Meandros Fluvial

5/22/2018 Meandros Fluvial

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INSTITUTO DE LA CONSTRUCCIN Y GERENCIA

VIII CONGRESO INTERNACIONAL OBRAS DE INFRAESTRUCTURA VIAL

LA MORFOLOGA FLUVIAL Y SU INCIDENCIA EN LAESTABILIDAD DE LAS OBRAS VIALES

Arturo Rocha FelicesConsultor de Proyectos Hidrulicos

INTRODUCCIN

Los ros aluviales son esencialmente mviles, es decir, que suscaractersticas no tienen estabilidad ni permanencia. Se desplazan y modificanms de lo que suele imaginarse. Esta movilidad fluvial representa un peligropara las obras de ingeniera ubicadas sobre el lecho fluvial y en susinmediaciones, las que por su propia naturaleza deben ser estables. Enconsecuencia, para el diseo de estas obras, que incluye especialmente lasviales, se debe conocer el comportamiento del ro, lo que implica identificar las

diferentes formas fluviales.

La Fluviomorfologa estudia las formas fluviales y el mecanismomediante el cual el ro ha llegado a ellas. De ac se puede inferir elcomportamiento futuro del ro. Las formas que puede adoptar un ro puedenoriginarse en su propio comportamiento, ser una consecuencia dedeterminadas acciones externas, principalmente humanas, o una combinacinde dichas posibilidades.

La Morfologa Fluvial (Fluviomorfologa) es el estudio de las formas quetienen los ros. Cuando se habla de la forma de los ros, es decir de suapariencia, debe entenderse que esto equivale a describirlos tal como se vendesde el aire. Sin embargo, no debe perderse de vista que la forma de los ros,a la que en ingls se llama channel patterns, no es la misma a lo largo deltiempo. Los caudales que se presentan, bsicamente en el estiaje o en lapoca de avenidas, son fundamentales para definir la forma de un ro. A loanterior debe aadirse que cuando se habla de la forma de un ro se trata de laforma de un tramo fluvial especfico, pues los ros no tienen la misma forma a lolargo de todo su recorrido.

Una vista area de los ros indicara que sus formas son tantas comoros existen, pero para fines prcticos la Morfologa Fluvial considera tresformas fundamentales, las que aparecen esquemticamente en la Figura N 1.


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Morfologa fluvial Arturo Rocha Felices

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Ellas corresponden a:

a. Ros rectosb. Ros entrelazadosc. Ros a meandros

Figura N 1 Formas fluviales bsicas

Al presentar esta clasificacin de los ros, que es muy usada enHidrulica Fluvial, no puede dejar de recordarse la importante contribucin queal mejor conocimiento de la Fluviomorfologa hicieron Luna B. Leopold y M.Gordon Wolman. Su trabajo River Chan nel Pat t er ns : bra ided, m eand er ing

and s t r a ight es un clsico en la materia. Hay, sin embargo, numerosasinvestigaciones que tratan de este tema. Se podra mencionar, entre otros, losestudios de Knighton (1984), de Rosgen (1996) y los que aparecen en lasReferencias.

Los problemas relativos a la Morfologa Fluvial constituyen un retopermanente para la ingeniera; sin embargo, la comprensin de las variadasformas que adoptan los ros es indispensable para el diseo de las obras vialesque estn en contacto con un ro o cerca de l. Los ros aluviales toman sunombre precisamente del hecho de correr sobre un material aluvial, que es elque ha sido transportado y depositado por el ro. En los ros aluviales las

mrgenes son erosionables y cambiantes. En consecuencia, los ros aluvialesson muy dinmicos con el paso del tiempo y de los diferentes caudales lquidosy slidos que se presentan.

La clasificacin antes mencionada se basa en el grado de sinuosidad delro y es ilustrativa de las tres formas principales que suelen tener los ros. Estasdiferentes formas pueden presentarse en tramos sucesivos de un mismo ro, enfuncin de la pendiente, del caudal lquido, del caudal slido, de lagranulometra y de otros factores. Naturalmente que hay estados transitorios ointermedios. As por ejemplo, se habla de ros sinuosos, que no son rectos nillegan a ser mendricos.

RO RECTO RO ENTRELAZADO RO A MEANDROS


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Para describir y cuantificar la sinuosidad de un ro se establece larelacin entre la longitud del talweg y la longitud del valle. A esa relacin se lellama ndice de Sinuosidad o, simplemente, sinuosidad. Es el concepto usadopor Leopold y Wolman. El Talweg es la lnea que une las mximasprofundidades de cada seccin transversal de un ro. Talweg es una palabra

alemana que literalmente significa algo as como camino (Weg) del valle (Tal).En ingls se suele escribir thalweg. La palabra castellana equivalente aTalweg es vaguada, poco usada en el Per. En los ros navegables es muyimportante su determinacin. El valor mnimo de la sinuosidad es 1 ycorrespondera a un ro perfectamente recto. El valor mximo est alrededor de4 (HEC 20). En la Figura N 2 se representa el concepto de sinuosidad antessealado.

Figura N 2 Representacin esquemtica del concepto de sinuosidad y de sus grados

La sinuosidad es tan importante en la descripcin de las formas fluviales

que algunos autores clasifican morfolgicamente a los ros como de baja(S < 1,3), moderada (1,3 < S < 2) o alta sinuosidad (S > 2), tal como se apreciaen la Figura N 2. Carmelo Conesa Garca estudi tramos significativos de 29ros espaoles y encontr un ndice de Sinuosidad Medio de 1,38 (con unadesviacin estndar de 0,35) y valores mximos y mnimos de 2,9 y 1,06,respectivamente.

Los ros, como puede comprobarse fcilmente, tienen formas muydiversas y, adems, muy variables en el tiempo. Cada ro, en realidad cadatramo fluvial, tiene una forma caracterstica. Al tratar de las formas fluvialescon fines de diseo, no se intenta responder a la hipottica pregunta de por

qu son los ros como son?, sino a las preguntas cmo son los ros? y cmoinfluye su apariencia en la estabilidad de las estructuras?

BAJA

MODERADA

ALTAS > 2

S < 1,3

1,3 < S < 2


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ROS RECTOS

En la naturaleza prcticamente no existen ros rectos. Se les sueleconsiderar como un estado transitorio al mendrico. Blench dice que un tramofluvial recto es anormal y transitorio; es decir, esencialmente inestable.

Leopold dice que, segn su experiencia, en la naturaleza los cursos de aguaverdaderamente rectos son tan raros que pueden considerarse comoinexistentes. En ingls a los ros rectos se les llama straight rivers. Hay rosque tienen pequeos tramos rectos, o casi rectos (se les llama semirrectos),cuya longitud podra ser, referencialmente, tan solo del orden de 10 veces elancho del ro. Esta aparicin circunstancial de pequeos tramos rectos puededeberse a la presencia de determinadas estructuras geolgicas.

Un ro recto podra definirse como aquel cuya sinuosidad es tan pequeaque puede despreciarse. En un tramo rectilneo el ndice de Sinuosidad estericamente igual a 1. Referencialmente, se puede sealar que usualmente se

llama ro recto a aqul cuyo ndice de Sinuosidad es menor que 1,05.

Algunas veces la construccin de obras viales requiere la ejecucin deun encauzamiento formado por diques paralelos. Se tiene, aparentemente, unro recto. Es una situacin creada artificialmente y el ro solo se comporta comorecto cuando el caudal es lo suficientemente grande como para ocupartotalmente la caja fluvial. A este caudal a veces se le llama caudal de nodesborde. En ingls se conoce con el nombre de fullbank discharge. Paracaudales pequeos el ro formar, dentro del encauzamiento, un caucesinuoso. Es por eso que a veces la situacin ms peligrosa en unencauzamiento de esta naturaleza se produce cuando el ro, sin alcanzar laavenida de diseo, desarrolla su recorrido y debido a su sinuosidad atacafrontalmente las defensas.

ROS ENTRELAZADOS

Los ros entrelazados reciben varios nombres. Se les llama tambintrenzados. Una variante de ellos est constituida por los ros anastomosados,cuyas caractersticas se presentan ms adelante. En ingls se les llamabraided rivers, a los primeros, y anastomosing rivers, a los segundos.

Los ros entrelazados tienen varios canales secundarios (brazos) que secomunican entre s y que forman bancos (islas transitorias) entre ellos. Se hadicho que son multicanalizados. Estos canales se separan y vuelven a unirse.Este tipo de ros tiene un curso divagante, literalmente entrelazado. Loscauces se entrecruzan. Los brazos no tienen una definicin permanente. Estasvariaciones son notables despus de las grandes avenidas. Cuando se tratade construir un puente sobre un ro entrelazado se requiere de una gran luzdebido al ancho importante del ro, cuya gran variabilidad no puede dejar detenerse en cuenta.


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Se acepta que un ro trenzado se origina cuando en una corriente haygran transporte slido y lquido y, de pronto, disminuye el caudal lquido yentonces los slidos, al no poder ser transportados, depositan en el lechoformando islas o barras, tal como se aprecia en las Figuras N 3 y N 4.

Figura N 3 Ro entrelazado

Figura N 4 Otro ro entrelazado

Una vista panormica de un ro entrelazado dara la impresin de serrectilneo, pero los brazos (canales) que lo constituyen suelen ser muysinuosos. Los ros entrelazados aparecen en las corrientes que tienen grandescantidades de slidos de fondo, relativamente gruesos. En general, en lasmrgenes y en el lecho hay poca cantidad de limos y arcillas.

Los ros entrelazados son marcadamente inestables y decomportamiento altamente impredecible. Aparecen con pendientes grandes,tienen pequeos calados (tirantes) y su ancho es grande. Pueden tenergrandes cantidades de slidos de fondo que excedan la Capacidad deTransporte de la corriente. El exceso de slidos sedimenta y se forman islastransitorias y bancos inestables. El ro se subdivide en varios brazos muysinuosos que rodean los bancos que se forman.

Lane plante la existencia de dos causas que, juntas oindependientemente, podran dar lugar a la formacin de un ro entrelazado:

a) Exceso de sedimentos que el ro no puede transportar en su totalidad lo que

trae como consecuencia que una parte de ellos deposite en el cauce y dlugar a la formacin de bancos (islas).


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b) Pendiente grande, lo que origina pequeos tirantes.

La primera causa sealada por Lane se presenta, como ya se dijo antes,cuando la Capacidad de Transporte de la corriente es insuficiente para

transportar las cantidades de slidos de fondo que se presentan en el ro comoproducto de la erosin de la cuenca. Se denomina Capacidad de Transporte ala mxima cantidad de material slido de fondo, de una cierta granulometra,que una corriente puede transportar con un gasto dado.

Una variante de los ros entrelazados est constituida por los rosanastomosados, los que se presentan cuando del curso principal se separanbrazos que regresan, luego de un cierto recorrido, al cauce principal. La islaque se forma tiene un carcter ms o menos permanente, a diferencia de loque ocurre con un ro trenzado en el que las islas (en realidad, bancos) sonvariables, inestables y transitorios.

La palabra anastomosis, de donde proviene uno de los nombres de estetipo de ros, no se origin en la hidrulica. Anastomosis es la unin de unelemento anatmico con otro. Segn Leopold, parece que esta expresin fueintroducida en la Hidrulica Fluvial por Jackson hacia 1834. En la Figura N 5se aprecia un ro anastomosado.

Figura N 5 Ro anastomosado: Horse Creek (Leopold)

ROS A MEANDROS (MEANDRIFORMES)

La tendencia a formar meandros es caracterstica de los ros aluviales.Es por eso que se dice que son serpenteantes. Es decir que tienen unatendencia natural a no seguir un curso rectilneo, lo que constituye unaexpresin de su inestabilidad. En ingls a este tipo de ros se les llamameandering rivers. La aparicin de meandros significa necesariamente unaumento del recorrido fluvial lo que implica una disminucin de la pendiente yde la velocidad media de la corriente. En las Figuras N 6, 7 y 8 se aprecian

algunos meandros fluviales.


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Figura N 6 Planta caracterstica de un ro a meandros (Leopold).

Figura N 7 Un tpico ro mendrico

Figura N 8 Meandros del ro Utcubamba

Son muy ilustrativas las menciones que hace Leliavsky acerca de lasinvestigaciones realizadas hace muchos aos en el laboratorio de Dresde y queconsistieron bsicamente en lo siguiente. Se coloc un fondo granular con unaligera pendiente. Se insinu un cauce recto y se dej correr el agua. Leliavskycomenta Erosionar esa agua un solo cauce rectilneo? Se observ que amedida que iba pasando el tiempo el cauce originalmente rectilneo ibacurvndose paulatinamente hasta que se formaba un cauce sinuoso o

mendrico. En la Figura N 9 se observa el desarrollo descrito, segn las

CORTE DE UN MEANDRO


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investigaciones de Friedkin en el Waterway Exper imenta l Stat ion, enVicksburg, U.S.A. (1945), presentadas por Leliavsky.

Figura N 9 Evolucin de un cauce originalmente rectilneo (Friedkin,

Waterway Experimental Station, en Vicksburg, U.S.A.)

Numerosos investigadores se han dedicado a estudiar los meandrosfluviales. As por ejemplo, Farias seala que Para ros aluviales elalineamiento meandriforme parecera ser la forma ms plausible y eficiente atravs de la cual el sistema tiende a minimizar progresivamente su pendiente

para aproximarse a la condicin de equilibrio dinmico. Aunque algunos rosexhiben largos tramos cuasi-rectilneos, la mayor parte de los ros de llanuradesarrollan meandros ms o menos regulares. En el Manual Sedimentat ionEngineeringpublicado por la ASCE hay un captulo titulado River Meand er ingand Chan nel Stab i l i tydel cual es coautor nuestro compatriota el Dr. Jorge D.Abad.

En el diccionario de la Real Academia (DRAE) la palabra meandro sedefine como cada una de las curvas que describe el curso de un ro. Porextensin se aplica a un camino. La palabra meandro, que se usa mucho ensentido metafrico, viene del griego, a travs del latn. En griego, Maiandrosera el nombre de un ro del Asia Menor, celebre por lo tortuoso de su curso. Sulongitud total hasta su desembocadura en el mar Egeo es de 380 kilmetros.En el presente se le conoce con los nombres de Mendereh, Byk Menderes oMenderez y se encuentra en la actual Turqua.

Los ros a meandros son ros muy sinuosos y presentan muchasinflexiones a lo largo de su recorrido. Se dice tambin que un meandro es la

3 horas despus

6 horas despus

10 horas des us

Direccin de la corriente

pies

0 8 16 24 32 40 48 pies


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sinuosidad de un ro formada por un proceso de erosin en la orilla exterior(cncava) y de sedimentacin en la orilla interior (convexa), como se ve en laFigura N 10.

Figura N 10 Erosin y sedimentacin en un meandro

Los ros mendricos estn formados por una sucesin de curvas cuyondice de Sinuosidad es superior a 1,5 (valor referencial). Un ro aluvial estortuoso en la medida en la que tiene muchas curvas y tiene meandros en lamedida en la que estas curvas (es decir, las tortuosidades) se desplazan.Blench menciona que un canal en roca puede ser tortuoso, pero no tenermeandros, porque no hay movilidad de las tortuosidades. Esta enormemovilidad de los meandros tiene gran importancia para la ingeniera en elmomento de proyectar una obra, como podra ser un camino o un puente.Parece ser que existe una gran similitud, en diferentes ros, entre susrespectivas relaciones entre el radio de curvatura y el ancho del ro.

Los ros que forman meandros tienen generalmente las siguientescaractersticas:

a) Mrgenes (orillas) erosionablesb) Seccin transversal variablec) Baja pendiented) Transporte slido no muy grande, de granulometra fina.e) En muchos casos, variacin de caudales no muy marcada.f) Flujo caracterstico en las curvasg) Corren sobre amplias reas de inundacin que les permiten sus desarrollos

laterales.

AA BB


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Un ro puede ser mendrico y entrelazado al mismo tiempo. Al respectoMartn Vide seala lo siguiente El carcter trenzado y el mendrico puedenverse como dos ingredientes presentes en distintas proporciones en un mismo

ro real. Es frecuente que un ro sea trenzado en su tramo alto y luego pase aser meandriforme aguas abajo, donde la pendiente es menor aunque el caudal

es mayor. En la Figura N11 se aprecia un ro de estas caractersticas.

Figura N 11 Ro a meandros y trenzado (Jeffrey F. Mount)

El comportamiento de los meandros es complejo e intrigante. Muchosinvestigadores han hecho grandes esfuerzos por comprenderlos. Esconveniente recordar el inters de Albert Einstein, el famoso autor de la Teorade la Relatividad, por algunos aspectos de la hidrulica fluvial. En efecto, en1926 public un breve artculo titulado Die Ur sache der Mand erbi ld un g derFluluf e und des sog enann t en Baer schen Gesetzes, ttulo que puede sertraducido como Las causas de la for m acin de meandr os en los cur sos de

agua y la l ey de Baer. Se considera que ese artculo de Albert Einstein ayudaconsiderablemente a entender, de un modo muy simple, la participacin delflujo helicoidal en la formacin de los meandros, en la determinacin de sulongitud y en su propagacin hacia aguas abajo.

Las curvas caractersticas de los ros con meandros son muy dinmicasy no se deben esencialmente a las propiedades del terreno, sino a lanaturaleza del comportamiento fluvial. En la Figura N 12 se aprecia laformacin y evolucin de los meandros.

Islaestabilizada

entre doscanales

Zona de cursoentrelazado(inestable)

VALLE HOMESTEAD


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Figura N 12 Evolucin de meandros (NEDECO)

Los meandros no son estables, sino todo lo contrario. Su dinmica semanifiesta por:

a) Un continuo alargamientob) Migracin, generalmente hacia aguas abajoc) Cortes eventuales

El intenso dinamismo que presentan las curvas fluviales, que semanifiesta mediante procesos de erosin y sedimentacin y desplazamientoslaterales y longitudinales, juega un papel muy importante en la gestacin ydesarrollo de la morfologa fluvial. Tal como se dijo antes, un ro rectoprcticamente no existe en la naturaleza; en consecuencia, la formacin decurvas y meandros es inherente a los ros. Estas caractersticas de losmeandros deben tenerse en cuenta necesariamente al diseo de obras viales

ubicadas en las inmediaciones de un ro. La migracin de los meandros poneen peligro las obras ubicadas en sus inmediaciones.

En este tipo de ros se presentan eventualmente los cortes de losmeandros, que son propios de la dinmica fluvial. En ingls el corte de unmeandro por el cuello se llama neck-cutoff. Los cortes corresponden a lapropia inestabilidad y movilidad caracterstica de los meandros. Tambinpueden ser producto de una labor intencional en el manejo del ro. Esindudable que el corte de un meandro producir ajustes importantes: se acortala longitud del ro, aumenta su pendiente y su calado, aumenta la Capacidad deTransporte, etc., los que se producirn en un tiempo variable y que deberan

ser cuidadosamente previstos. Los cortes, o rectificaciones, de un meandrosuelen ser tiles en los ros navegables y en los sistemas de defensas.

LONGITUD DELMEANDROL

AMPLITUD

CUELLO

CURVA

COCHA


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Es posible encontrarse con meandros abandonados. Cuando secompara mapas antiguos con la situacin presente se observa la presencia depaleocauces que corresponden a cortes de meandros. (Ver Figuras N 6 yN 12). En las inmediaciones de los ros de la selva es frecuente encontrarlagunas, a las que, en general, se les conoce con el nombre de cochas. Ver

Figura N 12. En quechua cocha significa laguna. Corresponden a meandrosabandonados. Algunas de ellas se originan cuando se produce, de un modonatural, el corte de un meandro. El antiguo tramo fluvial, ahora aislado,constituye una laguna o cocha, generalmente de forma semicircular.

CRITERIOS PARA DISTINGUIR LAS FORMAS FLUVIALES

S. A. Schumm y H. R. Khan realizaron una serie de estudios en un canalaluvial para determinar el efecto de la pendiente y del gasto slido sobre lasformas fluviales. Encontraron que cuando la pendiente era muy baja y el gasto

slido muy pequeo, el ro que se formaba era prcticamente recto, pero alaumentar la pendiente y el gasto slido apareca un curso mendrico. Paravalores mayores apareca un cauce entrelazado. Los resultados se muestranen la Figura N 13.

Figura N 13 Sinuosidad y pendiente (Khan)

No es fcil establecer las condiciones hidrulicas que limitan las formasfluviales bsicas que fueron anteriormente descritas, a las que algunos autoresllaman umbrales morfolgicos. Los criterios ms usados son el de Lane y elestablecido por Luna B. Leopold y M. Gordon Wolman (1957) para distinguir losros mendricos de los trenzados (de fuerte pendiente). Estos criterios notienen un valor absoluto; deben considerarse como informacin referencial. Acontinuacin se expone brevemente cada uno de ellos.

El criterio de Lane fue establecido experimentalmente en trabajoshechos en cauces arenosos para distinguir los ros mendricos de los

entrelazados, en funcin del caudal y de la pendiente. En la Figura N 14 se

SINUO

SIDAD

PENDIENTE

RECTOS

MEANDROS ENTRELAZADO


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presentan sus resultados. Las ecuaciones que marcan los umbralesrespectivos son las siguientes:

Si, S Q > 0,0041 (Sistema Intern.) RO TRENZADO

Si, S Q < 0,0007 (Sistema Intern.) RO A MEANDROS

Q es el Caudal Medio Anual. Hay una zona intermedia a la que se llamade transicin.

Figura N 14 Criterio de Lane: Umbrales morfolgicosLeopold & Wolman realizaron observaciones de campo y estudios de

laboratorio. La parte experimental de sus investigaciones se realiz en elLaboratorio de Sedimentologa del Instituto Tecnolgico de California.Establecieron una relacin entre pendiente y caudal, para lechos de arena y degrava, para distinguir los ros trenzados de los mendricos. En la Figura N 15se muestra el resultado de sus investigaciones. La ecuacin que marca elumbral respectivo es:

S = 0,0125 Q Q es el Caudal Medio Anual en m3/s.

TRENZADO

TRANSICIN

MEANDROS

S Q > 0,00410,25

S Q < 0 00070,25

CAUDAL MEDIO ANUAL (m /s)

PENDIEN

TE

m/m

- 0,44

0,25

0,25


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Leopold & Wolman manifiestan que un ro entrelazado es aquel quefluye con dos o ms brazos anastomosados alrededor de bancos constituidospor el material aluvial. En el estudio que realizaron llegaron a la conclusin deque los tramos fluviales entrelazados, tomados como un todo, son de mayorpendiente, ms anchos y de menor calado que los mismos brazos fluviales, sinhaberse dividido, y llevando el mismo caudal.

Posteriormente se pens en la importancia que tiene el tamao de laspartculas constituyentes del lecho en el establecimiento de la condicin defrontera entre ros mendricos y trenzados. Es as como Henderson planteuna frmula para incorporar el dimetro.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Los estudios fluviomorfolgicos, como parte de los de Hidrulica Fluvial,son de vital importancia para garantizar la estabilidad de las obras vialesconstruidas en sus inmediaciones.

Se recomienda que los estudios fluviomorfolgicos se emprendan desdela iniciacin de los estudios de una obra vial ubicada en las proximidades de unro.

Figura N 15 Criterio de Leopold y Wolman

TRENZADO

MEANDROS

S Q > 0 01250,44

S Q < 0,01250,44

PENDIENTE

m/m

CAUDAL MEDIO ANUAL (m /s)


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