En ingeniería costera y ambiental , el cierre de las entradas de mareas implica la prevención deliberada de la entrada de agua de mar en áreas interiores mediante el uso de material de relleno y la construcción de barreras. El objetivo de estos cierres es generalmente proteger las regiones interiores de las inundaciones , protegiendo así la integridad ecológica y reduciendo los posibles daños a los asentamientos humanos y las zonas agrícolas.
La complejidad del cierre de las entradas varía significativamente según el tamaño del estuario en cuestión. En el caso de los estuarios más pequeños, que pueden secarse naturalmente durante la marea baja, el proceso puede ser relativamente sencillo. Sin embargo, la gestión de los estuarios más grandes exige una combinación sofisticada de conocimientos técnicos, que comprendan la hidrodinámica , el transporte de sedimentos y la mitigación de las posibles consecuencias ecológicas de dichas intervenciones. El desarrollo de conocimientos en torno a dichos cierres a lo largo del tiempo refleja un esfuerzo concertado para equilibrar los mecanismos de defensa contra las inundaciones con la gestión ambiental , lo que conduce al desarrollo de soluciones tanto tradicionales como tecnológicamente avanzadas.
En situaciones en las que los ríos y las ensenadas plantean un riesgo de inundación significativo en grandes áreas, proporcionar protección a lo largo de toda la longitud de ambas orillas puede resultar prohibitivamente costoso. En Londres , este problema se ha abordado mediante la construcción de la Barrera del Támesis , que solo se cierra durante las previsiones de niveles de agua extremos en el sur del Mar del Norte . En los Países Bajos , se cerraron varias ensenadas represando completamente sus entradas. [1] [2] Dado que este tipo de represas tardan muchos meses o años en completarse, el intercambio de agua entre el mar y la ensenada continúa durante todo el período de construcción. Es solo durante las etapas finales que la brecha se estrecha lo suficiente como para limitar este intercambio, lo que presenta desafíos de construcción únicos. A medida que la brecha disminuye, las diferencias significativas en los niveles de agua entre el mar y la ensenada crean corrientes muy fuertes, que pueden alcanzar varios metros por segundo, a través de la estrecha abertura restante. [3]
Durante esta fase crítica de cierre se requieren técnicas especiales para evitar una erosión grave de las defensas existentes. Se utilizan dos métodos principales: el método de cierre abrupto o repentino, que implica la colocación de cajones prefabricados durante un breve período de aguas estancadas, y el método de cierre gradual, que implica la construcción progresiva de la última sección de la presa, manteniendo la coronación casi horizontal para evitar corrientes fuertes y erosión a lo largo de cualquier sección específica. [4]
El cierre de las entradas de marea tiene varios propósitos principales:
Históricamente, el cierre de ensenadas tenía como objetivo principal la recuperación de tierras y el control del nivel del agua en zonas pantanosas , facilitando así el desarrollo agrícola . Estas actividades requerían una gestión eficaz de los niveles de los ríos y las mareas de tormenta, lo que a menudo requería un mantenimiento constante de los diques. [5] [6] También surgieron fines secundarios, como la generación de energía maremotriz, muelles para puertos y construcción, represas para infraestructura de transporte y piscicultura, pero tuvieron un impacto ambiental menor. [7]
En la actualidad, impulsados por un creciente énfasis en la calidad de vida, en particular en las naciones industrializadas , los proyectos de cierre de entradas abarcan un espectro más amplio de objetivos. Estos pueden incluir la creación de instalaciones de almacenamiento de agua dulce, la mitigación de la contaminación del agua en zonas designadas, la provisión de servicios recreativos y la lucha contra la intrusión de agua salada o la contaminación de las aguas subterráneas . [8]
Dependiendo de las circunstancias, la implementación de un cierre de entrada de marea puede tener diversos efectos secundarios hidrológicos , ambientales , ecológicos y económicos , entre ellos: [9] [10]
Varias ciudades de los Países Bajos tienen nombres que terminan en "presa", lo que indica su origen en el sitio de una presa en un río de marea. Ejemplos destacados incluyen Ámsterdam (ubicada en una presa en el Amstel ) y Róterdam (situada en una presa en el Rotte ). Sin embargo, algunas ubicaciones, como Maasdam , tienen orígenes menos claros. Maasdam, un pueblo situado en el sitio de una presa en el Mosa que data de antes de 1300, fue el sitio de la construcción de la Grote Hollandse Waard , que posteriormente se perdió durante la devastadora inundación de Santa Isabel de 1421. Como resultado de la inundación, el río Mosa ahora se encuentra lejos del pueblo de Maasdam. [12]
Una técnica ampliamente empleada en los cierres históricos se conocía como opzinken ( en español : hundimiento). Este método implicaba hundir colchones de fascine , rellenarlos con arena y estabilizarlos con piedra de balasto. Luego se hundían secciones sucesivas en la parte superior hasta que la presa alcanzaba una altura en la que no se podían colocar más colchones. Este proceso reducía eficazmente el flujo, lo que permitía completar la presa con arena y arcilla. [13] Por ejemplo, la construcción del Sloedam en 1879, como parte del ferrocarril a Middelburg , utilizó esta técnica.
Las primeras observaciones revelaron que durante los cierres, la velocidad del flujo dentro de la brecha de cierre aumentaba, lo que provocaba erosión del suelo. En consecuencia, se implementaron medidas como la protección del fondo alrededor de la brecha de cierre, guiadas principalmente por el conocimiento experiencial en lugar de cálculos precisos. Hasta 1953, el cierre de las brechas de los diques en las zonas de marea planteaba desafíos debido a las altas velocidades de la corriente. En tales casos, se construían nuevos diques más hacia el interior, aunque era un proceso más largo, para mitigar las dificultades del cierre. Un ejemplo extremo ocurrió después de la devastadora inundación del Mar del Norte de 1953 , que requirió el cierre de las brechas en Schelphoek, lo que marcó el último cierre importante en los Países Bajos. [11]
En los últimos tiempos, la construcción de represas de mayor tamaño en los Países Bajos ha sido impulsada tanto por la necesidad de proteger el interior como por la ambición de crear nuevas tierras agrícolas. [14]
La formación de corrientes en la desembocadura de un entrante surge de las acciones de las mareas de llenado (marea alta) y vaciado (marea baja) de la cuenca. La velocidad de estas corrientes está influenciada por la amplitud de las mareas , la curva de mareas, el volumen de la cuenca de mareas (también conocida como área de almacenamiento ) y el tamaño del perfil de flujo en esa ubicación. La amplitud de las mareas varía a lo largo de la costa holandesa, siendo mínima cerca de Den Helder (alrededor de 1,5 metros) y máxima frente a la costa de Zelanda (de 2 a 3 metros), y la amplitud se expande a 4 a 5 metros en las áreas detrás del Oosterschelde y Westerschelde . [15] [16]
En las cuencas de marea con fondos poco compactados, se forman canales de corriente que pueden desplazarse debido a los cambios constantes de dirección y velocidad de las corrientes. Las corrientes más fuertes provocan erosión en los canales más profundos, como en el Escalda Occidental, donde las profundidades pueden alcanzar hasta 45 metros, mientras que entre estos canales se forman bancos de arena que, en ocasiones, quedan expuestos durante la marea baja.
Los sistemas de canales que se desarrollan naturalmente en las zonas de mareas se encuentran generalmente en un estado de equilibrio aproximado, equilibrando la velocidad del flujo y el perfil total del flujo. Por el contrario, cuando se sellan las brechas de los diques, este equilibrio a menudo no se ha alcanzado todavía en el momento del cierre. Por ejemplo, la rápida intervención para cerrar numerosas brechas después de la marejada ciclónica de 1953 ayudó a limitar la erosión. Para la construcción de una presa en la desembocadura de un canal, se realizan actividades para reducir el perfil del flujo, lo que puede conducir a un aumento de las velocidades del flujo y la consiguiente erosión, a menos que se tomen medidas preventivas, como reforzar los lechos y los lados de los canales con protección del fondo. Una excepción ocurre cuando la superficie de la cuenca de marea se reduce preliminarmente mediante presas de compartimentación .
El procedimiento de cierre de un canal de marea se puede segmentar generalmente en cuatro fases:
En circunstancias específicas, se pueden aplicar métodos de construcción alternativos; por ejemplo, durante un cierre de arena, se utiliza la capacidad de vertido de tal manera que se agrega más material por marea del que puede eliminar la corriente, lo que generalmente elimina la necesidad de protección del suelo.
En 1932, cuando se cerró el Zuiderzee , todavía era posible controlar la corriente con arcilla de canto rodado, ya que la diferencia de mareas allí era de solo un metro aproximadamente, lo que impedía velocidades de flujo excesivamente altas en la brecha de cierre que requerirían materiales alternativos. En la zona del delta se han implementado numerosos métodos de cierre, tanto a pequeña como a gran escala, que dependen en gran medida de una variedad de condiciones previas. Estas incluyen requisitos hidráulicos y mecánicos del suelo, así como recursos disponibles como materiales, equipos, mano de obra, finanzas y conocimientos especializados. Después de la Segunda Guerra Mundial, las experiencias adquiridas en la reparación de diques en Walcheren en 1945, el cierre del Brielse Maas en 1950, el Braakman en 1952 y la reparación de las brechas después de la marea de tempestad de 1953 influyeron significativamente en la elección de los métodos de cierre para las primeras presas del delta.
Hasta la finalización de la presa Brouwersdam en 1971, la elección del método de cierre se basaba casi exclusivamente en factores técnicos. Sin embargo, las consideraciones medioambientales y pesqueras se volvieron igualmente vitales en la selección de los métodos de cierre para Markiezaatskade cerca de Bergen op Zoom , la presa Philipsdam , Oesterdam y la barrera contra mareas de tormenta en Oosterschelde , teniendo en cuenta factores como el momento de la mortalidad de los organismos de marea y el control de la salinidad durante los cierres, que son críticos para determinar las condiciones iniciales de la cuenca recién formada.
En el noroeste de Alemania se han llevado a cabo una serie de obras de cierre. Inicialmente, los objetivos principales de estos cierres eran la recuperación de tierras y la protección contra inundaciones. Posteriormente, el enfoque se desplazó hacia la seguridad y la conservación ecológica. Se llevaron a cabo cierres en Meldorf (1978), [18] Nordstrander Bucht ( Husum , 1987) y Leyhörn ( Greetsiel , 1991).
Alrededor de 1975, la evolución de las perspectivas globales sobre la importancia ecológica condujo a un cambio en el enfoque de los cierres. Como resultado, en el norte de Alemania, varios cierres se ejecutaron de manera diferente a sus diseños originales. Por ejemplo, si bien había planes para represar completamente el Leybucht cerca de Greetsiel, finalmente solo se cerró una pequeña parte, lo suficiente para cumplir con los requisitos de seguridad y gestión del agua. Esto hizo que el cierre del área restante ya no fuera un desafío técnico. Se construyó una compuerta de descarga y una esclusa de navegación, que proporcionaron la capacidad adecuada para mitigar las corrientes en el espacio de cierre de la presa.
En la década de 1960, Corea del Sur se enfrentó a una escasez significativa de tierras agrícolas, lo que impulsó la planificación de grandes proyectos de recuperación, incluida la construcción de presas de cierre. Estos proyectos se llevaron a cabo entre 1975 y 1995, incorporando la experiencia y los conocimientos de los Países Bajos. Con el tiempo, las actitudes hacia las obras de cierre en Corea del Sur evolucionaron, lo que llevó a considerables retrasos y modificaciones en los planes para los proyectos Hwaong y Saemangeum .
Durante muchos años, en Bangladesh se han cerrado los arroyos para facilitar la creación de tierras agrícolas y brindar protección contra las inundaciones. La combinación de la protección contra las inundaciones, la necesidad de tierras agrícolas y la disponibilidad de agua para riego fueron las fuerzas impulsoras de estas iniciativas. Antes de 1975, estas obras de cierre eran de escala relativamente modesta. Algunos ejemplos tempranos incluyen:
En Bangladesh, el método de cierre no difería significativamente de las prácticas utilizadas en otros lugares. Sin embargo, debido a los bajos costos laborales y las altas tasas de desempleo del país, se prefirieron métodos que empleaban una gran cantidad de mano de obra local.
En estas obras se utilizó principalmente un tipo de rollos de fascine desarrollados localmente, conocidos como mata . Los huecos finales se cerraron rápidamente en un solo ciclo de marea. Cabe destacar que el cierre de Gangrail falló dos veces.
En los años 1977/78, se cerró el arroyo Madargong, salvaguardando una zona agrícola de 20.000 hectáreas. En el lugar del cierre, el arroyo tenía una anchura de 150 metros y una profundidad de 6 metros por debajo del nivel medio del mar. El año siguiente, 1978/79, se cerró el Chakamaya Khal, que presentaba un prisma de marea de 10 millones de metros cúbicos, una amplitud de marea de 3,3 metros, una extensión de 210 metros de anchura y 5 metros de profundidad. [22] : p731-743
En 1985, se construyó una represa en el río Feni para crear un embalse de riego que cubría 1.200 hectáreas. [20] : capítulo 11 El proyecto se distinguía por su petición explícita de utilizar productos locales y mano de obra. El hueco de 1.200 metros de ancho debía sellarse durante una marea muerta. El día del cierre, 12.000 trabajadores colocaron 10.000 bolsas en el hueco. [20] : capítulo 11
En 2020, la presa Nailan, construida originalmente en la década de 1960, sufrió una ruptura que requirió reparación. En ese momento, la cuenca cubría un área de 480 hectáreas, con un rango de marea que variaba de 2,5 a 4 metros (marea muerta a marea viva). La ruptura se extendió por un ancho de 500 metros, con un prisma de marea de 7 millones de metros cúbicos. El cierre se logró mediante el despliegue de una cantidad sustancial de geobolsas, con un peso de hasta 250 kg, aunque la mayoría de las bolsas en el núcleo pesaban 50 kg. La brecha se redujo progresivamente a 75 metros, el ancho de la brecha de cierre final, que se selló en un ciclo de marea durante una marea muerta. Para facilitar esto, se erigieron dos filas de empalizadas en la brecha, y se utilizaron bolsas para llenar el espacio entre ellas, creando efectivamente una ataguía. [20] : capítulo 15
Los métodos de cierre se pueden clasificar en dos grupos principales: cierres graduales y cierres repentinos. Dentro de los cierres graduales, se identifican cuatro métodos distintos: cierre horizontal sin un umbral significativo (a), cierre vertical (b), cierre horizontal con un umbral (c) y cierres de arena. Los cierres de arena se diferencian además en tipos horizontales y verticales. Los cierres repentinos se logran típicamente mediante el despliegue de cajones (de compuerta) , a menudo colocados sobre un umbral (d).
El desafío de sellar una entrada de mar radica en el fenómeno de que, a medida que el área de flujo de la brecha de cierre disminuye debido a la construcción de la presa, la velocidad del flujo dentro de esta brecha aumenta. Esta aceleración puede llegar a ser tan significativa que el material depositado en la brecha se arrastra inmediatamente, lo que provoca la falla del cierre. Por lo tanto, calcular con precisión el caudal es crucial. Dado que la longitud de la cuenca suele ser pequeña en relación con la longitud de la ola de marea, este cálculo se puede realizar normalmente utilizando un "enfoque de área de almacenamiento" (para obtener más detalles, consulte el final de esta página). Esta metodología permite la creación de gráficos sencillos que representan las velocidades dentro de una brecha de cierre a lo largo del proceso de cierre.
En la técnica de cierres horizontales con piedra, se coloca piedra desde ambos lados en el hueco de cierre. La piedra debe ser lo suficientemente pesada para contrarrestar la mayor velocidad que resulta del perfil de flujo reducido. Una complicación adicional es la creación de remolinos turbulentos , que conducen a una mayor erosión del lecho marino. Por lo tanto, es fundamental colocar una base de piedra antes de comenzar el cierre. El cierre del Zuiderzee en 1932, como se muestra en la fotografía adjunta, ilustra vívidamente la turbulencia aguas abajo en el hueco de cierre. Cabe destacar que durante el cierre de Afsluitdijk , se utilizó arcilla de canto rodado de una manera similar a la piedra, lo que evitó la necesidad de costosas importaciones de piedra de protección.
En los Países Bajos, los cierres horizontales de piedra han sido relativamente poco comunes debido a los altos costos asociados con la piedra de protección y la protección del suelo requerida previamente. Por el contrario, en países donde la piedra es más asequible y los suelos son menos propensos a la erosión, los cierres horizontales de piedra se emplean con mayor frecuencia. Un ejemplo notable de este método fue el cierre del estuario de Saemangeum en Corea del Sur , donde la escasez de piedra pesada llevó al uso innovador de piedra empaquetada en redes de acero como material de vertido. [23] Los desafíos logísticos de transportar y desplegar piedra, especialmente dentro de las limitaciones de un marco de tiempo ajustado para prevenir la erosión excesiva del fondo, a menudo plantean desafíos significativos.
Desde un punto de vista hidráulico, los cierres verticales son preferibles debido a su menor turbulencia y la consiguiente minimización de los problemas de erosión del suelo. Sin embargo, su implementación es más compleja. Para las partes de la presa sumergidas bajo el agua, se pueden utilizar volcadores de piedras (ya sea de fondo o laterales). Sin embargo, esto resulta poco práctico para los segmentos finales debido a la profundidad navegable insuficiente. Existen dos alternativas: la construcción de un puente auxiliar o el uso de un teleférico.
Un puente auxiliar permite depositar directamente piedra de protección en el hueco de cierre. Este método se contempló para el cierre de Oesterdam en las Obras del Delta , pero finalmente se consideró más costoso que el cierre con arena. En los Países Bajos, esta técnica se aplicó durante el cierre del dique alrededor del pólder De Biesbosch en 1926, donde un puente temporal facilitó el vertido de materiales en el hueco utilizando carros basculantes propulsados por una locomotora de vapor.
La construcción de un puente auxiliar para cerrar brechas más grandes y profundas puede resultar extremadamente engorrosa, por lo que se prefiere el uso de teleféricos en los cierres de Delta Works. La primera aplicación de un teleférico fue para la brecha norte de Grevelingendam , que sirvió como prueba para recopilar información para posteriores cierres más grandes, como Brouwershavense Gat y Oosterschelde.
El transporte de piedra por cable se realizaba con vagones con propulsión independiente, lo que mejoraba la capacidad de transporte mediante el tráfico en un solo sentido. El diseño del sistema, fruto de la colaboración entre Rijkswaterstaat y la empresa francesa Neyrpic , minimizaba los riesgos de averías en toda la red. El teleférico, de tipo "blondin automoteur continu", tenía una longitud de aproximadamente 1200 m, con una vía continua sostenida por dos cables de transporte y plataformas giratorias terminales para el traslado de vagones. Inicialmente, la piedra se transportaba en contenedores de acero con descarga inferior, que más tarde se complementaron con redes de acero, lo que permitía una velocidad de descarga de 360 toneladas por hora.
Sin embargo, la capacidad de carga del sistema resultó insuficiente, por lo que se decidió cambiar a bloques de hormigón de 1 m3 ( 2500 kg) para los cierres posteriores (Haringvliet y Brouwersdam). Aunque estaba previsto para el cierre de Oosterschelde, un cambio de política llevó a la construcción de una barrera contra las mareas de tormenta, prescindiendo del uso del teleférico para este fin.
Además de utilizar piedra de protección, los cierres también se pueden realizar únicamente con arena. Este método requiere una capacidad de dragado considerable . En los Países Bajos, los cierres de arena se han implementado con éxito en varios proyectos, incluidos el Oesterdam , el Philipsdam y la construcción del Second Maasvlakte . [24]
Los cierres de arena implican el empleo de una capacidad de vertido dentro del espacio de cierre que introduce más material por ciclo de marea del que puede ser removido por la corriente. A diferencia de los cierres de piedras, el material utilizado aquí es inherentemente inestable bajo las velocidades de flujo encontradas. Por lo general, los cierres de arena no requieren protección del suelo. Esto, entre otras razones, hace que el cierre de arena sea una solución rentable cuando se utiliza arena de origen local. Desde 1965, numerosos canales de marea se han sellado de manera efectiva utilizando arena, con la ayuda de las capacidades cada vez mayores de las modernas dragas de succión de arena.
Estos avances han permitido la entrega rápida y voluminosa de arena para cierres más grandes, tolerando pérdidas de arena durante la fase de cierre de hasta un 20 a 50%. Los cierres de arena iniciales de los canales de marea, incluido el Ventjagersgatje en 1959 [25] y la entrada sur del puente Haringvliet en 1961, contribuyeron al desarrollo de un método de cálculo básico para los cierres de arena. Los cierres de arena posteriores proporcionaron una validación práctica para este método, refinando las predicciones de pérdidas de arena.
En la siguiente tabla se describen varios canales que se han cerrado utilizando arena, ilustrando la aplicación y eficacia de la técnica. [26] [27] [28]
Nota: Varios compartimentos no incluían cuencas completamente cerradas, lo que hacía que el sistema métrico de área de superficie no fuera aplicable.
Durante el cierre del Geul en la desembocadura del Oosterschelde —caracterizado por una capacidad de marea de aproximadamente 30 millones de metros cúbicos y una profundidad máxima de 10 metros por debajo del nivel medio del mar (MSL)— la presa de Oosterschelde entre las islas de trabajo de Noordland y Neeltje Jans en 1972 registró pérdidas de arena minimizadas gracias al empleo de dragas de succión de alta capacidad. Esta estrategia logró una tasa de extracción de arena superior a los 500.000 metros cúbicos por semana, distribuidos en tres dragas de succión. También se demostró que iniciar el cierre desde un lado y avanzar hacia la parte menos profunda de la brecha reduce efectivamente las pérdidas de arena. Este enfoque aseguró la distancia más corta posible para que la arena se depositara hacia la culminación del cierre, especialmente durante los períodos de máxima velocidad de flujo.
Esta técnica explica en parte las importantes pérdidas de arena, de aproximadamente el 45%, observadas durante el cierre del Brielse Gat, que tiene una profundidad máxima de 2 metros por debajo del nivel del mar y donde la arena se depositó desde ambos lados hacia el centro. La opción de un único lugar de depósito de arena, si bien reduce las pérdidas de arena, requiere una capacidad de succión sustancial y da como resultado una presa de cierre notablemente más ancha para acomodar todas las tuberías de descarga.
Una característica definitoria de los cierres de arena es el movimiento y la consiguiente pérdida del material de construcción. El principio que sustenta un cierre de arena se basa en la producción de más arena de la que se pierde durante el proceso. Las pérdidas de arena se producen diariamente en condiciones de flujo promedio a través del espacio de cierre, dependiendo de la dinámica del flujo. En el contexto de "resistencia y carga", la "resistencia" de un cierre de arena está representada por su capacidad de producción, mientras que la "carga" es la pérdida resultante. Un cierre se considera exitoso cuando la producción supera la pérdida, lo que lleva a un estrechamiento gradual del espacio de cierre. [29]
La capacidad de producción, que incluye un sitio de extracción lo suficientemente grande para la arena, debe superar la pérdida máxima prevista durante la operación de cierre. En consecuencia, el estudio de viabilidad para un cierre de arena (completo) debe concentrarse inicialmente en identificar la fase asociada con las pérdidas máximas. Empleando condiciones de contorno hidráulicas, la pérdida de arena para cada fase de cierre se puede calcular y representar gráficamente como se ilustra. El eje horizontal en el diagrama representa el tamaño de la brecha de cierre, lo que indica que la capacidad representada es insuficiente para un cierre de arena en estas condiciones.
Un cierre de arena se vuelve viable si se puede mantener una producción de arena suficiente cerca de la brecha de cierre para superar la fase con las mayores pérdidas. El criterio esencial es que la pérdida de marea promedio se mantenga por debajo de la producción. Sin embargo, existen considerables incertidumbres tanto en las pérdidas calculadas como en la producción prevista, lo que requiere una atención cuidadosa. La curva de pérdida, como función del área de la brecha de cierre, generalmente presenta un solo pico. La pérdida máxima generalmente se encuentra cuando el área de la brecha de cierre está entre el 0 y el 30% de su tamaño inicial. Por lo tanto, los cálculos de pérdida inicial se pueden restringir a este rango de tamaños de brecha de cierre.
Curiosamente, la pérdida máxima de arena no coincide con la casi finalización del agujero de cierre. A pesar de las velocidades de flujo potencialmente altas, el ancho erosionado del agujero de cierre es mínimo, lo que mantiene bajas las pérdidas totales de arena. Las condiciones de contorno hidráulicas se pueden determinar utilizando un enfoque de almacenamiento/área. [30]
En general, los cierres de arena son teóricamente factibles para velocidades máximas de flujo de hasta aproximadamente 2,0 a 2,5 m/s. Más allá de estas velocidades, lograr un cierre de arena se vuelve virtualmente imposible debido a los caudales resultantes, que están influenciados por el caudal de referencia U0 y el coeficiente de descarga μ. El coeficiente de descarga μ se ve afectado tanto por las pérdidas por fricción como por la desaceleración dentro del espacio de cierre, siendo las pérdidas por fricción notablemente significativas debido a las grandes dimensiones de las presas de arena. En consecuencia, la elección de la distancia de medición del gradiente afecta significativamente al coeficiente de descarga, que exhibe una variabilidad considerable. Sin embargo, esta variabilidad disminuye durante la fase final crucial del cierre, donde se recomienda un valor de 0,9 como límite superior razonable para el coeficiente de descarga. [31] La velocidad de flujo real dentro del espacio de cierre se determina aplicando el enfoque del área de almacenamiento, ajustado por el coeficiente de descarga.
_gesloten._Een_caisson_wordt_door_sleepbote%E2%80%A6,_Bestanddeelnr_120-1222.jpg/1280px-Dijk_bij_Fort_Rammenkens_(Walcheren)_gesloten._Een_caisson_wordt_door_sleepbote%E2%80%A6,_Bestanddeelnr_120-1222.jpg)
Un cierre repentino implica el sellado rápido de una entrada de marea o una brecha en un dique. Esto se prepara típicamente de tal manera que la brecha se pueda cerrar por completo en una acción rápida durante la marea baja . El uso de cajones o cajones de compuerta es común, aunque también se han empleado otros métodos únicos, como bolsas de arena o barcos. Los cajones se utilizaron inicialmente como una respuesta de emergencia para sellar las brechas de los diques después de la Batalla Aliada de Walcheren en 1944 y posteriormente después de la inundación del Mar del Norte de 1953. Desde entonces, esta técnica se ha perfeccionado y aplicado en los proyectos de Delta Works.
El cierre con cajones consiste en sellar el hueco con un cajón, que es básicamente una gran caja de hormigón. Este método se aplicó por primera vez en los Países Bajos para reparar las brechas de los diques resultantes de los ataques aliados a Walcheren en 1944. Al año siguiente, en Rammekens, los cajones sobrantes ( cajones Phoenix ) procedentes de Inglaterra, utilizados originalmente para la construcción de los puertos de Mulberry tras el desembarco de las tropas aliadas en Normandía, se reutilizaron para la reparación de diques.
Tras el desastre de la tormenta de 1953, se contempló el cierre de numerosas brechas con cajones. Dada la incertidumbre en torno a los tamaños finales de las brechas y la naturaleza lenta de la construcción de los cajones, se tomó la decisión poco después del 1 de febrero de 1953 de prefabricar una cantidad considerable de cajones relativamente pequeños. Estos se emplearon estratégicamente en varios sitios y, más tarde, dentro de las Obras del Delta. [32]
También se utilizó un suministro limitado de cajones Phoenix de mayor tamaño procedentes de los puertos de Mulberry para sellar algunas brechas extensas en diques, en particular en Ouwerkerk y Schelphoek.
Para hundir con éxito un cajón, es imprescindible que la velocidad del flujo dentro del espacio de cierre sea mínima; por lo tanto, la operación se lleva a cabo durante la marea baja. Dado el período extremadamente breve durante el cual la corriente está realmente quieta, el proceso de hundimiento debe comenzar mientras el flujo de marea se mantiene a una velocidad baja manejable. Las experiencias anteriores con cierres de cajones han demostrado que esta velocidad no debe superar los 0,3 m/s, lo que guía el cronometraje de las diversas fases de la operación de la siguiente manera:
Este programa dicta que las velocidades de flujo deben reducirse a 0,30 m/s como máximo 13 minutos antes de que comience la marea baja y a 0,75 m/s como máximo 30 minutos antes. Considerando la naturaleza sinusoidal de las mareas en los Países Bajos, con un ciclo de 12,5 horas, la velocidad máxima en el canal de cierre no debe superar los 2,5 m/s. Este umbral de velocidad se puede determinar mediante un análisis de almacenamiento/cuenca. El diagrama adjunto ilustra los resultados para alturas de umbral en MSL -10 m y MSL -12 m, lo que indica que es necesario un umbral en MSL -12 m ya que el tiempo de hundimiento en MSL -10 m es insuficiente. En consecuencia, los cierres de cajones solo son factibles a profundidades considerables del canal. [22] [33]
El reto de sellar huecos mayores con cajones es que el área de flujo disminuye a medida que se colocan más cajones, lo que da como resultado velocidades de flujo significativamente mayores (que superan los 2,5 m/s antes mencionados), lo que complica la colocación adecuada del cajón final. Este problema se soluciona mediante el uso de cajones de esclusa, que básicamente son cajas equipadas con compuertas en un lado. Durante la instalación, estas compuertas se cierran para mantener la flotabilidad y el lado opuesto se sella con tablas de madera.
Una vez que se coloca cada cajón, se quitan las tablas y se abren las compuertas, lo que permite que la corriente de marea pase con una impedancia mínima. Este enfoque garantiza que el área de flujo no se reduzca drásticamente y que las velocidades de flujo permanezcan manejables, lo que facilita la colocación de cajones posteriores. Una vez que se colocan todos los cajones, las compuertas se cierran cuando el agua está en calma, lo que completa el cierre. Posteriormente, se rocía arena frente a la presa y se retiran las compuertas junto con otros mecanismos móviles, que quedan disponibles para su reutilización en futuros cierres. [22] : p. 627–639
Los cajones de esclusa se emplearon primero para cerrar el Veerse Gat , y posteriormente se utilizaron en Brouwersdam y Volkerak . [34] [35] También se utilizaron para cerrar el Lauwerszee . [36]
En el caso de los cierres de cajones, es fundamental mantener el mayor perfil de flujo efectivo posible durante la instalación. Además, el coeficiente de descarga debe ser lo más alto posible, lo que indica el grado en que la forma del cajón obstruye el flujo.
Se debe maximizar el área de flujo de cada cajón. Esto se puede lograr de la siguiente manera:
Además del área de flujo, el coeficiente de descarga es de suma importancia. Las medidas para mejorar el coeficiente de descarga incluyen:
La siguiente tabla proporciona los coeficientes de descarga de varios cajones de compuerta diseñados en los Países Bajos.
En circunstancias excepcionales, por lo general durante emergencias como las brechas de diques, se intenta sellar la brecha maniobrando un barco dentro de ella. A menudo, este método falla debido a la falta de correspondencia entre las dimensiones del barco y la brecha. Se han registrado casos en los que el barco, una vez dirigido hacia la brecha, fue desalojado por la poderosa corriente. Otro problema frecuente es la incompatibilidad del fondo del barco con el lecho marino de la brecha, lo que provoca socavación. La fuerte corriente resultante erosiona aún más el lecho marino debajo del barco, lo que hace que el intento de cierre sea infructuoso. Una excepción notable ocurrió en 1953 durante una brecha de dique a lo largo del Hollandse IJssel , que se selló con éxito; un monumento conmemora este evento más tarde. [38]
En Corea, en 1980 se intentó cerrar una entrada de mareas utilizando un viejo petrolero. Hay poca información disponible sobre el resultado de este intento, lo que sugiere que puede que no haya sido especialmente exitoso, especialmente si se tienen en cuenta los numerosos cierres posteriores en Corea en los que se ha utilizado piedra. Imágenes posteriores de Google Earth indican que el barco fue finalmente retirado tras el cierre de la presa.
Otro método de cierre único es el uso de sacos de arena y una gran cantidad de mano de obra. Este enfoque se empleó durante la construcción de la presa en el río Feni, en Bangladesh . Cuando la marea estaba baja, el lecho del río en el lugar del cierre quedó casi completamente expuesto.
Se instalaron doce depósitos, cada uno con 100.000 sacos de arena, a lo largo de la brecha de cierre de 1.200 m de ancho. El día del cierre, 12.000 trabajadores desplegaron estos sacos en la brecha durante un lapso de seis horas, superando la marea creciente. Al final del día, la entrada de marea estaba sellada, aunque solo hasta los niveles de agua típicos de las mareas muertas. En los días siguientes, la presa se aumentó aún más con arena para resistir las mareas vivas y, durante los siguientes tres meses, se reforzó para resistir mareas de tormenta hasta 10 metros por encima de la base de la presa. [39] [40]
Utilización del prisma de marea para cálculos de velocidad en el cuello de una entrada de marea
Si una cuenca de marea es relativamente corta (es decir, su longitud es menor en comparación con la longitud de la ola de marea [41] ), se supone que el nivel del agua de la cuenca permanece uniforme, simplemente subiendo y bajando con la marea. Bajo este supuesto, el almacenamiento de la cuenca ( prisma de marea ) es igual a su área de superficie multiplicada por el rango de marea. [42]
La fórmula para el almacenamiento de la cuenca se simplifica entonces a:
Esta metodología facilita una estimación fiable de las velocidades de la corriente dentro de la entrada de marea, esencial para su cierre final. Esta técnica, denominada enfoque del área de almacenamiento, proporciona un medio sencillo para medir las condiciones hidráulicas locales esenciales para la construcción de la barrera. [43]
En este enfoque, el movimiento del agua del estuario se modela sin efectos de fricción e inercia, lo que conduce a:
donde es el caudal en la entrada, es el área de almacenamiento de la cuenca y es la tasa de cambio del nivel del agua.
El sistema de almacenamiento de cuenca representado supone:
Para un vertedero imperfecto:
Y para un vertedero perfecto:
Los significados de los símbolos son los siguientes:
La combinación de estos factores da como resultado la ecuación de almacenamiento de la cuenca, lo que facilita la elaboración de gráficos de velocidad dentro del espacio de cierre. Un gráfico de ejemplo para una amplitud de marea de 2,5 m (por lo tanto, un rango total de 5 metros) muestra las velocidades como funciones de la relación entre el área de almacenamiento de marea (B) y el ancho del espacio de cierre (W g ) y la profundidad del umbral (d'). El rojo indica cierres verticales, el naranja horizontales y el verde una combinación, lo que resalta las diferencias de velocidad entre los tipos de cierre. [43]
{{cite book}}: CS1 maint: date and year (link)