Restablecimiento de la estabilidad del puente 3, afectada por el invierno de 2017
EN LA SEGUNDA CALZADA DE LA VÍA AL LLANO
Sergio Redondo Tilano1 Carlos Rodríguez Amaya2
1. Introducción
Existe amplio consenso en Colombia sobre la complejidad actual de la hidroclimatología del país. El clima nacional y, por ende, todos los elementos relacionados con este, se encuentran influenciados por diversos factores: las corrientes de vientos y marea que provienen de los océanos Pacífico y Atlántico, mediante las cuales se da origen a eventos como el Chorro del Chocó, la relevancia climática de la cuenca hidrográfica del río Amazonas, al igual que la del río Orinoco, el régimen climático de la cordillera de los Andes, la ubicación del país en la zona de convergencia intertropical (ZCIT) y la ocurrencia de eventos macroclimáticos periódicos, de los cuales el más importante es el ENSO, por sus siglas en inglés: El Niño/La Niña-Southern Oscillation (Poveda, 2004). Todo lo anterior genera posiblemente una de las dinámicas climáticas más complejas en el mundo, lo cual hace muy difícil la implementación de métodos estándar de predicción climática e hidrológica con resultados exactos.
Los recientes períodos de eventos extremos en el país, como los períodos invernales de 2010 y 2011, atribuidos al fenómeno de La Niña, además de los desastres ambientales y los efectos sobre las poblaciones, han evidenciado la gran vulnerabilidad de la infraestructura de transporte terrestre y el deficiente uso y manejo de las cuencas hidrográficas, en especial en cuanto a las rondas de los ríos.
FIGURA 1.
Río Negro en los alrededores del Puente 3 en riesgo, antes de las avalanchas de la quebrada Naranjal, y los afluentes que inciden en su dinámica. (Fuente: Google Earth, modificado por Hidroconsulta, 2017).
FIGURA 2.
Río Negro alrededor del Puente 3 (K50+870):
a) Acumulación de grandes bloques dentro del cauce, producto de las avalanchas de mayo y junio de 2017, que favorecieron la evolución del cauce hacia su margen izquierda, bajo el viaducto. b) Efecto de la evolución del cauce sobre las pilas 1 y 2, de alto riesgo para la estabilidad del puente. (Hidroconsulta, junio, 2017).
En este artículo se presentan algunos casos que demuestran la vulnerabilidad referida ante la ocurrencia de eventos extremos y cómo esto afecta y compromete drásticamente su integridad; también se examinan las recomendaciones de diseño del Manual de Drenaje del INVIAS (2009), con el fin de contrastarlas con recomendaciones particulares de la firma Hidroconsulta Ltda., basadas en su experiencia; para finalmente revisar los métodos de predicción hidrológica aplicados normalmente y recomendar en consecuencia, con el objetivo de optimizar el funcionamiento de las obras hidráulicas de drenaje.
FIGURA 3.
Vista del talud del lado Bogotá del Puente 3, erosionado y socavado por los flujos de avalancha de junio de 2017 e inestable por movimientos en masa superficiales. (Hidroconsulta, junio, 2017).
El problema de las inundaciones
Las inundaciones son eventos extremos de creciente causados por una alta precipitación, que ocurren a escala de cuenca y con una periodicidad mayor a la anual, que dan lugar al desborde natural de los ríos sobre su planicie de inundación. Las inundaciones son propias de los ríos de llanura, porque presentan velocidades bajas sobre planicies aluviales lo suficientemente amplias para permitir su ocurrencia; por su parte, los ríos de montaña, debido a sus altas pendientes y a que fluyen sobre valles profundos, permiten una rápida evacuación de los flujos de creciente, razón por la cual son más susceptibles a problemas por socavación y deslizamientos.
Por las inundaciones se deteriora en manera grave la infraestructura vial cuando no se provee un adecuado drenaje o simplemente cuando el evento que las genera sobrepasa el adoptado para el diseño. Entre las afectaciones es común encontrar: erosión del terraplén por falta de estructuras de control y de descarga de la escorrentía vial (Figura 1a); colmatación y/o deterioro de obras longitudinales, como cunetas, zanjas de coronación y filtros, debido al arrastre de material fino o a la ocurrencia de deslizamientos (Figura 1b); inundación de tramos viales, debido al paso de agua sobre la rasante (Figura 1c), ocasionado por una capacidad deficiente de las obras de drenaje, o por la inexistencia de estas; taponamiento de alcantarillas por arrastre de sedimentos y/o elementos de gran tamaño, como vegetación o rocas (Figura 1d); socavación local en los apoyos y detrás de las obras (Figura 1e), por un mal direccionamiento de la obra con respecto al cauce o por la evolución natural del río; subsidencia vial por flujos subsuperficiales (Figura 1f); y, problemas de erosión y socavación debidos a las corrientes aledañas a las vías, entre otros. En función de la vulnerabilidad de las obras estos eventos pueden ser asimilados rápidamente y solucionados sus problemas en el corto plazo, o pueden generar consecuencias catastróficas como el rompimiento de la vía o la destrucción de puentes, dejando incomunicadas a las poblaciones asociadas.
Además de lo anterior, existen ocasiones en las que las inundaciones están relacionadas con acciones o intervenciones antrópicas, que propician y aumentan su efecto, o incluso son su causa principal. Entre estas se encuentran: la tala de árboles, la implementación de cultivos que propician la generación de escorrentía, la impermeabilización del suelo y la descarga incontrolada de aguas servidas, entre otros. Merece referencia particular la descarga que se hace de los embalses, cuando encontrándose a su máxima capacidad sobreviene un evento de creciente que compromete su funcionamiento, generando, en ocasiones, caudales incluso mayores que los históricos medidos en la corriente a la que descargan; por esto sus protocolos de operación deben revisarse.
a. Erosión del terraplén vial debido a escorrentía.
Puerto Rey – Montería.
d. Taponamiento de alcantarillas por sedimentos.
Puerto López – Puerto Gaitán.
b. Deterioro de obras longitudinales como cunetas.
Chinchiná – Manizales.
e. Socavación local en los apoyos de las estructuras.
Río Zulia, Puerto León
c. Inundación de tramos viales por paso de agua.
Puerto Rey – Montería.
f. Subsidencia vial debido a drenaje subsuperficial.
Zipaquirá – Bucaramanga.
FIGURA 1. Problemas típicos en carreteras, debidos a eventos de alta precipitación e inundaciones.
Fenómenos naturales
Los fenómenos naturales son inevitables y `democráticos ́, pues afectan a toda la población vulnerable por igual. Como se ha mencionado anteriormente, las lluvias y sus consecuentes inundaciones son los eventos que más comúnmente afectan la integridad de una vía; otros fenómenos que pueden afectarla son los deslizamientos, las ventiscas y los eventos sísmicos.
Es claro que los eventos de precipitación normales o cotidianos, recurrentes en el año, no son los que generan los daños drásticos a la vía; son los eventos extremos, de relativa baja frecuencia, los que causan dichos deterioros.
Ante la innegable realidad del cambio climático, se ha encontrado que en Colombia, aunque las precipitaciones medias no aumentan en general en toda la región, los eventos extremos se han incrementado, es decir, las sequías son más secas y las inundaciones son de mayor magnitud (Costa, 2007). Este aumento en las intensidades de las lluvias y de las crecientes, sumado a una condición hidrológica de saturación precedente, es la principal causa de la ocurrencia de inundaciones que hacen colapsar el sistema de drenaje y afectan negativamente la vía.
Se encuentra entonces que los fenómenos naturales representan el componente de amenaza en la ecuación del riesgo; por su lado, la vulnerabilidad es función de las condiciones locales del sistema amenazado, bien sea una población, una obra o un ecosistema en general. (Díaz-
Granados, 2011), de tal manera que los esfuerzos en diseño deben estar encaminados a disminuir la vulnerabilidad de las obras del sistema de drenaje, para disminuir el riesgo general presente en la infraestructura vial y otro tipo de obras relacionadas con esta.
Análisis Hidrólogico
En ingeniería, el análisis hidrológico cumple la función de determinar, con base en las condiciones morfométricas, climatológicas e hidrométricas de la cuenca, los caudales de diseño para las obras de drenaje. De esta manera, existen múltiples componentes y parámetros que determinan las magnitudes de los caudales de diseño: la intensidad de la precipitación; la estratigrafía y la cobertura del suelo, y su condición de humedad; el período de retorno escogido para la obra; y, los valores hidroclimatológicos para el ajuste estadístico, así como el tipo de ajuste realizado. El compromiso del diseñador es el de plantear las obras de drenaje para tener un mínimo riesgo ante la ocurrencia de eventos de creciente.
En el ámbito colombiano es común utilizar como referencia para seleccionar los parámetros de diseño de infraestructura de drenaje vial el Manual de Drenaje del INVIAS (2009), en el cual se presentan recomendaciones para todo tipo de obras de drenaje, hechas para las condiciones climáticas colombianas con base en la experiencia de la entidad. No obstante, las condiciones y recomendaciones en él contenidas no consideran el cambio climático ni este es referenciado en el documento.
Como se ha justificado previamente, se hace necesario tener en cuenta la influencia del cambio climático en la hidrología colombiana, con el fin de reducir la vulnerabilidad de las obras de drenaje y, por ende, de la infraestructura del país. Hidroconsulta Ltda., vinculada desde hace más de quince años a la mayoría de las concesiones viales en los aspectos hidráulicos y de drenaje (Hidroconsulta 1998, 2001, 2001a, 2006, 2007, 2008, 2009a, 2009b, 2009c, 2009d, 2009e), con base en la observación y el análisis de los fenómenos de inundación recientes, presenta a continuación una serie de recomendaciones de diseño de obras, tendientes a disminuir la vulnerabilidad del sistema, para darle mayor estabilidad a la vía al favorecer el adecuado manejo de las aguas de escorrentía.
Recomendaciones para el diseño hidrológico
Sin duda, una de las principales acciones a tomar para reducir la vulnerabilidad de la infraestructura de transporte es seleccionar las obras para una mayor capacidad hidráulica. Esto se logra mediante la utilización de métodos, ajustes a los métodos de uso actual o modificación en los criterios de diseño, que permitan obtener caudales de diseño de mayor magnitud.
En cuanto a la frecuencia de los eventos que se adoptan para diseño, Hidroconsulta propone que cuando se trate de obras determinantes para la transitabilidad de la vía: alcantarillas mayores, puentes y pontones, se aumenten los períodos de recurrencia actualmente utilizados en su diseño, de la manera como, como se muestra en la Tabla 1, en la cual, con base en la ecuación del riesgo: R=1-(1-1/TR)^N, se contrastan las valores del riesgo hidrológico que se obtiene con las recomendaciones del Manual de INVIAS (2009) y las que se proponen en este artículo.
Es evidente que se da una reducción del riesgo de 8,3% en: alcantarillas con dimensiones mayores a 0,9m, en las cuales se incluye casi cualquier tipo de alcantarilla cajón; en los puentes con luz menor a 10m la reducción es de 24,3%; en los puentes con luz entre 10 y 50m la reducción es de 17,5%; y en los puentes con luz mayor a 50m la reducción es de 10,4%. Para los demás tipos de obra no se ha sugerido un aumento del periodo de retorno de diseño, pues se considera que su deterioro o daño no es impedimento para dar continuidad al tráfico en la vía.
Una segunda recomendación para reducir la vulnerabilidad de las obras de drenaje basada en el tipo de datos escogidos para realizar el ajuste de distribuciones de probabilidad de la serie de tiempo de caudales de N años, disponible. Generalmente, para determinar el caudal máximo de un determinado período de retorno, los datos registrados en la estación se ajustan a una distribución de probabilidad y se extrapola dicha distribución para períodos mayores a los del registro. Porque los datos de entrada de la distribución deben ser independientes entre sí, es común utilizar los valores máximos anuales; esto es, el mayor valor de cada año de la serie de tiempo. En cambio, se sugiere incluir un segundo análisis sobre los datos del registro, utilizando para ello los N valores máximos o máximos de excedencia, y seleccionar para diseño el mayor valor de caudal entre los generados por las dos distribuciones referidas: máximos anuales y máximos de excedencia.
Un ejemplo de esta recomendación se presenta en la Figura 2, para los datos de caudales máximos mensuales de la estación limnigráfica Santa Ana en el brazo de Mompós. Es claro que la función de tendencia de máximos anuales presenta una pendiente mayor que la de los máximos de excedencia, debido a que los primeros tienen mayor desviación. El punto de convergencia que se observa en la figura corresponde al caudal máximo del registro, ubicado en la abscisa del número de años de la serie. De esta manera, la recomendación consiste en que para la selección de obras de período de retorno menor a la longitud del registro se tomen los valores de la predicción con base en los máximos de excedencia y para las de periodos de retorno mayores los de la predicción con los máximos anuales. Así se asegura que la obra diseñada es capaz de drenar los caudales máximos probables que ocurren en la cuenca, para el periodo de retorno considerado como apropiado para su diseño.
Una tercera recomendación de diseño hidrológico es estimar los valores de escorrentía sobre la base de una condición saturada del suelo, lo cual es una realidad en épocas prolongadas de altas precipitaciones, como las ocurridas en Colombia durante los períodos invernales de 2010 y 2011.
Finalmente, se presentan recomendaciones adicionales, las cuales no hacen parte de las metodologías de estimación de caudales de diseño, sino del aspecto constructivo del proyecto, pero que se formulan para garantizar la estabilidad de la vía y prolongar su vida útil:
Recomendaciones para el diseño hidrológico
- Realizar un mantenimiento periódico de las estructuras de drenaje sobre la base de un inventario detallado y sistemático, como mínimo anualmente, para así poder tomar acciones correctivas y preventivas ante cualquier problema que se presente y que pueda afectar la estructura de vía.
- Preferir el uso de alcantarillas de cajón de 1m x 1m sobre alcantarillas circulares, debido a su gran estabilidad contra las cargas vivas de las vías, su poco requerimiento de recubrimiento superior, la poca propensión a la colmatación u obstrucción, y su facilidad de mantenimiento.
- Exigir siempre la construcción de cárcamos o alcantarillas en las vías de acceso (entrada o salida) a municipios, veredas o propiedades privadas, para facilitar el intercambio de agua en estas vías y evitar su acción a manera de dique, la cual puede deteriorar fácilmente el terraplén de la vía principal.
- Imponer la implementación de estructuras de entrega, tipo disipadores de energía, para todo tipo de cunetas y canales longitudinales, para evitar la erosión en los taludes o el deterioro de los terraplenes.
- Diseñar y construir los encoles y los descoles de las alcantarillas, sin aletas, adosados al terraplén de la vía, para proveer una protección directa del talud y suprimir el problema de socavación por detrás de las aletas.
- Demandar la revisión y actualización de los protocolos de operación de los grandes embalses, que permitan mitigar el impacto de sus descargas extraordinarias sobre la corriente afectada, durante los períodos invernales.
- En casos extremos, complementar la capacidad hidráulica de las obras con badems, permitiendo el paso temporal de agua sobre la calzada, en sitios muy críticos de inundaciones (Ej: La depresión Momposina).
Figura 2. Análisis de ajustes de distribuciones de probabilidad con datos de diferentes tipologías provenientes de un mismo registro. Hidroconsulta, 2011.
Una tercera recomendación de diseño hidrológico es estimar los valores de escorrentía sobre la base de una condición saturada del suelo, lo cual es una realidad en épocas prolongadas de altas precipitaciones, como las ocurridas en Colombia durante los períodos invernales de 2010 y 2011.
Finalmente, se presentan recomendaciones adicionales, las cuales no hacen parte de las metodologías de estimación de caudales de diseño, sino del aspecto constructivo del proyecto, pero que se formulan para garantizar la estabilidad de la vía y prolongar su vida útil:
Realizar un mantenimiento periódico de las estructuras de drenaje sobre la base de un inventario detallado y sistemático, como mínimo anualmente, para así poder tomar acciones correctivas y preventivas ante cualquier problema que se presente y que pueda afectar la estructura de vía.
Preferir el uso de alcantarillas de cajón de 1m x 1m sobre alcantarillas circulares, debido a su gran estabilidad contra las cargas vivas de las vías, su poco requerimiento de recubrimiento superior, la poca propensión a la colmatación u obstrucción, y su facilidad de mantenimiento.
Exigir siempre la construcción de cárcamos o alcantarillas en las vías de acceso (entrada o salida) a municipios, veredas o propiedades privadas, para facilitar el intercambio de agua en estas vías y evitar su acción a manera de dique, la cual puede deteriorar fácilmente el terraplén de la vía principal.
Imponer la implementación de estructuras de entrega, tipo disipadores de energía, para todo tipo de cunetas y canales longitudinales, para evitar la erosión en los taludes o el deterioro de los terraplenes.
Diseñar y construir los encoles y los descoles de las alcantarillas, sin aletas, adosados al terraplén de la vía, para proveer una protección directa del talud y suprimir el problema de socavación por detrás de las aletas.
Demandar la revisión y actualización de los protocolos de operación de los grandes embalses, que permitan mitigar el impacto de sus descargas extraordinarias sobre la corriente afectada, durante los períodos invernales.
En casos extremos, complementar la capacidad hidráulica de las obras con badems, permitiendo el paso temporal de agua sobre la calzada, en sitios muy críticos de inundaciones (Ej: La depresión Momposina).
Conclusiones
“…los ríos merecen nuestro respeto, pero también toda nuestra capacidad de ingenieros”. (Leopold, 1997).
Esta frase prácticamente resume este artículo; en ella, Leopold indica la realidad de las obras de drenaje y de todo tipo de obras propensas a los efectos de inundaciones: no es posible luchar contra la naturaleza ni mucho menos contrarrestar sus efectos, o lo que es lo mismo, en la ecuación del riesgo no es posible reducir la amenaza; en vez de ello, es deber del ingeniero y de las autoridades competentes, reducir la vulnerabilidad de la infraestructura, como la mejor opción para disminuir el riesgo.
En este artículo se han presentado recomendaciones tendientes a mitigar el riesgo hidrológico, disminuyendo la vulnerabilidad de las obras mediante el aumento de su capacidad y la mejora de su estabilidad. Estas recomendaciones, que tienen como propósito procurar una mayor vida útil a las vías, prestar un mejor servicio y garantizar condiciones dignas de infraestructura a las poblaciones, incluso en épocas de crecientes e inundaciones, están abiertas para revisión, discusión y comentarios.