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      /  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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. ANEXOS

 

8.1 GRANULOMETRICA


 

 

8.2 FIGURAS DE REFERENCIA.