15.01.2019

La erosión hidrodinámica es uno de los principales agentes responsables de la remoción y transporte de grandes volúmenes de suelo en el medio ambiente. Cuando tratamos con escurrimientos superficiales de agua, el flujo genera espontáneamente fuerzas de cizalle sobre el lecho del escurrimiento y bajo ciertas condiciones se pueden remover partículas desde el lecho a lo largo del cauce, en tazas cuya magnitud puede influir significativamente sobre la vida útil de las obras hidráulicas emplazadas en zonas fluvio-costeras. Este fenómeno está bien estudiado cuando enfrentamos medios granulares, es decir, aquellos constituidos por arcillas, limos, arenas y gravas de diversos tamaños por nombrar algunos. Sin embargo, la situación es diametralmente opuesta cuando tratamos con lechos de carácter rocoso. Aquí no solo contamos con menos estudios especializados, sino con una fenomenología que no está bien comprendida hasta el día de hoy. Situaciones de este tipo son observadas frecuentemente en descargas de flujos al pie de embalses como los saltos de sky y rápidos de descarga emplazados en zonas rocosas y de cauces encajonados más seguros, a priori, por la estabilidad de sus fundaciones.

¿Qué está detrás de la erosión en rocas?

Annandale fue un precursor de esta área diseñando un procedimiento para estimar la erosión en materiales terrestres. A diferencia de lo que ocurre en un lecho granular, aquí debemos incluir los conceptos de exposición, fractura y desestabilización del lecho que son propios de materiales sólidos. El método de Annandale es un criterio que establece las condiciones que deben darse para hacer una roca u otro material terrestre susceptible a la erosión hidrodinámica. Este método fue un progreso importante en el área, pero que requiere contar con una mirada experimentada y multidisciplinaria de profesionales con conocimientos de ingeniería civil, geología y mecánica de rocas. Si bien esto contribuye al desarrollo profesional, también puede involucrar un desembolso mayor de recursos en la ejecución de un estudio de ingeniería que no debe escatimarse. En esta línea, si dicha susceptibilidad es alta debemos distinguir esencialmente dos mecanismos de erosión: uno por impacto y otro por desgaste. Un trozo de roca al estar expuesta por ejemplo a la acción de un chorro de impacto, puede lograr fracturarse en diversos grados, hasta lograr eventualmente desestabilizar la roca y romperla completamente removiendo trozos de ella. Esto define una "fosa de erosión" mucho más irregular y menos precisa respecto de un lecho granular.

Varios autores han profundizado sobre del origen de esta desestabilización. Bollaert realizó su tesis en el área usando un modelo a escala reducida de una descarga de embalse, identificando la acción de la turbulencia como precursor de esta fractura y posterior desestabilización. La turbulencia es capaz de generar esfuerzos hidrodinámicos de gran magnitud, de carácter fluctuante y aleatorio, es decir, además son impredecibles pero suficientes como para romper el lecho. Varias formulaciones se han propuesto desde entonces, pero no hay que perder de vista que ellas poseen una incertidumbre importante y resulta relevante determinar en primer grado cual es la real susceptibilidad de la roca a erosionarse. Pero no todo termina ahí.

El desgaste superficial también juega un rol relevante. Mediante este mecanismo se genera la pérdida gradual de partículas superficiales de roca a tasas que dependen de las condiciones hidrodinámicas locales del flujo. Existen varias formas de medir esta tasa, siendo uno de ellos el Rotational Erosion Test Apparatus (RETA) y el Sediment Erosion Rate Flume (SERF). En ambos dispositivos es posible medir el desgaste de materiales terrestres altamente resistivos expuestos a un flujo continuo de agua de alta intensidad y que actúa tangencialmente sobre la muestra. Gracias a estos dispositivos ha sido posible acelerar el proceso de desgaste y medirlo en escalas de tiempo razonables a las de un proyecto de ingeniería. Briaud logró desarrollar una metodología para predecir esta componente de la erosión con el apoyo de estos dispositivos, la que junto a los aportes de Annandale y Bollaert constituyen hoy día la base más fuerte del estado del arte sobre el tópico.

Desafíos pendientes

La erosión hidrodinámica de lechos rocosos es un sujeto de estudio no convencional de la ingeniería hidráulica y muy poco explorado en nuestro país. Esta temática ofrece una rica fenomenología que requiere ser profundizada con objeto de generar formulaciones más confiables para el ingeniero, que es uno de los grandes desafíos que tenemos al respecto. Las formulaciones anteriores dependen fuertemente de la caracterización de la roca y, por lo tanto, su eficacia y precisión dependerá en gran medida de la experiencia profesional del personal involucrado en el estudio. De modo similar, necesitamos progresar en la incorporación de condiciones más realistas de flujo para lo cual los modelos físicos se vuelven imprescindibles. Un caso reciente donde se hace patente esta necesidad es en el proyecto Puente Chacao, dominado por corrientes de intensidad variable y muy turbulentas, cuyo lecho se constituye por una roca heterogénea en su composición geológica. Allí las corrientes locales plantean además un escenario adverso y riesgoso para la extracción de muestras, lo que reafirma la importancia de los modelos físicos. Pero esto también plantea otras interrogantes, pues cambios en la escala geométrica, implican cambios en la escala hidrológica y allí debemos preguntarnos si podemos usar el mismo material en modelo que en prototipo, cuya erosión ocurra en escalas de tiempo razonables para un proyecto. Reducir entonces la incertidumbre en la estimación de la erosión en rocas seguirá siendo un problema abierto y estimulante para la ingeniería civil.

Por Francisco Martínez C. 

Académico EIC