EN LA SEGUNDA CALZADA DE LA VÍA AL LLANO:
Restablecimiento de la estabilidad del puente 3, afectada por el invierno de 2017
Carlos Rodríguez A., Ph.D.1 Manuel García L., Msc.2, Zulma Pardo X., Magister3, Nelson Hernán Leyton4, Weimar García X., Magister. 5
1. Gerente Técnico, Hidroconsulta SAS. 2. Gerente Técnico, IGL. 3. Gerente ZJ Ingenieros.
4. Ingeniero de Diseños, Hidroconsulta SAS. 5. Ingeniero de Diseños, IGL.
Introducción
Alrededor de la abscisa K50+870, de la carretera Bogotá-Villavicencio, se localiza el Puente 3, o viaducto, el cual fue construido en un tramo rectilíneo del río a lo largo de su margen izquierda, misma a la cual drena la quebrada Naranjal (K50+350). Con ocasión de las precipitaciones de alta intensidad y de gran magnitud ocurridas en la región durante mayo de 2017, el día 13 de ese mes ocurrió una avalancha a lo largo del cauce de la quebrada, con flujos de gran energía, alta viscosidad y transporte de sedimentos granulares y grandes bloques, que arrasaron el puente sobre esta y afectaron parcialmente el puente vehicular de la vía antigua; las precipitaciones en el sector fueron igualmente intensas y de magnitud durante el mes de junio de 2017. El material transportado por esa avalancha se depositó parcialmente en el río Negro, dada su menor pendiente, generando, por lo tanto, una transformación morfológica imprevisible, favorecida, además, por el transporte de bloques y sedimentos de la quebrada afluente de la margen derecha frente al viaducto (Figura 1).
Como consecuencia, el otrora sector rectilíneo del río frente al viaducto tuvo una notable evolución del cauce por su margen izquierda hacia la base del denominado Puente 3 de la vía nueva, amenazando su estabilidad, al haber denudado los caisson de la cimentación de las pilas 1 y 2 (Figura 2).
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).
Efecto adicional de la avalancha descrita fue la pérdida de material del talud izquierdo próximo al estribo de aguas arriba del puente, como se aprecia asimismo en la Figura 3.
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).
Para atender la emergencia, analizar sus causas y sus efectos, y estudiar y diseñar las obras necesarias para el restablecimiento de las condiciones de estabilidad de la estructura misma, y de control y manejo de la evolución del río Negro en el sector, se conformó un grupo interdisciplinario de especialistas en geotecnia, estructuras e hidráulica, de las firmas: Ingeniería y Geotecnia S.A.S., ZJ Ingenieros Estructurales Ltda. e Hidroconsulta S.A.S., respectivamente, con los resultados que se describen a continuación.
Recomendaciones iniciales, de urgencia
Como resultado de las observaciones de campo efectuadas por el grupo de especialistas pocos días después de la emergencia sobre el Puente 3, se recomendó para ejecución inmediata lo siguiente:
Descargar material granular grueso desde el viaducto mismo hacia el cauce del río, para que los flujos lo transporten, en lugar de que estos erosionen y socaven aún más el talud izquierdo alrededor de la cimentación del viaducto.
Conformar, con material del río Negro, un espolón direccional sobre la margen izquierda del río, aguas arriba del sitio del puente, para el desvío de los flujos hacia el centro del cauce.
Realizar el manejo de la escorrentía de la vía, que descarga directa y libremente en el talud izquierdo del cauce.
Conformar diques transversales en el cauce de la quebrada afluente por la margen derecha.
Trasladar hacia la margen izquierda del río frente al viaducto, los grandes bloques ubicados en el cauce a lo largo de su margen derecha, para conformar un dique- jarillón y un enrocado de protección en la base de los apoyos del viaducto.
Las recomendaciones 1 y 2 anteriores fueron aplicadas de inmediato por el Concesionario, con importante beneficio para la estabilidad del viaducto.
SOLUCIÓN A LA INESTABILIDAD POTENCIAL DEL PUENTE
Los siguientes tres elementos, que se detallan posteriormente, fueron indispensables para contrarrestar la inestabilidad potencial del Puente 3:
1) Restituir para los caisson de cimentación del Puente 3 las condiciones iniciales de fricción para su estabilidad, mediante una estructura de confinamiento;
2) Proteger los taludes próximos a las pilas del puente contra erosión e inestabilidad, tanto el que soporta el estribo Bogotá del puente 3 como el existente entre las pilas 1 y 2;
3) Restablecer el cauce del río Negro a la condición rectilínea previa a las avalanchas que pusieron en alto riesgo la estabilidad del puente.
Estructura de confinamiento de los caisson.
La pérdida de confinamiento de los caisson, ocasionada por la erosión y la socavación generadas por los flujos de creciente a su alrededor, reduce ostensiblemente la capacidad por fricción de los caisson, por el aumento de la esbeltez, los hace susceptibles de falla estructural por flexión o por capacidad, generando sobreesfuerzos indeseables en la cimentación completa de cada pila del puente vehicular, objeto de estudio.
La solución estructural consistió esencialmente en muros tipo cajón para cada pila (Figura 4), anclados, de 11,75m y 8,85m, respectivamente; los vástagos de los muros iniciaban 3.00m por debajo del nivel superior del cabezal de los caisson. Cada cimentación trabaja de forma independiente de la fundación actual del puente vehicular y se reconforma así el confinamiento de los caisson. Estas estructuras fueron cimentadas de manera adecuada y ancladas al talud, para garantizar su estabilidad. La reconformación del relleno de confinamiento se realizó con material de subbase granular tipo 1 (SBG1), compactado al 90% del Proctor Modificado.
FIGURA 4. Solución para el confinamiento de los caisson: a) Esquema en planta. b) muro de encamisado, la cimentación del muro en viga “T” de ciclópeo y el relleno para presión pasiva. (Hidroconsulta-IGL, 2017).
La estabilidad de la estructura se revisó considerando un muro en voladizo para la primera etapa de construcción, cuando no se ha anclado ningún cable; posteriormente, el sistema es estable porque cada anclaje se realiza de acuerdo con el avance del proceso constructivo, establecido con cuatro etapas para el muro alto y tres para el de menor altura, cuyos detalles se incluyen en el informe técnico de diseño y en los planos para construcción respectivos.
Desde el punto de vista estructural, el vástago, la zapata y las aletas son de sección variable, con el fin de reducir los espesores y optimizar el diseño. Las aletas están apoyadas en el vástago y parcialmente en la zapata, y son de longitudes variables de acuerdo con la topografía. Los muros presentan un relleno pasivo de cara al río, con lo cual se redujo el número de anclajes y los espesores del muro, en general. Este relleno, se construyó en la etapa 1, para garantizar la estabilidad del sistema propuesto.
La cimentación de la estructura de confinamiento se hace sobre el relleno de material suelto depositado alrededor de los caisson durante las primeras gestiones de atención de la emergencia, el cual fue ampliado hasta alcanzar un ancho mínimo de 12 m, especialmente en las zonas de las pilas 1 y 2 del puente (HIDROCONSULTA, IGL Y ZJ INGENIEROS, 2017). Sobre el relleno así mejorado, se construyó una viga “T” de concreto ciclópeo, de seis metros de ancho por dos metros de altura (Figura 5).
Para dar confinamiento lateral a la base del muro cajón y ayudar a soportar los empujes laterales del relleno, se diseñó un terraplén de contrapeso entre la cara exterior del muro y la orilla del río. El terraplén de contrapeso se realizó con material de río, compactado en capas de 50 cm de espesor con mínimo cinco pasadas de un buldócer de gran peso.
FIGURA 5. Esquema de la condición final del sistema de confinamiento lateral de las pilas 1 y 2 del Puente 3: Nótense los micropilotes de consolidación, el relleno de contrapeso, los anclajes y el muro cajón. (Hidroconsulta-IGL, 2017).
Estabilización y protección de los taludes.
Para la protección contra erosión y estabilización de los taludes, tanto el que soporta el estribo Bogotá del Puente 3 como el existente entre las pilas 1 y 2, se implementó un sistema integral compuesto por anclajes activos de 30 ton y 40 ton de carga y 30 m de longitud, recubrimiento con concreto lanzado de 0.1 m de espesor para la protección de la erosión, instalación de dos filas de drenes horizontales, descargue o perfilado de los 5 m superiores del talud en la zona del estribo Bogotá del puente y el mejoramiento del manejo de la escorrentía superficial.
En la zona de influencia del estribo Bogotá (5 m a cada lado del eje del estribo), se instalaron siete filas de anclajes de 40 ton y 35 m de longitud, con separación de 5 m en la horizontal y 3 m en la vertical. En el resto del talud del costado Bogotá se instalaron anclajes de 30 ton de carga y longitud igual a 30 m, formando una retícula de 3 x 3 m. Los anclajes fueron construidos desde la parte superior del talud, descendiendo una vez concluida la fila inmediatamente superior de anclajes.
FIGURA 6. Protección de talud del lado Bogotá del Puente 3. (Hidroconsulta-IGL, 2017).
Entre las Pilas 1 y 2, además de los anclajes de 30 ton y concreto lanzado, se instalaron dos filas de drenes horizontales con longitud de 20 m y separación horizontal de 6 m. Estos drenes se instalaron en el contacto terraza aluvial y lente arcilloso identificado en campo, garantizando el drenaje hasta el nivel del río.
El informe de diseño (HIDROCONSULTA, IGL Y ZJ INGENIEROS, 2017). contiene los detalles de las protecciones de los taludes, cuyo esquema se muestra en la Figura 6. En adición, se restituyó y se ancló al concreto lanzado la estructura de descole de la cuneta de la vía, que fue afectada durante la emergencia.
Control de evolución del río Negro.
La protección de la cimentación de los apoyos 1 y 2 del Puente 3 y la estabilidad de los taludes se complementan con el control de la evolución del río Negro en el sector, mediante la consolidación de la planicie frente al puente, cuyo objetivo es restituir el cauce a la condición anterior a las avalanchas, y la retención de los sedimentos transportados por la quebrada afluente de la margen derecha, frente al Puente 3 (Figura 1). No se consideró necesario reforzar el enrocado colocado en el cauce durante la emergencia, el cual actuó como espolón direccional de los caudales de creciente hacia la margen derecha, con buen efecto. Este espolón se extiende hasta un gran bloque rocoso existente en el lecho del río, el cual sirve, además, para el control de la socavación en su extremo.
Consolidación de la planicie frente a los apoyos del puente. Sobre la planicie de inundación de la margen izquierda, afectada por las avalanchas de mayo y junio de 2017, y restablecida parcialmente por el material arrojado desde el puente durante la emergencia, se construyeron tres espolones invertidos (Figura 7), de sección trapecial, posicionados cada uno frente a los apoyos 1, 2 y 3 del Puente 3; el de más aguas abajo se diseñó y se construyó de menor longitud que los otros. El propósito de los espolones es capturar los sedimentos transportados por las crecientes del río, con el fin de restituir el antiguo playón allí existente (Figura 1); con el tiempo, se establecerá en él vegetación arbustiva de manera natural. Los espolones se establecen como extensión del relleno de contrapeso establecido para proporcionar la necesaria presión pasiva de estabilización de la estructura de confinamiento de los caisson.
FIGURA 7. Esquema de ubicación en planta de las obras para control de la evolución del río hacia la margen izquierda. Hidroconsulta, 2017.
Retención de sedimentos en la quebrada afluente de la margen derecha. Con el fin de disminuir el transporte de bloques que deposita la quebrada sobre la margen derecha del río Negro, los cuales favorecen el desvío de los flujos hacia la margen
izquierda, atacando el talud donde se ubica el viaducto, se diseñaron cuatro diques transversales en ciclópeo, para el río retome un alineamiento rectilíneo y se aleje de la base del talud izquierdo. Los diques diseñados son de 2m de altura, con una ligera batea centrada en la corona para garantizar el paso de los caudales bajos por el centro de cada estructura; los diques están espaciados entre sí cada 12m. El de más aguas abajo se ubica a 20 m de la desembocadura en el río Negro. En la Figura 8 se esquematiza la sección transversal de los diques y un perfil de la quebrada indicando la ubicación de estos.
FIGURA 8. Esquema de diques en concreto ciclópeo para la quebrada afluente sobre la margen derecha. Hidroconsulta, 2017.
Construcción de las obras diseñadas
Las obras descritas en los párrafos anteriores fueron construidas directamente por la Concesionaria Vial de Los Andes, COVIANDES, en un todo de acuerdo con los diseños, excepción hecha de los diques de control de sedimentos en la quebrada afluente del río Negro por su margen derecha, frente al Puente 3, los cuales no fueron instalados.
El efecto de las dos primeras actividades recomendadas para ejecución de emergencia resultó muy positivo, pues impidió un mayor deterioro de la cimentación del puente, que en la etapa inicial del proyecto era susceptible de daño o falla por pérdida de capacidad portante y disminución de la estabilidad respecto a la original. Con estas, se proveyó material al río desde el puente, para que los flujos de creciente lo transportaran, limitando, en consecuencia, la erosión del talud y la mayor socavación local alrededor de los caisson de cimentación. Asimismo, se logró el desvió de los flujos del río hacia el centro del cauce, alejándolos temporalmente de la cimentación del Puente 3, minimizando, por lo tanto, su efecto deletéreo sobre la misma.
Sin lugar a duda, se concluye que el diseño original del Puente 3 de la nueva calzada en el sector careció de un minucioso estudio de geomorfología y dinámica fluvial, con el cual pudiera haberse anticipado la evolución del río Negro, para retomar un terreno antes ocupado por él. Este tipo de estudio es importante y siempre necesario, para evitar que se cumpla lo que alguna vez mencionó un profesor de hidráulica fluvial: “quien no mira el agua bajo el puente, puede llegar a ver el puente bajo el agua”.
La Figuras 9 a 11 muestran algunas fases de la construcción de las obras, en tanto que la Figuras 12 y 13 evidencian el impacto de estas en la recuperación de la estabilidad del puente, restituyendo, además, la seguridad para los usuarios de la vía.
FIGURA 9. Construcción en proceso de una de las estructuras en cajón, de confinamiento de los caisson. Apréciese la condición de la cimentación antes del proceso de reparación de la cimentación.
FIGURA 10. Vistas de las reparaciones en Puente 3: a) Avance de la construcción de la estructura de confinamiento de los caisson.
b) Espolones direccionales en el cauce, ya terminados.
FIGURA 11. a) Desarrollo de los espolones direccionales en el cauce.
b) Pila 2 ya reparada, con la estructura de confinamiento de los caisson.
FIGURA 12. Puente 3: Condición del río Negro y del Puente 3, en agosto de 2021, que demuestran el efecto de las obras de recuperación de su estabilidad. (Hidroconsulta, 2021).
b) Pila 2 ya reparada, con la estructura de confinamiento de los caisson.
FIGURA 13. Puente 3. Condición del sector en septiembre de 2020. Se observa la estabilidad del tramo generado por las obras construidas. (Google Earth, editado por Hidroconsulta, 2021).
Referencia
Reconocimiento
La obra que se reporta en este artículo fue ejecutada por la Concesionaria Vial de Los Andes, COVIANDES. Se reconoce la coordinación general por el ingeniero Jairo Charry Gómez, Gerente Técnico de la Concesionaria, y la dirección y supervisión de la construcción por el ingeniero Luis Hernando Dávila. Se agradece al personal profesional y técnico de las firmas consultoras involucradas en los diseños, por su contribución para el logro alcanzado.
Bogotá, D.C., 28 de noviembre de 2021