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Introducción
El análisis geodinámico para las regeneraciones de las playas, consiste en el estudio e interpretación de los parámetros y fenómenos que tienen que ver con la iteración de la influencia del mar sobre las playas; es decir, analizar los vientos, olas, mareas, corrientes, aplicación e interpretación de teorías oceanográficas, análisis geomorfológico y geológico de las playas, de sedimentos.
Problema
Erosión de la playa debido a la influencia antropogénica.
La intervención del hombre, con la construcción del rompeolas en el Yacht Club de Salinas (YCS), alteró la morfología original del perfil costero del sector, provocando sedimentación en lado del paramento exterior del rompeolas y en el lado interior, alteraciones de la morfología con la erosión de la playa modificando el perfil costero, Figura 1.
Objeto del Estudio y Objetivos
Objeto Del Estudio: Análisis de la playa ubicada entre el Yacht Club y el enrocado de San Lorenzo.
En este tramo se puede observar, que existe alteraciones en el sector protegido de la playa, teniendo aproximadamente en su parte más afectada ausencia del 100% de la berma, lo que ha llevado a las autoridades del cantón a proteger con enrocado de escolleras para evitar la socavación del pie del Malecón por la acción del mar cuando este se encuentra en pleamar Uno de los objetivos del estudio será diseñar una berma que no sea afectada por la acción del mar.
Objetivo General: Regenerar y estabilizar la playa en una longitud de 1500m y 30m de ancho, como superficie no inundable por el mar y proteger la infraestructura en tierra.
La longitud se refiere al desarrollo existente entre el YCS y el primer enrocado de San Lorenzo, y los 30 m. a la regeneración de la berma del Malecón hacia el mar, a una cota tal que el mar no la inunde aún en condiciones extremas de aguaje.
Objetivos Específicos:
Situación actual
Lo que se observa, es la única disponibilidad de playa en el sector de Las Palmeras, playa protegida por el muro del YCS, y que se extiende hasta la calle 24 de Mayo, desarrollándose en forma triangular.
A partir de la calle 24 de Mayo hasta la altura de la calle Galápagos (H. Barceló) el mar inunda la playa en su totalidad cuando se encuentra en estado de pleamar, independiente de las condiciones de cuadratura o sicigia.
Materiales y métodos
La metodología se fundamenta en regenerar la playa mediante el procedimiento del Dragado y Relleno Hidráulico, así como se menciona a continuación:
Dragado de los sedimentos mar afuera, con la utilización de una Draga de Succión en Marcha.
Relleno Hidráulico de la playa, vertiendo el material que trae la draga, por medio de tuberías flotantes y terrestres en el área intermareal.
Diseño Geométrico.- Esta en función de los elementos que actúan en la iteracción geodinámica entre el mar y la playa, para ello se define los siguientes parámetros:
Definir la Teoría de Onda.
Definir el lugar de la rompiente de la ola
Definir la sobre elevación del agua después de romper la ola.
Definición de la teoría de onda. Según R Narayanan (1989), para todo análisis de ingeniería de costa, lo primero que hay que definir es cuál teoría de onda que va a regular el análisis matemático a seguir.
Según Komar (1976), en aguas profundas la teoría lineal (senoidal) es aplicable siempre y cuando la inclinación de la onda (H/L) sea :
H/L < 1/16 tanh(kd) (1)
Donde:
H |
altura de la ola |
L |
longitud de la ola |
k |
2π/L número de onda |
d |
profundidad con respecto al nivel medio del mar |
tanh |
tangente hiperbólica. |
Para aguas profundas L = Lo |
donde Lo = g T²/2π y T es el periodo de la ola. |
Aplicación:
Para definir H la altura de diseño de la ola, cabe mencionar que muchos estudios realizados por , profesionales como Allauca y Cardin(1987), Sanchez (1991), Villacrés (1991), Vera (2002), etc, dedicados a los estudios oceanográficos, han definido varias alturas de diseño, que varían entre 1,5m, 2,0m a 3,16m.
Con respecto al valor de 3,16m de altura de ola determinado por la ESPOL (2004) con el método Grafico de Drapper, es un valor casi coincidente con 3,11m ola medida por el mareógrafo de la Libertad con el Niño 1997-98, y con la alerta de Villacrés (1991) con respecto a los vientos y dice que “En la Península los vientos han alcanzado 13,7m/s” que equivalen a 47m/s, información que cruzada con la Tabla 1 de la NGPS Nautica de Argentina, nos indica que pueden producirse olas de 3,0 a 4,0m, por tal razón se definió 3,11m como ola de diseño máxima.
Por lo tanto, se calculará la relación H/L, para alturas de 1,5m, 2,0m y 3,11m. Con la ayuda de la hoja electrónica Tabla 2 siguiente, se calcula la relación de la desigualdad antes indicada, y nos damos cuenta que se cumple la desigualdad y determina que estamos inmersos en el rango lineal de ondas.
Cabe mencionar que el valor de d = 20m, es considerado para mar de leva o de aguas profundas; los valores de T referente al periodo, son tomados en función a lo indicado por Allauca y Cardin (1987), en el sentido de que en condiciones normales las olas frente a nuestras costas tienen características de mar de leva, con periodos medios de 16 a 22 seg.
Definición del lugar de rompimiento de la ola.
Determinado el campo de acción del campo de onda, se calcula el sitio de rompimiento de la ola Tabla 3, para lo cual Narayanan y McCowan (1989), coinciden en que en aguas poco profundas el perfil de la ola se aproxima al de una ola solitaria y esto ocurre según la SPM ARMY cuando:
Hb = 0,78 db (2)
Cálculo de la sobre elevación del agua después del rompimiento Run-up.
La sobre elevación (Figura 2) es según Narayanan (1989), como la altura vertical por encima del nivel de agua en reposo, y está relacionada con la altura de la ola en condiciones de mar de leva, de acuerdo a la siguiente expresión:
El índice o indica la condición de aguas profundas; Ru es la sobre elevación Figura 2; tang β Talud del paramento de un muro relacionada con la pendiente hipotética.
Fuente: Google sobreelevacion de olas Ru
Fig. 2 Sobre elevación Ru del mar en una playa, después del rompimiento de la ola.
Para la aplicación de la fórmula (3), calculamos los nuevos parámetro del mar de leva, considerando un T= 15,5 seg, y d = 12seg., y con la ayuda de la Fig. 3 obtenemos Lo = 159m.
Fuente: R. Narayanan, 1989.
Fig. 3 Periodo de la onda como una función de la longitud de onda y la profundidad.
Y con la ayuda de la Figura 4 entrando con d/Lo = 12/159 = 0,08 obtenemos H/Ho = 0,94 de donde deducimos Ho = 1,5/0,94= 1,60m.
Obtenidos los valores de Lo y Ho reemplazamos en la fórmula (3), y complementariamente nos valemos del perfil de la sección de la playa Figura 5 para determinar la distancia X de las Tablas 4, Tabla 5 y Tabla 6 que corresponderá a la distancia entre el sitio de la rompiente y el inicio de la berma.
Fuente: Autores.
Fig. 5 Eje G, Calle Rafael de la Cuadra Alvarado, Distancia entre la rompiente y el inicio de la berma.
Tabla 6 Cálculo del Ru para el perfil T Primer Callejón Ref. Hotel Barcelo Miramar, para olas T=15,5 Y d=12m.
Análisis de Resultados:
Se desprende del cuadro de cálculo del Perfil G, que la cota 4,30 MWLS supuesta es insuficiente, puesto que, con la marea de 2,70m y ola de 3,11m el mar inundará la berma, por lo que habrá que incrementar la cota a 4,50 MWLS.
Con respecto al cuadro del Perfil M, la diferencia de cota es positiva, lo que significa que el mar no inundará la berma cuando se presente la marea más alta de 2,70m. con la ola de 3,11m., por lo que no necesitará incremento de relleno.
Con relación al cuadro del Perfil T, el mar inundará la berma y la sobrepasará en 3cm, por lo que habrá que incrementar la cota a 4,60m MWLS
Con las condiciones de relleno antes mencionadas, tendremos una playa libre de agua, en anchos variables según la marea y ola que se presente aún en las condiciones más críticas de aguajes, como se indica en la Tabla 7
Elementos geo-estructurales de confinamiento.
Las geo-estructuras son estructuras flexibles en forma de tubo hachas con geotextil tejido de alta resistencia, su sección transversal tiene la forma oval y el diámetro y longitud son establecidos de acuerdo a los requerimientos de cada proyecto.
El geotextil de alto módulo está diseñado para retener partículas de suelo y permitir la salida de agua, además presentan una permeabilidad suficiente para aliviar el exceso de la presión de agua; resisten la fuerza de abrasión durante las operaciones de llenado; resisten al punzonamiento y al rasgado. La Figura 6 ilustra la posición de los geotubos paralelos a la costa.
Cabe mencionar que para el desarrollo y cálculo de estabilidad interna de los elementos geoestructurales se contó con el asesoramiento de Geosistemas PAVCO, una empresa Mexichem de Colombia. Para determinar los esfuerzos máximos internos de la geo-estructura, se realizó una modelación matemática de los esfuerzos internos esperados tanto en condiciones de llenado como en condición final de trabajo, mediante el software Geo-synthetic Confined Pressurized Slurry GEOCOPS versión 3.0, y a continuación se obtuvo los siguientes resultados, para un geotubo de h = 2,0m (figura 7).
Datos ingresados al software:
Densidad seca del Slurry d = 2 g/cm3
Circunferencia del tubo C = 14.72 m
Esfuerzo circunferencial Tcir = 10.70 kN/m
Esfuerzo axial Tax= 8.70kN/m
Altura total del Geo-tubo H = 2.0m
Ancho total del Geo-tubo W = 6.39m
Base de contacto ancho geo-tubo B= 5.27m
Sección geo-tubo A = 11.02m3/m
Volumen arena geo-tubo V = 11.02m3/m
Relación área/ volumen R = 1.334m2/m3
Presión en la base = 4.094 (de agua)
Resistencia circunferencial requerida Trcir = 53.52kN/m
Resistencia axial requerida Trax = 43.50 kN/m
Peso por metro lineal P = 29,8T/m
Máximo esfuerzo axial 9 kN/m
Máximo esfuerzo circunferencial 11 kN/m
Para un getubo de H = 1,60m se obtuvo los siguientes resultados. Con una sección ovoide similar al de la Figura 7 pero de menor dimensión
Densidad seca del Slurry d = 2 g/cm3
Circunferencia del tubo C = 9.2 m
circunferencial Tcir = 9.20 kN/m
Esfuerzo axial Tax= 7.90 kN/m
Altura total del Geo-tubo H = 1.6 m
Ancho total del Geo-tubo W = 3.80 m
Base de contacto ancho geo-tubo B= 2.85 m
Sección geo-tubo A = 5.13 m2/m 79.19% lleno
Volumen arena geo-tubo V = 5.13 m3/m
Relación área/ volumen R = 1.793 m2/m3
Presión en la base = 3.41 (de agua)
Resistencia circunferencial requerida Trcir = 39.51 kN/m
Resistencia axial requerida Trax = 29.66 kN/m
Peso por metro lineal P = 13.8 T/m
Máximo esfuerzo axial 6 kN/m
Máx. esfuerzo circunferencial 8 kN/m
Chequeo frente a la estabilidad de la acción del mar. Narayanan R, (1989) sostiene que toda estructura marina, estará sometida a esfuerzos hidrodinámicos complejos, debido a las olas y corrientes, y se resuelven mediante ecuaciones matemáticas que involucran diversos parámetros que tienen que ver con la dinámica del mar, y para ello propone la siguiente expresión:
FD = 0,5CD ρ V² D… (1)
Donde:
D |
Fuerza constante en línea o de arrastre por unidad de longitud de un cilindro bajo el agua. |
CD |
coef. de arrastre, es función del número de Reynolds. |
V |
es la velocidad del agua arriba del cilindro, v es la viscosidad cinemática del fluido. |
ρ |
es el peso específico del agua del mar. D = es el diámetro del cilindro.z |
D = 3.8m, para geo-tubo de H = 1.6m
CD = 1.15
ρ = 1025kg/m³ o 1t/m³
V, la calculamos según G Macdonel (2000), V= √gd , para aguas poco profundas.
g = 9.8m/s²
d = 3 m
V = √9.8 x 3 = 5.4 m/s
Remplazando estos valores en la Fórmula (1), obtenemos FD = 107 t, que dividiendo para la longitud del geo-tubo crítico, (el más pequeño) de 21m y de H= 1.6m, nos da una FD = 5.1T/m, valor que es menor que 13.8 T/m peso del geo-tubo, con lo que podríamos concluir que el peso del geo-tubo es superior a la fuerza de impacto del mar, por lo tanto es estable.
Chequeo de la estabilidad por capacidad carga.
Primer Caso. Geo-tubo de H= 1.6m
Altura H = 1.6m
Base de contacto B= 2.85m
Longitud = 25.0m
Peso x ml P= 13.8Ton/m
Peso esp. Saturado, arena γs = 2.1T/m³ (www.Scribd.com)
Peso esp. Sumergido, γ´ = γs-γw = 2.1-1 = 1.1T/m³. Area de contacto = 2.85m x 25.0m = 71.25m²
Peso total geo-tubo = 13.8T/m x 25.0m = 345T
Presión de contacto qc = 345T / 71.25m² = 4.8T/m²
Capacidad de carga neta R.Peck
qd = 0.5 BγNγ + γDf (Nq - 1)
(Para este caso Df = 0 )
Por lo tanto:
qd = 0.5 BγNγ (2)
Pruebas de SPT realizadas en las playas de Manglaralto, entre el veril 2 y 3 similares a las condiciones de Salinas, N varía de 18 a 24 golpes en las dos primeras capas a una profundidad de 1,5m, de los cuales para obtener una aproximación, consideramos el promedio de N corregido igual a 21.
Con N = 21 obtenemos según la figura de Ralph B Peck (1991) el factor de carga Nγ = 28.
Remplazando en la formula,
qd = 0.5 BγNγ
qd = 0,5 (2,85) (1,1) (28) = 43,89T/m
La capacidad admisible sera:
qad= qd/Fs, Fs= 3 asumido.
qad= 43,89T/m /3 = 14,63T/m
Siendo 14,63T/m > 4,8T/m, nos indica que por capacidad de carga será estable.
Lo que se concluye que la geoestructura es estable.
Según la UESS en el 2010, caracterizó el material del fondo marino existente a una distancia de 2,5millas con respecto al Malecón aproximadamente, como arena fina producto del análisis de alrededor de 60 muestras obtenidas.
La implantacion de diseño se muestra en la Figura 8, en ella se aprecia:
El SYC con sus rompeolas en el sector izquierdo superior al Oeste coordenadas 503000 E, 9756837 N.
El enrocado de San Lorenzo (círculo) que aflora en marea baja, sector derecho al Este, coordenadas 504219.0E, 9756310.0N.
Una franja paralela al Malecón con un ancho de 30m con superficie horizontal a la Cota 4,80 MWLS, representa la berma a rellenar.
Hacia el mar, después de la berma, la zona intermareal de la playa que se rellenará se extendará hasta la ubicación de los geotubos a 120m paralela al paramento del Malecón.
Ubicación de los geotubos 1500m paralelos al Malecón y a 120m de éste, que servirán de muro de confinamiento de la arena producto del relleno hidraulico.
Ubicación de 12 geoespigones de 25m de longitud, colocados cada 100m aproximadamente y perpendiculares a los geotubos paralelos al Malecón.
Un recuadro, cuyo centro geográfico es 503740.0E, 9756315.0N en el que se ejecutará un relleno submarino hasta la cota -4.00 MWLS, que servirá para evitar la resaca en ese sector.
Conclusiones
La playa de San Lorenzo de Salinas, se encuentra en condiciones geodinámica inestables, y con un proceso permanente de carácter erosionable y progresivo, que atenta contra la estabilidad de las últimas obras realizadas en la playa como parte del aspecto de embellecimiento del Malecón, la estabilidad física del Malecón, así como también las edificaciones existentes en la playa, en el tramo comprendido entre las calles Galápagos y la Av. Las Américas.
Las direcciones en que el viento sopla con mayor frecuencia en Salinas son el Suroeste (41,21%) y el Oeste (42,10%). Las calmas representaron un número de Beaufort de 6, y se clasifican como fuertes o brisa fuerte, produciendo grandes olas, crestas rompientes, espuma. y según la escala de la NGPS, Náutica y GPG. Argentina (2010), podremos obtener olas entre 3 y 4m.
Una vez realizado el estudio granulométrico de 29 muestras del fondo marino, INOCAR (2005), se llega a la conclusión de que el material predominante es arena en casi todos los perfiles de muestreo, cuyo porcentaje está comprendido entre el 77.54% y 99.29%.
Las alturas promedio de olas de 1.50m medidas en campo, y de 1.86 m a 4.51m para periodos de retorno de 10años. En función de estos resultados el presente estudio consideró pertinente tomar como las alturas de diseño, olas de 1.50m, 2.0m y 3.11m por ser ésta última real obtenida en El Niño de 1997-1998, con el propósito de analizar el comportamiento del mar después de su rompiente, con diversas amplitudes de mareas y alturas de olas.
El presente análisis, considera regenerar la playa totalmente, porque el efecto erosivo es integral, comenzando desde el SYC hasta el enrocado de San Lorenzo, en una longitud de alrededor de 1500m.
Se prevé extraer el material de relleno de 550000.00m3 de arena ubicado a 2 millas desde el Malecón, con una Draga de succión en marcha, que se encargará de dragar el sedimento hacia su tolva y llevar el material hasta una boya de fondeo cerca de la playa, donde se ensamblará con una tubería flotante y esta a su vez se unirá a la tubería terrestre, para que la Draga bombee el sedimento arenoso a la playa, con una proporción de 20% de sólido y 80% de líquido aproximadamente, desarrollando de esta manera el relleno hidráulico de la playa, Figura 8.
La arena bombeada será confinada mediante la instalación de un geo-tubo tal como lo prevé el diseño, colocado entre los veriles 2 y 3 a una distancia de 120 a 130m desde el pie del Malecón.
Adicionalmente, se instalará geo-espigones, perpendiculares al geo-tubo longitudinal de altura variable y de longitud de 25m, cuya función principal será la interrupción de la corriente longitudinal al pie del geo-tubo principal, para evitar su socavación.
En lo que al geo-tubo se refiere, se ejecutó una modelación del comportamiento interno de la geo- estructura durante el proceso de llenado y una vez finalizada mediante el software Geo-Cops V 3.0. En todos los casos, para una altura de 2.0 y 1.6m, se encontró que se satisface los factores de seguridad con un geo-textil de polipropileno de 75 kN/m (TR4000).
Se debe utilizar una mezcla de arena y agua para el llenado, cuyo procedimiento deberá ser seguido en campo con la asesoría de un profesional con conocimientos en el llenado de este tipo de estructuras.
Recomendaciones
Emprender obras de estabilización de playas, que detenga el continuo proceso erosivo que atenta contra la estabilidad de obras existentes, tanto públicas como privadas, una de ellas, la sustentada en el presente estudio, la regeneración de la playa mediante el procedimiento del relleno hidráulico.
De acuerdo a los estudios granulométricos realizados por INOCAR (2005) y la UEES (2010) en la Bahía de Santa Elena, queda definido que el fondo marino contiene arena fina a gruesa, por lo tanto existe gran fuente de material, suficiente para rellenar la Playa, razón por la cual se recomienda obtener el material de esa fuente, mediante una draga de tolva de succión en marcha, cuyo impacto ambiental será despreciable, frente a otras metodologías de traer arena importada en volquetes.
Debido a la gran variabilidad de las alturas de las olas, siendo de mayor incidencia en la época de invierno, se recomienda realizar el proyecto en época de verano, con la utilización de una draga de tolva.
Consecuentemente, se recomienda realizar la regeneración de la playa, tomando en consideración el confinamiento del material a con geo-tubo.
