediante la acumulación
natural de sedimento. El oleaje y las corrientes son los principales agentes
que mueven el sedimento. La proporción de movimiento generado por las
corrientes es muy inferior al generado por el oleaje, de tal manera, que en la
medida que podamos reducir el oleaje, reduciremos la capacidad de este
para transportar arena. Así,
provocaremos que se estabilice la zona de playa, como elemento de protección
ante los eventos meteorológicos.
Se hace por tanto necesario,
definir los distintos elementos que
intervienen en la formación y comportamiento de una playa:
·
Oleaje en aguas profundas y mareas
·
Propagación de oleaje y comportamiento en la zona de playa
·
Batimetría
·
Características del sedimento
A partir de los parámetros de oleaje
en aguas profundas, podemos estimar el comportamiento del oleaje en la zona de
playas. Un estudio fino de propagación no se puede llevar a cabo por falto de información detallada del
fondo marino. No obstante, con la
batimetría de la franja de 200 mts paralela a la costa y profundidades en detalle
hasta la batimétrica -3.0, es posible estimar el contenido energético del
oleaje en rotura y mitigarlo para proteger la playa actual, reducir la
capacidad del oleaje de mover sedimento y por tanto conseguir un crecimiento
paulatino de la línea de orilla. En este proyecto, se proponen rompeolas
sumergidos a base de unidades de arrecifes artificiales, de tal manera que
reduzcamos el movimiento de sedimento y se estabilicen las zonas mas
erosionadas. (figuras 1, 2 y 3)
1
ANALISIS DEL
OLEAJE Y MAREAS
2.1 OLEAJE EN AGUAS PROFUNDAS
Para determinar el oleaje en aguas
profundas, las fuentes más completa con la
se cuenta para el Golfo de México, son sin duda, lo registros realizados por una de las
divisiones del US Army Corps of
Engineers, denominada US Army Engineers Waterways Experiment Station (WES).
Esta división ha instrumentado las estaciones WIS en una retícula que cubre
todo el Golfo de México, con información certera de las condiciones del oleaje
en aguas profundas. Los registros disponibles de dicha fuente, cubren el
período entre los años 1974 - 1995. Para el presente proyecto se utilizaron las
mediciones correspondientes a la estación 110 (figura 4) cuyos principales
registros se resumen en las figuras 5 a 9
2.2 OLEAJE EN ROTURA
Para evaluar el comportamiento del
oleaje al romper, es necesario definir el número de Iribarren. Este es un parámetro universal en
Ingeniería Costera que nos relacionan la inclinación del fondo (α), con la altura de ola (H) y la longitud de onda en aguas profundas (Lo) y por tanto su período (T). Entre otras muchas aplicaciones, este
parámetro nos definirá el criterio para determinar la altura a la que rompe el
oleaje según la profundidad y su tipo de rotura. Así, obtendremos una altura de
ola máxima la cual, para efectos de la evaluación de nuestras estructuras de
protección, será nuestra altura de ola de diseño Hd.
Ir = tgα / (H/Lo)(1/2)
Lo = g T² / 2p
Hb/ds = f (Ir)
Siendo:
|
Ir: |
Parámetro de Iribarren. |
|
Tgα: |
Pendiente del fondo (En este caso,
se considerará entre 1 y 2%). |
|
H : |
Altura de ola. |
|
Lo: |
Longitud de Onda en aguas profundas. |
|
g : |
Gravedad. |
|
T: |
Período de oleaje. |
|
Hb : |
Altura de ola al romper. |
|
ds : |
Profundidad. |
Los resultados de este análisis se presentan en la figura 9A.
2.3 MAREAS
Para la evaluación de la marea
astronómica, se ha utilizado el software WxTide 32 que nos proporciona mareas
hasta el año 2030. Dicho software, para
el caso de Campeche, posiciona la lectura en Cd. del Carmen, 91g 50.3'W, 18g
32.3' N. Para el estudio en cuestión, podemos determinar una carrera de mareas
del orden de 60 cm entre bajamar media
y pleamar media. A continuación se
presenta una salida típica del software de referencia.
Salida típica del software WxTide 32
3 CALCULO DEL PESO Y DIMENSIONES DE
LOS ELEMENTOS DE PROTECCION
PESO DE LAS UNIDADES:
El criterio utilizado para asegurar la estabilidad
de los elementos de protección sumergidos, contra el ataque del oleaje, viene
dado, según el Shore Protection Manual (referencia
1), por la expresión:
W = Wr H³ / Ns³
( Sr - 1 )³
Donde:
|
W = |
pesos de las unidades |
|
Wr = |
Densidad de las unidades (se
considerará Wr = 2.0 ton/m3 que equivale a concreto en masa y se aproxima al
valor de la roca natural) |
|
H = |
Altura de ola de diseño. Equivaldrá a la altura de ola en rotura según
la profundidad dada, por el criterio del parámetro de Iribarren |
|
Ns³ = |
Numero de estabilidad adimensional según SPM, capitulo 7-3 |
Para este análisis utilizaremos la relación mas desfavorable la cual
equivale (fig 7-120 referencia 1) a
una relación h/d=0 (es decir, la corona del arrecife artificial esta al ras del
agua).
En estas condiciones:
Ns³
= 5
Sr = relación densidad material de
protección / densidad del agua. Para este caso consideraremos
Sr = Wr/Ww = 2 t/m3 /
1 t/m3 = 1
De esta manera, haciendo un análisis
para distintas alturas posibles para desplantar las estructuras, obtendremos los valores del peso de las unidades
según tabla 1:
Tabla 1: Calculo del peso de las unidades de protección, según la
profundidad y la altura de ola previa a romper
Sección tipo:
La figura 10 representa la solución
esquemática convencional. Sin embargo, el análisis tradicional realizado esta
por el lado de la seguridad ya que considera que la estructura, al recibir el
ataque del oleaje, no permite el paso de flujo a través de ella, como el caso de la unidades Pallet ball
propuestas (figuras 11 y 12). Esto evidentemente incrementa enormemente los
factores de seguridad contra el volteo y deslizamiento.
Así, y según tabla 1, el peso mínimo
de las unidades para una profundidad de colocación a 1.00 mts está en 205 Kg.
Si consideramos que una unidad pallet ball pesa mínimo 680 kg (figura 11), el
factor de seguridad esta del orden de 3.5 con el criterio de diseño de Hudson.
Figura 10. Solución esquemática
convencional
4 TRANSMISION DEL OLEAJE POR LA
PRESENCIA DEL ARRECIFE ARTIFICIAL.
Evaluar la transmisión de
oleaje es fundamental para poder controlar la estabilidad de la playa. Un
exceso de transmisión de oleaje causa pérdida de material y por tanto retroceso
de la línea de orilla. Una reducción descontrolada de la energía transmitida,
causa falta de circulación del agua con riesgo de deterioros ambientales en el
entorno.
Por otro lado, la transmisión de
oleaje es un parámetro complicado de evaluar que necesita forzosamente, un
análisis detallado de la propagación del oleaje y un permanente monitoreo en
campo. Sin embargo, se pueden definir parámetros generales apoyados en el
conocimiento de las estructuras sumergidas. Se definirá por tanto, una
metodología de diseño basada en la experiencia, que arrojaran parámetros
concretos de cálculo. Estos parámetros, en la medida que se genere conocimiento
local, serán ajustados y mejorados. Mientras tanto, se aplicará un criterio
conservador buscando controlar la energía sin causar deterioros.
Figura 13 Definición esquemática
estructura sumergida
Según la figura 13, el parámetro
importante a evaluar, para controlar la transmisión de oleaje, es el bordo
libre, que en el caso de un dique sumergido o arrecife artificial, tendrá signo
negativo.
F = h - d
Donde:
F = bordo libre
h = altura estructura
d = profundidad
H = altura de onda
El oleaje que sobrepasa la estructura, viene definido por le coeficiente
de transmisión Kt dado por la expresión
(referencia 2)
Kt = Ht/Hi
Donde:
Kt = coeficiente de transmisión de
oleaje
Hi = Altura de ola incidente antes
de la estructura
Ht = Altura de ola transmitida.
Como ya se mencionó, no existen de
momento elementos para evaluar este coeficiente de forma precisa para el caso
del tramo en cuestión. Sin embargo, podemos definir una transmisión de oleaje
entre el 60 y 70% como adecuado, dada la experiencia en este tipo de
estructuras. En la figura 7-37 del SPM (referencia
1), se presentan resultados del coeficiente Kt en función del parámetro
Hi/gt2 donde se obtiene valores del coeficiente de transmisión entre el 60 y
90% para una relación ds/h=1.07. Es decir, para el caso de un arrecife
artificial que colocaremos a una profundidad de 1 m, el Bordo libre debe estar
a -7 cm. En la práctica se recomienda en una primera fase mantener el bordo
libre F = h-d entre +10 y -30 cm. Esto permitirá conseguir una coeficiente de
transmisión de oleaje superior al 60% y a partir de ahí, los ajustes en campo
se hacen de una manera práctica.
5 GRANULOMETRIA
Se tomaron muestras del material
para realizar su clasificación, obteniéndose los siguientes parámetros básicos:
D50 =
0.425 mm
D84 =
0.65 mm
D16 =
0.25 mm
Tamaño
máximo = 0.8 mm
Al tratarse de
arenas con un D50 = 0.42 mm, se cuenta con un material de relativamente
fácil estabilización. En recorrido visual es estimo que existe una gran
cantidad de sedimento en la zona en movimiento. Sin embargo, no se dispone de
elementos para evaluar la tasa de crecimiento de la playa una vez se coloque
las estructuras. Un programa de monitoreo permanente es recomendable.
6 DEFINICION ESTRUCTURAS DE
PROTECCION
En base a la información recopilada,
se determina el diseño de la playa protegida en los cadenamientos 46+000 al
46+500 de la carretera Cd. Del Carmen - Champoton bajo los siguientes
criterios.
1) Debido a tener
una frecuencia del oleaje predominante en direcciones N-NE-E en aguas profundas
(figura 7), es de esperar la componente neta de transporte longitudinal de
sedimentos en dirección SW. Esto nos permite poner las estructuras sumergidas,
orientadas a los oleajes predominantes lo que optimizará su funcionamiento.
2) Haciendo un
análisis de la información estadística, se tienen alturas de ola con un 2.7% de ocurrencia mayores a 2 mts
en aguas profundas (figura 5) y promedios mensuales siempre debajo de 0.8 mts (figura
8). Según el análisis de estabilidad de las unidades sumergidas, se puede
concluir que los elementos pallet ball con un peso mínimo de 680 kg, cumplen
con los criterios de estabilidad requeridos.
3) El criterio de
rotura del oleaje muestra que debido a
la pendiente del fondo (hasta 15%), en la zona entre los cadenamientos 0+190 y
0+240, se presenta un mecanismo de rotura en "plunging" (Figura 9 A)
que libera el máximo de energía del oleaje.
4) Basándose en lo
anterior, se disponen de estructuras de entre 36 y 58 mts de longitud, casi
paralelas a la costa sobre la batimétrica -1.0 respecto al nivel medio del mar
para que con una diferencia de mareas del orden de 60 cm, emerjan un máximo de
30cm y queden sumergidas con un bordo del mismo orden (Figura 13)
5) Se dispondrán 6 estructuras, 5 de las cuales
tendrán 2 filas de pallet ball para
garantizar una adecuada mitigación de las olas, que permita una transmisión de
energía del orden del 60%. La
estructura restante estará en la zona del cadenamiento 0+190 a 0+240 con 3
filas de pallet ball. Esto debido a que al ser la zona actualmente mas
castigada por la erosión, y con mayor pendiente, una tercera fila además de
conseguir la mitigación del oleaje deseada, garantiza la rotura de las olas
antes de llegar a la carretera (Figuras
14 y 15).
7
REFERENCIAS
Referencia 1
Shore Protection Manual. Departament of the Army, USA, 1984, Capítulo 7,
Structural Design, Physical Factors.
Referencia 2
Port Engineering. Per Brunn. Capítulo 3. Breakwaters, Jetties and Piers. USA 1981
Referencia 3
"Detached Breakwaters for Shore
Protection". Coastal
Engineering Research Center. USA 1986
Referencia 4
“Recomendation for Reef Ball Submerged Breakwater
with Beach, Safety, Aesthetic and Biological Enhancement.” paper from Lee E. Harris, Ph. D., P.E., Florida
Institute of Technology, 2002
Referencia
5
Report on “Beach stabilization alternatives for
Caribean Island” Lee E.
Harris, Ph. D., P.E., Florida Institute of Technology, 2002