Técnicas y experiencias en bioingeniería empleando productos derivados del acero

El desarrollo de soluciones en ingeniería y geotecnia combinadas con soluciones estéticamente agradables y sensibles medioambientalmente requiere que los diseñadores y proyectistas entiendan cómo diseñar un proyecto combinando el uso de materiales inertes y vivos buscando las mejores sinergias entre ambos tipos de materiales.

La incorporación de la vegetación mediante el uso de técnicas de bioingeniería del suelo mejora la estabilidad de la superficie del terreno o la solución a través del sistema reticular vegetal. Sin embargo, es esencial que los materiales proporcionen una resistencia adecuada, en especial durante la etapa inicial de recuperación del proyecto, ayudando a la vegetación en esta delicada fase. El reto para encontrar la solución más adecuada es identificar un sistema capaz de proporcionar la resistencia requerida y ser capaz de incorporar el tratamiento de bioingeniería más adecuado.

Las soluciones fabricadas con alambre de acero de doble torsión, tales como los gaviones y los colchones Reno, han demostrado tener una capacidad extraordinaria para la regeneración del entorno natural, ya que pueden ser rellenados de piedras, suelo, tierra vegetal o una combinación de ambos de manera que crean condiciones de desarrollo favorables para la vegetación. Al mismo tiempo la vegetación utiliza estas estructuras como refugio durante la fase de crecimiento inicial, permitiendo así que estas soluciones proporcionen elevadas prestaciones estructurales o hidráulicas incluso cuando la cubierta vegetal aún no está completamente desarrollada.

Aparte de los aspectos de integración paisajística, un reciente estudio ha demostrado cómo el uso de gaviones y colchones Reno son soluciones que reducen el impacto sobre el cambio climático, ya que tiene una huella de carbono más baja que la de las soluciones de ingeniería tradicionales equivalentes en términos de emisiones de CO₂.

Este artículo presenta una serie de soluciones técnicas realizadas en diferentes condiciones ambientales para poner de relieve un nuevo enfoque de diseño, más sostenible, que implica obras de protección de ríos y estabilización de suelos.

La protección de taludes y márgenes de los ríos en cauces naturales o artificiales ha sido históricamente un dominio vinculado a los diferentes profesionales de la ingeniería, cuya finalidad es la de interpretar los datos de partida y proporcionar soluciones seguras y fiables diseñadas empleando la normativa actual y el conocimiento de la soluciones. En la actualidad, el enfoque para el diseño de estabilización de taludes y riberas de la perspectiva de la ingeniería ha cambiado profundamente. Hoy en día la sensibilidad hacia el medio ambiente se ha convertido en una parte muy importante del proceso de toma de decisiones hacia la solución final.

Las técnicas utilizadas para proteger taludes contra la erosión o el sostenimiento de los mismos van desde la simple revegetación a enormes estructuras de contención, tales como muros de hormigón, gaviones, o sistemas de muros mecánicamente estabilizados. Sin embargo, hay varios factores que contribuyen a la elección de la solución, muchos de los cuales dependen directamente de los aspectos geotécnicos, hidráulicos, o ambientales. En un enfoque mucho más moderno y natural, de hecho, el desarrollo de las prácticas de ingeniería combinadas con soluciones estéticamente agradables y que representen una mejora ambiental del entorno requieren que los proyectistas y prescriptores entiendan y aprendan a diseñar empleando tanto materiales inertes como vivos y la combinación de ambos. El verdadero desafío es combinar lo mejor de ambas soluciones y poder predecir cómo el ambiente recién restaurado evolucionará y cómo esto, con el tiempo, mejorara la estabilidad del talud o zona afectada.

La solución más adecuada será la definida por el Nivel Mínimo de Energía: este concepto se define comúnmente como la cantidad mínima de intervención sobre el medio ambiente que se requiere para resolver el problema (AIP 1997). Este concepto se ilustra en la Figura 1 y va desde el nivel más bajo de no intervención hasta al nivel de energía más alto, en el que se puede requerir la construcción de una estructura masiva de retención o un tipo similar de intervención.

Los gaviones y los colchones Reno son productos respetuosos del medio ambiente: su integración con el medio que los rodea es rápida y agradable; los huecos generados en la distribución de la piedra de relleno se llenan progresivamente con limos, arcillas y tierra vegetal, favoreciendo el crecimiento de la vegetación.

Aparte de los aspectos de integración paisajística y medioambiental, un estudio reciente (APMC 2012) demuestra cómo el uso de gaviones y colchones es una solución válida para reducir el impacto sobre el cambio climático, ya que tienen una huella de carbono más baja que la de las soluciones de ingeniería tradicionales equivalentes, tales como los muros de hormigón o los muros y revestimientos de escollera.

La comparación se ha hecho entre dos soluciones diferentes en obras reales y ejecutadas:

• Protección fluvial. Las soluciones equivalentes que se han comparado en este estudio (Figura 2) son un colchón Reno de 30 cm de espesor rellenado con piedras de la zona (d = 70-100 mm) y un aplacado de escollera de 1 m de espesor (d = 500-700 mm).
• 
  Muro de contención. Las soluciones equivalentes que se han comparado (Figura 3) para una estructura de contención de 8 m son un muro de gaviones y un muro de hormigón tradicional.

La absorción de gases de efecto invernadero no han sido consideradas de momento, aunque gaviones y colchones permiten una rápida regeneración de la vegetación en las zonas afectadas por las obras de consolidación, lo que no sucedería con otras técnicas de construcción tales como las comparadas. El análisis tuvo en cuenta todo el ciclo de fabricación y ejecución hasta llegar a la estructura final:

• Procesos productivos y de fabricación
• Transporte hasta la zona de instalación
• Procedimientos de montaje e instalación

Los resultados de las emisiones se han calculado en toneladas de CO₂ por metro cuadrado de la superficie de la solución (revestimiento o pared): los fabricados con productos de malla de alambre de doble trenzado son sensiblemente mejor en términos de emisiones y la huella de carbono con respecto a las tradicionales tal y como se puede observar en la Figura 4.

En el caso de los revestimientos, los colchones Reno se caracterizan por una emisión de 15 toneladas de CO₂/m²; aproximadamente la mitad de la cantidad la solución tradicional, escollera, que emiten 29 toneladas de CO₂/m². Al emplear en el relleno piedras procedentes de canteras o graveras cercanas a la zona de instalación (a menos de 100 km de la zona de obras) la huella de carbono para colchones cae a 5,4 t CO₂/m².

Para los muros de gravedad, la solución de gaviones se caracteriza por una emisión de 95 toneladas de CO₂/m² en lugar de los 665 toneladas de CO₂/m² emitidas con la solución de muro de hormigón. Al utilizar piedras disponibles localmente la huella de carbono de muros de gaviones se reduce tan solo a 58 toneladas CO₂/m².

Figura 4: Emisiones de CO₂; gaviones vs soluciones tradicionales.

Vemos tres casos reales de aplicaciones en Bioingeniería combinando soluciones de Malla de Doble Trenzado y Vegetación.

Con la propuesta de ampliación de una zona comercial para dar cabida a un nuevo supermercado en Exeter, New Hampshire (EE UU), los proyectistas Brunet y Shuey, en el año 2006, se debían enfrentar a la modificación del régimen de un cauce existente, afectado por la nueva obra.

En los anteriores intentos de canalización y estabilización de esta corriente de agua se emplearon muros de escolleras: durante la fase inicial de diseño del proyecto, se observó, en una visita técnica, que la escollera colocada aproximadamente ocho años antes, fue un fracaso y la corriente había dislocado las cabezas de los muros.

Las mejoras que se debían realizar estaban destinadas a ayudar a estabilizar esta parte del canal de flujo existente y también ayudar a proporcionar una cierta contención ante inundaciones y avenidas así como integrar medioambientalmente el lugar.

La solución elegida para mitigar el problema de la erosión en la corriente se compone de las siguientes mejoras:

• Rediseño del trazado de la corriente de agua, eliminando cambios bruscos de dirección para evitar una excesiva erosión de los márgenes.
  
• Reducción de la inclinación de la pendiente del canal para reducir la fuerza tractiva.
  
• Proporcionar estructuras de disipación de energía mediante gaviones que proporcionarán zonas controladas para variar la altura del cauce del arroyo.
  
• Proporcionar un canal de flujo bajo para avenidas de bajo periodo de retorno < 1 año. El ancho del canal estará entre 1,5 y 3 m de dependiendo de la sección de la corriente, unos biorollos de fibra de coco se instalarán a lo largo del canal para ayudar a crear un banco corriente natural con el tiempo.

Asimismo durante la ejecución de los diques de gaviones trapezoidales se insertarían estacas de arbustos de la zona.

Producto

El producto seleccionado para el gavión que conformaría los diques fue la tipología Terramesh System; gaviones en malla de acero de doble trenzado recubierta de PVC dotados con colas de 3 metros, en los que la conexión con la geomalla se realiza por fricción mediante la superposición de 3 m de malla con la geomalla. Todas las unidades se conectan entre si de manera que trabajan como una estructura monolítica. El paramento de los Terramesh System fue modificado, revistiendo su interior con coco y cortándolos de forma trapezoidal para facilitar el crecimiento de la vegetación (Figura 5).

Análisis de la Estabilidad del Diseño

El análisis de la estructura se realizó usando un programa MACRA 2 para el cálculo hidráulico y MACSTARS para la estabilidad estática. El cálculo hidráulico proporciona información con respecto a la longitud mínima del vaso de fondo necesaria para disipar la energía de la estructura y también para conocer a qué nivel llega el agua en diferentes secciones y para diferentes periodos de retorno. La información de las diferentes cotas de agua se utiliza para el diseño de la protección contra la erosión aguas arriba y aguas abajo de los diferentes diques y aliviaderos instalando diques de gaviones. El análisis de estabilidad global, interna y deslizamiento del aliviadero se realiza considerando la total saturación del material de relleno del trasdós del muro así como la sobrecarga de la altura de agua.

Montaje e Instalación

La construcción de la solución comenzó a finales del otoño del 2004 y acabó a principios de la primavera del 2005. En primer lugar se excavó el cajón para situar el Terramesh System y las geomallas de refuerzo así como los taludes provisionales de la sección del cauce. Después se ejecutó el terreno reforzado colocando un geotextil en el trasdós de las unidades Terramesh para que no se contaminaran de finos. Las dos primeras filas se montan sin vegetación, ya que quedarán totalmente sumergidas bajo el agua.

En el siguiente paso se ejecutó la instalación de la vegetación; la selección de la vegetación se realizó teniendo en cuenta su tolerancia a estar sumergida durante un largo periodo del año. La especie debe ser de tipo arbustivo ya que crecen perfectamente dentro de una estructura tipo gavión. En el contrato, el contratista tuvo que seleccionar una mezcla de especies de una lista con un máximo del 40% de la misma especie. Las unidades superiores del Terramesh System fueron modificadas para tener una forma trapezoidal junto con una manta de coco en su interior. Estacas vivas se colocaron en cada tongada de Terramesh System, separadas entre sí 15 cm de distancia (Figura 6).

Las unidades Terramesh System se rellenaban de bolos de río y la porosidad (30%) se rellenaba de tierra vegetal para favorecer el crecimiento vegetal. El vaso de disipación, ejecutado en gaviones, se conectó con el aliviadero y los gaviones de borde.

Conclusiones

Los aliviaderos están trabajando a día de hoy muy bien, la instalación fue algo más larga de lo previsto debido a la meteorología. Tras un año la vegetación se ha instalado perfectamente y su sistema raizal irá reforzado año tras año la estructura. En un episodio tormentoso el nivel del agua llega a la máxima avenida para Q 100 años, inundando totalmente los aliviaderos superiores. Tras la avenida se inspeccionaron todas las estructuras estando en perfecto estado y cumpliendo el cometido para el que fueron diseñadas.

El Intervale Country Club y su campo de golf fueron construidos por el Cuerpo de Ingenieros del ejército de EE UU en 1903 a lo largo del río Merrimack en New Hampshire (EE UU). Dos de sus principales calles circulan sobre el río y se estima que entre 4 y 6 m de la costa se ha perdido debido a la erosión en los últimos 20 años. Los suelos aquí son predominantemente arenas medias a finas de baja cohesión. La erosión de los márgenes ha estado asociada a inundaciones, proceso de huelo – deshielo, perdida de la masa vegetal, en especial de grandes árboles y por acción antrópica.

Esta zona del río Merrimack es famosa como lugar de deportes acuáticos y como zona residencial. Aquí, el oleaje generado por las embarcaciones es una de las principales causas de la desestabilización y erosión de los márgenes del río.

Selección de la solución

Con todos los aspectos ambientales de este proyecto, la selección de la solución por parte de los diseñadores, Brunet y Shuey, 2005, era un factor muy importante. Se seleccionaron dos nuevos tipos de productos que pueden ofrecer resistencia y la integración natural deseada.

El nuevo Green Gabion, un tipo trapezoidal de gavión, y Enviro Log, un tipo de gavión cilíndrico, están fabricados de malla de doble trenzado recubierto de PVC. Las ventajas de estos productos son su malla hexagonal que ofrece la flexibilidad y la porosidad natural de un gavión con un 30-40% de huecos que se pueden rellenar con tierra vegetal. Esta capa superior del suelo vegetal tiene dos funciones: en primer lugar, ayuda a retener la humedad en la estructura de la vegetación; la otra función es la capacidad de actuar como un sustrato para la propagación del sistema de raíces de la vegetación entre la piedra de relleno de los gaviones.

Para mantener la capa superior del suelo vegetal en las unidades, se coloca una manta de coco de 900 g/m² (ver Figura 8). La manta de coco, con una duración de 3-5 años antes de su biodegradación, ayuda a mantener la humedad de la tierra vegetal para la vegetación.

Figura 8: Relleno de los gaviones cilíndricos.

Análisis de la estabilidad

El análisis de estabilidad de la solución se realizó con el software MACSTARS, que arrojó un factor de seguridad de 1,55 para la estabilidad global y 4,02 para la estabilidad interna. La contribución de la vegetación para la estabilidad de la pendiente se hizo teniendo en cuenta la resistencia al cizallamiento de sauces después de 3 años. Un factor de reducción de 3 se aplicó a la resistencia a la rotura 9,1 kN /m para representar la incertidumbre del crecimiento de la vegetación (Goldsmith, 1996). La longitud del sistema de raíces en el suelo como refuerzo se ha considerado a 2 m de profundidad.

Para representar el refuerzo de la raíz en la estructura, la densidad de la vegetación se examinó con 30 cm separación entre cada planta para cada fila de unidades. Con la contribución de la vegetación, la estabilidad interna de la estructura dio un factor de seguridad de 4,55 y un factor de seguridad global del 1,55. La estabilidad interna de la pendiente se incrementó en un 10% después del establecimiento de la vegetación. Este último análisis se consideró a título informativo solamente y no para el análisis de estabilidad de diseño. La estabilidad global no se vio afectada debido a que el plano potencial de deslizamiento no ha pasaba a través de la vegetación.

La verificación hidráulica del sistema se realizó utilizando software MACRA 1. El análisis se realizó para verificar la resistencia de la solución frente a la erosión inmediatamente después de la instalación de la estructura y después del establecimiento total de la vegetación, estimada en 3 años. El revestimiento de gaviones sin vegetación tiene una resistencia al cizallamiento de 336 N/m² y 450 N/m² con vegetación y con Factores de Seguridad relevantes ante la erosión fue de 9,9. Con el fin de evitar cualquier erosión potencial bajo la estructura, se colocaron gaviones del tipo Colchón Reno de 30 cm de espesor (ver Figura 9).

Montaje e Instalación

La instalación comenzó en junio de 2002 y se completó en septiembre de 2002. Empleando 4.000 sauces y arbustos (9 unidades/m²). Los gaviones se premontaron previamente antes de ubicarlos en su posición definitiva, conectándolas entre sí y rellenándolas de piedras; la porosidad se rellenó de tierra vegetal. Las unidades inferiores, más expuestas al oleaje, se rellenaron totalmente de piedra dejando la mínima porosidad posible. Entre las camadas se colocaron estacas vivas de arbustos.

Conclusiones

Después de un año el recubrimiento vegetal se completó totalmente, considerándose un éxito total de la solución (Figura 10).

El cangrejo rojo americano (Procambarus clarkii) es una de las especies invasoras exóticas que se expanden por nuestra red fluvial y embalses. Actualmente está presente en zonas sensibles tales como el Delta del Ebro, la Albufera de Valencia o el Parque de Doñana, entre otros.

Su actividad bioturbadora puede producir daños en los cursos de agua y en los cultivos de arroz, en particular; su presencia altera los ecosistemas nativos al entrar en competencia directa con los cangrejos de río autóctonos. Esta actividad bioturbadora (Figura 11) genera galerías abiertas en los taludes de los márgenes fluviales que provoca graves problemas de estabilidad en canales, caminos y terraplenes. Para mantener alejados a los cangrejos de los márgenes es necesario encontrar una solución respetuosa con el medio ambiente y, si es posible, que garantice la estabilidad de los taludes y márgenes tratados.

La acequia de Vinyals (Girona) transcurre por los municipios de Celrà, Bordils, Sant Joan de Mollet, Flaça y Juià. Se construyó en 1748 y actualmente es una zona de regadío. Está reconocida internacionalmente por la diversidad de la flora que existe: fruteros, cereales, chopos, plantas de jardinería y ornamentales. Los taludes de la acequia se encontraban totalmente bioturbados por las madrigueras de los cangrejos de río, que ponían en serio compromiso la estabilidad de los taludes. La Comunidad de Regantes bajo la supervisión del INCASOL, ACA y Departamento de Regadíos de la Generalitat de Cataluña decidió intervenir proponiendo una solución que:

1. Resolviera los problemas de erosión.
2. Evitara la bioturbación de los cangrejos y que estos encontraran un hábitat propicio para sus incursiones en los campos de cultivo cercano.
3. Quede integrada en el entorno (de especial interés paisajístico).
4. Permita el crecimiento de la vegetación autóctona.
5. Evitara el crecimiento de una especie vegetal muy invasora: La caña común (Arundo Donax).

Selección de la solución

Las soluciones tradicionales en protección de márgenes fluviales no deberían usarse por los siguientes motivos:

• Revestimiento de hormigón: ambientalmente inaceptable ya que se crea una sección artificial que no permite ni la infiltración de agua para recargar del nivel freático local, ni el crecimiento de la vegetación.
• 
  Escolleras: ineficaz, como los cangrejos seguirán utilizando los huecos entre las piedras, con el tiempo proseguirían la excavación del suelo de los taludes.
• 
  Geoceldas: También ineficaces; los cangrejos se instalarían en las celdas rellenas de tierra y arena; Por otra parte, las geoceldas no pueden soportar elevadas cargas hidráulicas (fuerza tractiva y/o velocidad del agua)
• 
  Los geotextiles: inaceptable, ya que no permiten el crecimiento de la vegetación y se ven afectados por problemas de durabilidad.

Debido a los problemas anteriormente citados, la solución adoptada fue un geomanta polimérica reforzada formada por una malla tridimensional extruida sobre una malla de alambre de acero de doble trenzado para proporcionar una resistencia a la tracción adecuada (Bianmat RA).

La malla metálica de Doble Trenzado permitiría una estabilización superficial de los taludes.

La estructura tridimensional del Polipropileno permitiría:

• Controlar la erosión de los taludes generada por el flujo del canal
• Impedir la entrada de los cangrejos al talud.
• Atrapar sedimentos arrastrados por el canal así como poblaciones de algas creando un sustrato natural.
• Atrapar semillas y partículas de suelo que favorecerían el crecimiento natural de las especies autóctonas de la zona.

Análisis de la estabilidad

El análisis de estabilidad de los taludes de la solución se realizó con el software MACRO 1, que arrojó un factor de seguridad superior a 1,5 bajo EC-7. La verificación hidráulica del sistema se realizó utilizando software MACRA 1. El análisis se realizó para verificar la resistencia de la solución frente a la erosión inmediatamente después de la instalación de la estructura y después del establecimiento total de la vegetación, en especial para velocidades de flujo no superiores a 1,5 m/s.

Montaje e instalación

La instalación comenzó en junio de 2012 y se completó en julio de 2012. La solución escogida fue la combinación de dos elementos de control: Colchón Reno y Bianmat RB (Macmat R):

• 5.200 m² de Colchones Reno de 23 centímetros de canto en el fondo del canal que ayudarían a la recarga del acuífero. Este gavión fue densamente compactado para evitar la entrada de los cangrejos.
• 10.800 m² de Bianmat RB en color marrón, por su mejor integración paisajística, en los taludes del canal.

La integración de la solución fue muy rápida (Figura 12) y se completó a los pocos meses de finalizarse la obra, sin ninguna hidrosiembra gracias a la contribución natural de los sedimentos del canal y del crecimiento algal que fue la base del crecimiento vegetal de las plantas de la zona.

Cualquier tipo de solución de bioingeniería debe ser utilizada solamente en relación con su función, sin introducir simplificaciones. La vegetación puede aliviar muchos de los factores y condiciones que causan la inestabilidad superficial de un talud de tierra o de un margen de un río, pero no podemos pedir a una planta, o mejor dicho, a sus raíces, que nos proporcione algo que nunca serán capaces de darnos en la relación causa - efectos - solución a escala cronológica o una estabilización profunda.

Las aplicaciones exitosas de productos de malla de doble torsión como material inerte combinado con plantas para crear en última instancia un bloque vivo complejo, han demostrado su idoneidad para restaurar los ecosistemas naturales, proporcionando, al mismo tiempo, los requerimientos de ingeniería necesarios para garantizar que las estructuras diseñadas funcionan correctamente en condiciones de seguridad y fiabilidad. Además, estas soluciones permiten minimizar los impactos sobre el cambio climático, ya que tienen una huella de carbono más baja comparadas con las soluciones de ingeniería tradicionales.

Bibliografía

• Aipin (1997) Codice deontologico Associazione Italiana per l’Ingegneria Naturalistica
• APMC (2012) Carbon Footprint dei Gabbioni e Materassi Maccaferri e confronto con soluzioni tradizionali (Unpublished)
• Brunet G., Shuey R., (2005) Stream bank stabilization with vegetated gabions, Land and Water Volume 49, Number 1
• Brunet G., Shuey R., (2006) Stream stabilization with vegetated gabion weirs, Land and Water Volume 50, Number 5
• Goldsmith W., (1976). Soil Reinforcement by River Plants: Progress Results.
• Greenwood J., (2001). Rooting for Research. In: Soil Bioengineering: Integrating Ecology with Engineering Practice, Ground Engineering, March 2001.