El derrumbe de una ribera fluvial puede producirse cuando las fuerzas gravitacionales que actúan sobre ella superan las fuerzas que mantienen unido el sedimento . El derrumbe depende del tipo de sedimento, la estratificación y el contenido de humedad . [1]
Todas las orillas de los ríos experimentan erosión , pero el fallo depende de la ubicación y la velocidad a la que se produce la erosión. [2] El fallo de las orillas de los ríos puede ser causado por la ubicación de las casas, la saturación de agua, el peso en la orilla del río, la vegetación y/o la actividad tectónica. Cuando las estructuras se construyen demasiado cerca de la orilla del río, su peso puede exceder el peso que la orilla puede soportar y causar hundimientos , o acelerar los hundimientos que ya pueden estar activos. [1] [3] A estas tensiones se puede sumar el aumento de la saturación causada por el riego y los sistemas sépticos , que reducen la resistencia del suelo. [4] Si bien la vegetación de raíces profundas puede aumentar la resistencia de las orillas de los ríos, el reemplazo con césped y vegetación de raíces menos profundas puede debilitar el suelo. La presencia de césped y caminos de acceso de hormigón concentra la escorrentía en la orilla del río, debilitándola aún más. Los cimientos y las estructuras aumentan aún más la tensión. [3] Aunque cada modo de falla está claramente definido, la investigación de los tipos de suelo, la composición de las orillas y el medio ambiente deben definirse claramente para establecer el modo de falla, de los cuales pueden estar presentes múltiples tipos en la misma área en diferentes momentos. Una vez que se ha clasificado la falla, se pueden tomar medidas para prevenir una mayor erosión. Si la falla es tectónica, la investigación de sus efectos puede ayudar a comprender los sistemas aluviales y sus respuestas a diferentes tensiones.
La ribera de un río se puede dividir en tres zonas: zona de pie, zona de ribera y zona de desbordamiento. La zona de pie es la zona más susceptible a la erosión. [2] Debido a que se encuentra entre el nivel de agua ordinario y el nivel de agua baja, se ve fuertemente afectada por corrientes y eventos erosivos. [2] La zona de ribera está por encima del nivel de agua alto ordinario, pero aún puede verse afectada periódicamente por corrientes y recibe la mayor cantidad de tráfico humano y animal. El área de desbordamiento está tierra adentro tanto de la zona de pie como de la zona de ribera, y se puede clasificar como llanura de inundación o acantilado, dependiendo de su pendiente. [2] La ribera de un río responderá a la actividad erosiva en función de las características del material de la ribera. El tipo de ribera más común es una ribera estratificada o interestratificada, que consiste en capas sin cohesión intercaladas con capas cohesivas. [5] Si el suelo cohesivo está en el pie de la ribera, controlará la tasa de retroceso de la capa suprayacente. Si el suelo no cohesivo se encuentra en la base del banco, estas capas no están protegidas por las capas de suelo cohesivo. Un banco de lecho rocoso suele ser muy estable y experimentará una erosión gradual. Un banco cohesivo es muy susceptible a la erosión en épocas de descenso de los niveles de agua debido a su baja permeabilidad . [2] Las fallas en suelos cohesivos se producirán en superficies de falla rotacionales o planares, mientras que en suelos no cohesivos las fallas se producirán en forma de avalancha . [5]
Los procesos hidráulicos en la superficie del agua o debajo de ella pueden arrastrar sedimentos y causar erosión directamente. Los bancos no cohesivos son particularmente vulnerables a este tipo de falla, debido a la socavación de los bancos, la degradación del lecho y la limpieza de la base. [6]
La erosión hidráulica de la punta del río ocurre cuando el flujo va en dirección a una orilla en la curva del río y la velocidad más alta se encuentra en el borde exterior y en la profundidad central del agua. [5] Las fuerzas centrífugas elevan la elevación del agua de modo que es más alta en la curva exterior y, a medida que la gravedad empuja el agua hacia abajo, se produce una espiral helicoidal rodante, con velocidades descendentes contra la orilla (fuerza erosiva). [2] Será más alta en curvas cerradas. La peor erosión se producirá inmediatamente aguas abajo del punto de máxima curvatura. En los casos con capas no cohesivas, las corrientes eliminan el material y crean un voladizo en voladizo de material cohesivo. La cizalladura excede la cizalladura crítica en la punta del banco y las partículas se erosionan. Esto luego causa un voladizo que eventualmente resulta en el retroceso del banco y su falla. [2]
Las fallas geotécnicas ocurren generalmente debido a tensiones en la orilla que exceden las fuerzas que la orilla puede soportar. Un ejemplo es la sobresaturación de la orilla después de una disminución del nivel del agua desde la llanura de inundación hasta los niveles normales de la orilla. La presión del agua intersticial en la orilla saturada reduce la resistencia al corte por fricción del suelo y aumenta las fuerzas de deslizamiento. [5] Este tipo de falla es más común en suelos de grano fino porque no pueden drenar tan rápidamente como los suelos de grano grueso. [2] Esto puede acentuarse si las orillas ya se han desestabilizado debido a la erosión de arenas sin cohesión, que socava el material de la orilla y conduce al colapso de la orilla. [5] Si la orilla ha estado expuesta al ciclo de congelación y descongelación, las grietas de tensión pueden provocar la falla de la orilla. La humedad del subsuelo debilita el corte interno. [2] La acción capilar también puede reducir el ángulo de reposo de la orilla a menos que la pendiente existente de la orilla. Esto hace que la pendiente sea demasiado empinada y puede provocar el colapso cuando el suelo se seca. [2]
Las tuberías pueden fallar cuando aumenta la presión de filtración de agua subterránea, así como la velocidad del flujo. Esto provoca el colapso de una parte de la ribera. La falla generalmente se debe al flujo selectivo de agua subterránea a lo largo de capas saturadas intercaladas dentro de riberas de ríos estratificadas, con capas de arena y material más grueso entre capas de material cohesivo más fino. [6]
Los cambios en la pendiente del fondo del valle pueden influir en los ríos aluviales, lo que puede ocurrir debido a la tectónica . Esto puede causar el colapso de las riberas del río, lo que resulta en peligros para las personas que viven cerca del río y para estructuras como puentes, tuberías y cruces de líneas eléctricas. Si bien los ríos grandes y de flujo rápido deberían mantener sus trayectorias de flujo originales, los gradientes bajos hacen que los efectos causados por los cambios de pendiente sean mayores. [7] El colapso de las riberas como resultado de la tectónica también puede conducir a la avulsión, en la que un río abandona su propio cauce fluvial a favor de formar uno nuevo. [7] La avulsión debido a la tectónica es más común en los ríos que experimentan un alto nivel, en el que el colapso de las riberas ha llevado a una pérdida de diques naturales debido a la licuefacción y las fracturas de un terremoto. [8]
La falla gravitacional incluye deslizamientos superficiales y rotacionales, fallas de losas y voladizos, y flujos de tierra y flujos granulares secos. Es el proceso de desprender sedimentos principalmente de un banco cohesivo y transportarlos fluvialmente.
La falla superficial ocurre cuando una capa de material se mueve a lo largo de planos paralelos a las superficies del banco. La falla es típica de los suelos con baja cohesión y ocurre cuando el ángulo del banco excede el ángulo de fricción interna. [5] Los bloques de tamaño pequeño a mediano son expulsados en o cerca de la base de la orilla del río debido a la presión excesiva del agua de poro y la sobrecarga . La losa de material en la mitad inferior del banco se caerá, dejando una cavidad en forma de alcoba. La falla generalmente se asocia con bancos empinados y materiales de banco cohesivos de grano más fino saturados que permiten la acumulación de presión positiva del agua de poro y una fuerte filtración dentro de la estructura. [6]
La falla por estallido es cuando los bloques de tamaño pequeño a mediano son expulsados en o cerca de la base de la orilla del río debido a la presión excesiva del agua de poro y la sobrecarga. La losa de material en la mitad inferior del banco se desprenderá, dejando una cavidad en forma de nicho. La falla generalmente se asocia con bancos empinados y materiales de banco cohesivos de grano más fino saturados que permiten la acumulación de presión positiva de agua en los poros y una fuerte filtración dentro de la estructura. Los bloques de tamaño pequeño a mediano son expulsados en la base del banco del río o cerca de ella debido a la presión excesiva de agua en los poros y la sobrecarga. [6]
La falla de una losa es el deslizamiento y el derrumbe hacia adelante de una masa profunda dentro del cauce del río. Las fallas se asocian con riberas cohesivas de grano fino, empinadas y de baja altura, y ocurren durante condiciones de bajo caudal. Son el resultado de una combinación de erosión en la punta de la ribera, alta presión de agua intersticial en el material de la ribera y grietas de tensión en la parte superior de la ribera. [6]
Las fallas en voladizo ocurren cuando un bloque que sobresale se derrumba dentro del canal. [5] La falla ocurre a menudo después de que el banco ha sufrido socavación. La falla se produce generalmente en un material compuesto de grano fino y grueso, y se activa durante condiciones de bajo flujo. [6]
Las fallas causadas por el flujo granular seco ocurren típicamente en bancos no cohesivos en el ángulo de reposo o cerca de él, que están socavados. Esto aumenta el ángulo de banco local por encima del ángulo de fricción, y los granos individuales ruedan, se deslizan y rebotan por el banco en una capa. La acumulación generalmente ocurre en la punta. [6]
Un flujo de tierra húmedo ocurre cuando la pérdida de resistencia de una sección del banco debido a la saturación aumenta el peso del banco y disminuye la resistencia del material del banco, de modo que el suelo fluye como un líquido viscoso. [2] Este tipo de falla generalmente ocurre en bancos de ángulo bajo y el material afectado fluye por el banco para formar lóbulos de material en la punta. [6]
La falla de una viga ocurre como resultado de grietas de tensión en el voladizo, y ocurre solo cuando la parte inferior de un bloque de voladizo falla a lo largo de una superficie de falla casi horizontal. [6]
Los terremotos de New Madrid de 1811-12 fueron causados por terremotos en el río Misisipi y representan una falla de la ribera causada por la actividad tectónica en la Zona Sísmica de New Madrid (NMSZ). [9] La NMSZ es el resultado de un sistema de rift fallido que sigue siendo débil en la actualidad y, por lo tanto, es propenso a fallas y actividad sísmica. [9] Los terremotos causaron una falla inmediata de la ribera, en la que las riberas superficiales cayeron por encima y por debajo de la superficie del agua, lo que provocó oleajes lo suficientemente grandes como para hundir un barco. [7] Algunos oleajes fueron causados por el sedimento que caía al río, pero en otras ocasiones, los propios oleajes que golpeaban las riberas hicieron que grandes áreas de las riberas del Misisipi cayeran a la vez. [7] Se vio que las aguas del Misisipi fluían hacia atrás, debido a los choques causados por el terremoto. [8] Se introdujeron grandes cantidades de sedimento en el río. Se vio hundimiento de las riberas río abajo hasta Memphis, Tennessee . Los desplazamientos verticales pueden haber sido la fuente principal de turbulencia, aunque de corta duración. [7]
El desprendimiento de la ribera se produjo en el río Rojo y sus afluentes. Fue causado por la erosión y representa un desplome. El desprendimiento se produce en esta zona porque las riberas de los ríos están compuestas de arcilla, debido a la deposición glacial y lacustre, a diferencia de sedimentos más resistentes como la arena o la grava. [1] Lo más común es que el desprendimiento se produzca en la Formación Sherack, que se asienta sobre una formación menos competente llamada las Formaciones Huot y Brenna. [1] La Formación Sherack está compuesta de laminaciones de limo y arcilla, mientras que Brenna es un depósito de arcilla. [10] Estas formaciones menos competentes quedan expuestas cuando la Formación Sherack suprayacente es erosionada por el valle del río. También se pueden formar grietas en la Formación Sherack, lo que provoca debilidad en la arcilla subyacente y desplome. El contacto expuesto entre las formaciones (comúnmente en el área del río Rojo), y por lo tanto la debilidad inherente en este contacto, provoca el desgaste masivo de la ribera del río. [11] La actividad humana cerca de las orillas del río aumenta entonces los riesgos de desprendimiento. [1] Debido a esta interferencia humana, el mejor modo de defensa del río es evitar cargas innecesarias cerca del río y aumentar la conciencia de los problemas que conducen a la falla. [1] Cuando ocurre una falla, es necesario comprender los parámetros geotécnicos de la pendiente, y son los más utilizados para comprender las causas subyacentes. [11] Esto se puede lograr obteniendo valores para el límite plástico y el límite líquido de los suelos. [1]
También son de interés las interacciones entre los caudales fluviales y el aporte de sedimentos. El río Rojo y Minnesota reciben aportes del río Pembina del noreste de Dakota del Norte. [10] Las tasas de erosión son muy altas para este río y provocan una erosión extensa y pronunciada de las orillas del río. Este aumento de la escorrentía produce un mayor caudal fluvial y, por lo tanto, mayores eventos de erosión aguas abajo, como en el río Rojo. [10]
La falla de las orillas de los ríos depende de muchas soluciones, las más comunes de las cuales son la estabilización con cal y muros de contención , escollera y tablestacas , mantenimiento de vegetación profunda, hileras y zanjas, sacos y bloques, gaviones y colchones, suelo-cemento y evitar la construcción de estructuras cerca de las orillas del río. [12]
Enrocamiento formado por rocas y otros materiales, dispuestos de forma que se inhiban los procesos erosivos en la orilla de un río. Este método es caro y puede fallar, pero se puede utilizar en grandes áreas. [3] El fracaso se observa cuando la orilla sufre erosión por partículas, debido a que las piedras son demasiado pequeñas para resistir el esfuerzo cortante, la eliminación de piedras individuales debilita el enrocamiento en general, la pendiente lateral de la orilla es demasiado pronunciada para que el enrocamiento resista las fuerzas de desplazamiento o la gradación del enrocamiento es demasiado uniforme (nada para rellenar espacios pequeños). El fracaso también puede ocurrir por hundimiento, deslizamiento traslacional o hundimiento modificado. [12]
Las hileras son acumulaciones de material resistente a la erosión en la orilla de un río, donde si se entierran, se conocen como trincheras. Cuando la erosión persiste en un lugar ya determinado, estas hileras y trincheras se deslizan hacia abajo con la orilla para protegerla de futuras apariciones de erosión. [13] Esto permite la necesidad de un trabajo de diseño mínimo, ya que la instalación es simple en orillas altas, aunque otros métodos podrían provocar fallas. [12] Las desventajas incluyen que las ventanas y las trincheras continúan erosionándose hasta que intersectan el material resistente a la erosión. Se ha visto que los resultados de este método son inconsistentes, ya que la pendiente pronunciada de la orilla conduce a un aumento de la velocidad del río. [12]
Durante las inundaciones se pueden utilizar sacos y bloques, que se rellenan con material para favorecer el drenaje y el crecimiento de la vegetación. Este método requiere más mano de obra y mayores cantidades de material de relleno, ya que todos los sacos y bloques deben ser del mismo tamaño. [12]
Los gaviones son cajas de alambre rectangulares apiladas y llenas de piedras. Son útiles en pendientes pronunciadas cuando el agua es demasiado rápida para utilizar una técnica de enrocado. Son costosos y requieren mucha mano de obra, además de requerir una inspección periódica para detectar daños y un mantenimiento posterior, aunque se ha visto que han demostrado un rendimiento positivo. [13]
Los gaviones de colchón son cestas anchas y poco profundas, útiles en las riberas lisas de los ríos para el crecimiento de la vegetación. Atados uno al lado del otro y colocados en capas uno al lado del otro en superficies poco profundas, crean una manta de protección contra la erosión. [12]
Los colchones de hormigón articulados se utilizan en grandes ríos como el Mississippi y consisten en bloques de hormigón sujetos por varillas de acero. [12] Son rápidos de usar y tienen buena reputación; permiten cubrir por completo la orilla del río cuando se colocan correctamente, lo que a su vez conduce a un buen historial de servicio. [12] Sin embargo, los espacios abiertos (8 %) permiten que pase material fino y los espacios entre los bloques pueden provocar la eliminación de la orilla. [13] Desafortunadamente, los colchones en sí no encajan bien en curvas cerradas y puede resultar costoso eliminar la vegetación de la orilla, que es necesaria para su colocación. [12]
La colocación exacta del cemento de suelo puede variar según la pendiente de la orilla. [14] En ríos con fuerte oleaje, puede ser necesario un patrón escalonado para disipar la energía proveniente de las olas. [12] En condiciones con menor energía de las olas, el cemento puede ser "dispuesto" en láminas paralelas a la pendiente. Sin embargo, esta técnica no puede utilizarse en una pendiente pronunciada. [14] El cemento de suelo puede tener efectos negativos en condiciones de congelación/descongelación, pero efectos positivos en orillas con arena y vegetación, ya que la poca resistencia e impermeabilidad pueden causar fallas. [12]
Existen tres tipos principales de vegetación para prevenir la rotura de las orillas: árboles, arbustos y hierbas. Los árboles proporcionarán sistemas de raíces densos y profundos, lo que aumenta las tensiones que puede soportar la orilla de un río. Los arbustos se clavan en la orilla del río para proporcionar una cubierta protectora contra la erosión, creando una buena cobertura vegetal y estabilidad del suelo. [3] Los esquejes se pueden atar juntos en fascines y colocar en zanjas poco profundas paralelas a la orilla del río. [12] Por lo general, los postes de sauce y álamo son los materiales más útiles, sin embargo, también se pueden utilizar productos de fibra [13] [15] luego se entierran parcialmente y se fijan en su lugar. Estos manojos de esquejes crean estructuras similares a troncos que enraizarán, crecerán y crearán una buena cobertura vegetal. Las estructuras mantienen el suelo en su lugar y protegen la orilla del arroyo de la erosión. [13] El uso de vegetación para contrarrestar los procesos de erosión es el método que requiere más mano de obra, aunque también es el menos costoso. También mejora el hábitat y es estéticamente agradable. Sin embargo, en las orillas empinadas, los árboles pueden no ser capaces de estabilizar la base de la orilla, y el peso del propio árbol puede provocar su derrumbe. También es difícil que crezca vegetación en condiciones como el ciclo de congelación y descongelación . Si no se protege adecuadamente, la fauna y el ganado pueden dañar la vegetación. [12]
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