La escollera se la ha llevado el agua ¿Por qué?

La escollera se la ha llevado el agua ¿Por qué?

Planteamiento de la problemática existente

En Murcia, en la zona de cabecera de la rambla de Espinardo, a su paso por el Campus Universitario, existe un tramo que sufre problemas de erosión. Estos problemas comienzan a manifestarse al inicio del citado tramo, que tiene alineación recta en planta, y que presenta socavaciones en el lado de aguas abajo de las vigas riostras transversales que se han dispuesto, cada cierta distancia, con la finalidad de corregir la pendiente longitudinal del cauce.

Fotografía 1. Socavaciones en el lado de aguas abajo de las vigas riostras transversales

Pero la manifestación más evidente de la erosión se produce tras el cambio de pendiente del lecho, que da paso a una rápida, y que se decidió cubrir con un manto de escollera tomada con un hormigón pobre. En las fotografías siguientes se aprecia como han quedado al descubierto zonas importantes de la rápida, y como se ha movilizado la escollera del manto, produciéndose una migración hacia aguas abajo de los bloques conforme se han ido desprendiendo, durante los distintos episodios de lluvias intensas que han tenido lugar en los últimos años.

Fotografía 2. Erosión en rápida con desprendimiento de bloques de escollera

Tras un reconocimiento en campo se ha podido comprobar que una fracción importante de la escollera que se ha desprendido de la rápida y del cuenco, y que se encuentra depositada en la zona del lecho aguas abajo, tiene un tamaño medio característico de unos 30 cm. Incluso se ha llegado a medir algún bloque de escollera desprendido con un tamaño próximo a los 60 cm, tal y como se muestra seguidamente.

Fotografía 3. Mediciones del tamaño de los bloques de la escollera desprendida

En este post se realiza un análisis hidráulico para averiguar la causa del desprendimiento de los bloques de escollera, y se realiza una propuesta de una nueva escollera con la finalidad de que no se la lleve el agua en los próximos episodios de lluvias intensas.

Variables hidráulicas calculadas para diferentes caudales

Se han realizado varias simulaciones con el programa de cálculo hidráulico bidimensional Iber y se han obtenido los siguientes valores de las variables hidráulicas características en una sección de la rápida, tal y como se muestra en la tabla e imagen siguientes:

Tabla 1. Variables hidráulicas características obtenidas en función del caudal circulante por la rambla en una sección de la rápida

Figura 1. Velocidad y diámetro crítico en una sección de la rápida

A la vista de los resultados anteriores, y puesto que se han localizado bloques de escollera que se han desprendido del manto con un tamaño de unos 60 cm, se puede considerar que por este tramo de rambla han podido circular caudales superiores a 10 m³/s, ya que para este caudal el diámetro crítico que se obtiene es de 52 cm, en la sección transversal analizada.

Si finalmente se decide diseñar para un caudal de 20 m³/s, el diámetro crítico sería de 75 cm. Y si se representa un perfil longitudinal se tiene que tanto la velocidad como el diámetro crítico son máximos en esa zona de la rápida, justo donde se ha producido la erosión en la realidad, tal y como se muestra a continuación.

Figura 2. Velocidad y diámetro crítico a lo largo de un perfil longitudinal de la rambla para un caudal de 20 m³/s

Propuesta de una nueva escollera para la reparación

La fórmula propuesta por Maynord et al. (1987) permite realizar una estimación del diámetro característico de la escollera con el objeto de que no sufra arrastre. La fórmula es válida para elementos con continuidad longitudinal y del lado de la seguridad para protecciones continuas o mantos continuos. Contempla el mecanismo de fallo por arrastre de la escollera por el flujo. Dicha fórmula tiene la siguiente expresión general:

Siendo:

D₃₀ = diámetro de la escollera para el que el 30% de la muestra (en peso) es inferior (m)

y = calado medio en la sección sobre la escollera (m)

γ = peso específico del agua (kN/m³)

γ_s = peso específico de la escollera (kN/m³)

v = velocidad media en la sección sobre la escollera (m/s)

g = aceleración de la gravedad (9,81 m/s²)

El coeficiente de valor 1,2 se corresponde con el factor de seguridad del diseño y el coeficiente de valor 0,3 se corresponde con la condición de inicio de movimiento de las partículas.

Como se ha podido comprobar anteriormente, para un caudal de diseño de 20 m³/s, el calado es de 0,38 m y la velocidad es de 5,14 m/s. Con estos datos, la fórmula de Maynord proporciona el siguiente valor para el D₃₀:

Para obtener el peso característico “P” asociado al tamaño de escollera D₃₀ se puede aproximar la forma de la escollera a un elipsoide, cuyos ejes deben cumplir la condición:

Siendo:

(a + b)/(2*c) = índice de planaridad,

a = eje mayor del elipsoide,

b y c = ejes menores, siendo c < b, y por lo tanto “b” es la dimensión del elemento de escollera que determina el paso por el tamiz.

Esta condición pretende evitar la presencia de elementos planos en la escollera.

Si b = 0,85 m, entonces a = (3/2)*b = 1,28 m y c = (5/8)*b = 0,53 m, cumpliendo que el índice de planaridad no supera el valor de 2.

El volumen del elipsoide sería:

Y el peso característico del tamaño D₃₀ sería:

A continuación se define un huso granulométrico comprendido entre una curva granulométrica mínima y una curva granulométrica máxima y se propone una curva granulométrica comprendida en dicho huso para la nueva escollera, tal y como se observa en la tabla siguiente:

Tabla 2. Huso granulométrico definido por una curva mínima y una curva máxima. Curva granulométrica propuesta para la nueva escollera de protección

Y en forma de gráfico, la curva granulométrica propuesta sería:

Gráfico 1. Huso granulométrico y curva granulométrica de la nueva escollera de protección

La escollera propuesta para reparar el tramo de rápida de la rambla tendría la siguiente distribución de pesos y tamaños:

Tabla 3. Curva granulométrica propuesta para la nueva escollera de protección

En cuanto al espesor, para garantizar el correcto funcionamiento de la protección, se recomienda de 2*D₃₀ = 2*0,85 = 1,70 m ó 1,5*D₅₀ = 1,5*0,97 = 1,46 m. Por lo tanto, se podría colocar un espesor mínimo de escollera de 1,70 m.

La distribución granulométrica debe tener una varianza σ² comprendida entre 1,7 y 5,2. Haciendo uso del parámetro adimensional D₈₄/D₁₆ como medida de dispersión, también conocido como varianza granulométrica, se tiene:

σ² = D₈₄/D₁₆ = 1,15/0,68 = 1,7