Traducción de la publicación original en Inglés del artículo:
"The
Design of Harbours in Tidal Areas".
R. Reinalda. (*)
Terra et Aqua.
International Journal on Public Works, Ports and Waterways
Development. International Association of Dredging Companies. The
Hague. The Neetherlands. No. 12/13. January 1977.
(*) R.Reinalda: Head Harbours and Coast Branch of the Delft Hydraulics Laboratory at their Laboratory De Voorst at Emmerloord. The Neetherlands. 1977.
Última revisión: 23 de Julio de 2003
El principal propósito de un puerto es ofrecer un área protegida en la cual puedan atracar los barcos. Dicha área debe ser de fácil acceso, lo cual hace necesaria la construcción de un canal de aproximación amplio y recto cuya dirección coincida con las de las corrientes y de las olas grandes. Adicionalmente es deseable contar con una zona amplia a la entrada para facilitar la maniobra de las embarcaciones.
En la práctica, sin embargo, el puerto óptimo no puede lograrse jamás. Un puerto en costa abierta con canal de aproximación amplio en dirección de las olas más grandes no ofrece nunca un área protegida. Además, la acción fuerte de las olas en el puerto no solamente dificulta el manejo de la carga y las operaciones de atraque sino que también influye en el diseño de las estructuras.
Además de las facilidades de acceso y de la acción de la olas existen otros factores que juegan un papel importante en el diseño de puertos, como los costos de construcción y mantenimiento de rompeolas y de las operaciones de dragado que se requieren para mantener las profundidades de diseño. En algunos casos el aspecto económico es de tal naturaleza que domina sobre los requerimientos de navegabilidad.
El diseño final de un puerto, que incluye además las obras de aproximación, está determinado por una serie de factores cuya importancia depende de las condiciones naturales que predominan en el área. Es esencial tener un buen conocimiento de estas condiciones por medio de estudios de campo apropiados y del análisis de sus efectos sobre el puerto. Debido a la complejidad de los fenómenos naturales, es indispensable algunas veces el uso de modelos a escala reducida.
Las dimensiones principales de un puerto están determinadas tanto por sus funciones como por su capacidad y por el tipo y tamaño de las embarcaciones que va a recibir.
El proyecto de un puerto, y particularmente la configuración de la entrada dependen principalmente de su localización. En este aspecto se hace una distinción entre puertos localizados en la costa, en un río o en un estuario, en un canal o en un lago.
Generalmente los puertos que están situados en la costa del mar se proyectan para trasatlánticos. Las embarcaciones que arriban a estos puertos pueden tener tamaños variables que van desde petroleros hasta barcos pesqueros, lo cual tiene sus consecuencias en el diseño del puerto. En principio, sin embargo, los problemas que deben resolverse son similares , siendo el más importante la penetración de las olas en el puerto y en el caso de costas arenosas la sedimentación de arena tanto en el puerto como en el canal de aproximación, o la posible erosión de la costa.
Como los ríos y los estuarios conforman las rutas naturales de transporte entre el mar y el interior de los continentes, se han desarrollado muchos puertos a lo largo de dichas vías. En la antigüedad fue posible construir puertos marítimos costa adentro porque las dimensiones de las naves que llegaban a los puertos eran relativamente pequeñas. Sin embargo, con el incremento del tamaño de las naves surgieron problemas que tenían que ver con la profundidad disponible y con la amplitud de las vías acuáticas, los cuales no pudieron ser resueltos adecuadamente dentro de los planes de ampliación de dichos puertos.
En general los tramos inferiores de un río, o estuarios, en los cuales las condiciones hidráulicas son determinadas en gran parte por las mareas ofrecen las mejores posibilidades para la navegación hacia el mar y efectivamente, la mayoría de los puertos grandes están situados en ríos sometidos a mareas.
A medida que las demandas inherentes a la navegación crecen se hace necesario el dragado, lo cual puede representar un trabajo bastante intenso y costoso porque habrá sedimentación constinuamente, tanto en el canal de acceso como en el puerto mismo. Algunas veces, en lugar de tratar de mejorar mediante dragado el canal de entrega del río al mar es preferible construir un canal nuevo en cuyo caso el canal artificial de acceso se comporta como un río sometido a mareas.
El mantenimiento de un canal de acceso profundo requiere de un dragado contínuo; además, este canal trae una serie de problemas, entre ellos el de intrusión salina en la costa. En razón de lo anterior, existe actualmente la tendencia de construír los puertos cerca del mar profundo cuando se trata de ofrecer facilidades a naves de gran tamaño.
Algunos puertos que se utilizan tanto para navegación marítima como fluvial se encuentran actualmente sobre las márgenes de canales o vías fluviales. En el caso de puertos marítimos los canales tuvieron que ser dragados cuando las rutas de acceso originales desde el mar dejaron de cumplir con los requerimientos de navegación.
Los puertos que se establecen a lo largo de un canal no presentan muchos problemas porque tanto la profundidad como el ancho del canal pueden adaptarse fácilmente a las demandas de navegación y las operaciones de dragado no son importantes.
Finalmente, se han desarrollado puertos en playas de lagos. Si los lagos son extensos las condiciones son similares a las del mar, excepto en que no se considera la acción de las mareas.
A continuación se presenta una lista de los principales factores hidráulicos, meteorológicos y topográficos que deben tenerse en cuenta cuando se diseña un puerto en un área sometida a mareas:
Puertos en una costa arenosa.
Puertos en el tramo inferior de un río.
En una publicación de esta naturaleza no es posible una discusión completa de los problemas de diseño. Por tanto, solamente serán discutidos con algún detalle algunos aspectos hidráulicos y morfológicos como la sedimentación de lodos y el efecto de los rompeolas en la costa.
Un buen número de puertos que están situados en las partes bajas de ríos aluviales y sus canales de acceso desde el mar están sujetos a una disminución de profundidad por la sedimentación de los lodos y de las arenas finas. En consecuencia se requiere de una operación de dragado permanente, la cual puede afectar la economía del puerto por las dificultades que representa para su adecuado funcionamiento la presencia permanente de dragas. Es recomendable, entonces, diseñar los puertos y sus canales de acceso de tal manera que la sedimentación sea mínima, principalmente cuando exista la probabilidad de que se presente una sedimentación alta.
El lodo es un material muy fino que es transportado por los ríos desde sus áreas de drenaje hasta el mar como sedimento en suspensión; la tendencia del sedimento a caer está contrarrestada por la turbulencia del agua, la cual consiste en una serie de movimientos al azar que hacen que el sedimento en suspensión trate de mezclarse con el agua. El efecto neto de estos procesos de sedimentación y mezcla produce un gradiente en la concentración del sedimento en suspensión, la cual varía desde un máximo cerca al fondo hasta un mínimo en las capas superiores.
En agua dulce la velocidad de caída de las partículas de lodo es muy baja y por tanto la diferencia en contenido de lodos sobre una vertical es generalmente pequeña. En agua salada, sin embargo, las partículas golpean unas con otras y forman "flocks" que se comportan como sedimentos de mayor tamaño. Esto trae como consecuencia que en los tramos bajos de un río, donde el agua dulce se mezcla con el agua salada, el gradiente vertical de la concentración de lodos sea apreciable.De acuerdo con lo anterior, durante los períodos de aguas mansas una parte considerable del sedimento en suspensión se deposita sobre el lecho del río, pero luego cuando la velocidad de la corriente aumenta el lecho puede ser erodado y el material fino tomado nuevamente en suspensión.
Simultáneamente con el transporte vertical de lodos y con los procesos de erosión y sedimentación existe un transporte horizontal generado por las corrientes. El movimiento del agua en los tramos bajos de un río es muy complicado y está influenciado por el caudal, las mareas y la diferencia de densidad entre agua dulce y salada.
Durante períodos de caudales bajos en el tramo inferior del río las corrientes de densidad hacen que las velocidades producidas cuando crece la marea sean mayores en el fondo que cuando la marea disminuye, en tanto que en la superficie el efecto es contrario. Figura No. 1.Como la cantidad de sedimentos en suspensión es mayor en el fondo puede ocurrir un transporte residual de sedimentos hacia aguas arriba.
Cuando el caudal en el tramo inferior del río es grande se presenta un desplazamiento del sedimento desde el río hacia el mar porque el caudal que sale es mayor que el que se devuelve. Al mismo tiempo, el agua dulce del río empuja el agua salada mar adentro.
Como resultado de estos procesos la mayor parte del sedimento en suspensión que transporta el río desde su área de drenaje no es llevado directamente hasta el mar porque es mantenido temporalmente en los tramos bajos del río donde es desplazado en grandes cantidades hacia adelante y hacia atrás por acción de las corrientes de marea.
Cuando se construye un puerto en el tramo bajo de un río entra agua con sedimentos al área dragada del puerto y debido a que las velocidades de las corrientes son pequeñas parte de los sedimentos en suspensión se depositan allí. Esta entrada del agua del río puede ser causada por los siguientes factores:
La tasa de sedimentación debida a las mareas depende de la amplitud de la marea, de las dimensiones del área ocupada por el agua del puerto, del contenido de sedimentos en suspensión en el río y de la velocidad de caída de las partículas. Tanto el ancho como la configuración de la boca de entrada al puerto no tienen influencia.
Si la salinidad del agua del río a la entrada al puerto varía con la marea el intercambnio de agua resultante ejerce influencia principalmente sobre la tasa de sedimentación. En particular, el flujo de agua salada a lo largo del fondo durante la marea alta puede transportar una gran cantidad de sedimento hacia el puerto; la magnitud de este flujo depende en gran parte de la diferencia de densidad entre el agua del río y la del puerto y del perfil de la boca de entrada al puerto. En un puerto pequeño puede ocurrir un intercambio completo de agua sin importar las dimensiones de la boca, pero esta no debe ser tan pequeña que resulte inaceptable para las condiciones de navegación.
Cuando el puerto es grande el tiempo disponible en los ciclos de la marea puede ser tan corto que no se produce intercambio completo del agua. En este caso el ancho mínimo de entrada requerido para navegación debe diseñarse preferiblemente con el criterio de reducir la sedimentación.
Otro efecto de las corrientes de densidad se refleja en el patrón de flujo y por tanto, en las condiciones náuticas. Por ejemplo, una nave que viaje hacia aguas arriba del río encuentra durante períodos de marea una corriente transversal inesperada cuando pasa por la entrada a un puerto como resultado de la salida del agua dulce del puerto por las capas superiores.
En muchos casos no ocurren variaciones en la salinidad del agua del río a la entrada al puerto, de modo que la sedimentación en el puerto es causada solamente por el intercambio de agua debido a las variaciones del nivel y a la mezcla turbulenta. Esta última aumenta con el incremento de la velocidad de las corrientes en el río y con el ancho del canal de entrada al puerto y disminuye cuando aumenta el intercambio de agua debido a variaciones del nivel..
Para un estudio completo de los aspectos anteriormente mencionados son indispensables los modelos a escala reducida, en los cuales pueden observarse los patrones de flujo y medirse las velocidades y el intercambio de agua entre el puerto y el río. Analizando los resultados que se obtengan para diferentes configuraciones del puerto es posible alcanzar un diseño óptimo en función de la navegación y la sedimentación.
En un puerto costero uno de los problemas principales consiste en la prevención de la llegada de olas grandes. No existen normas universales acerca de las amplitudes máximas que pueden tolerarse, pero deben ser relativamente pequeñas en comparación con las del mar abierto. Esto significa que es inevitable la construcción de uno o más rompeolas, los cuales sirven además para mantener abierto el canal de acceso al mar cuando el sedimento se mueve a lo largo de la costa.
Desde un punto de vista náutico es deseable que las naves entren al puerto a lo largo de una línea recta que coincida, si es posible, con la dirección de propagación de las corrientes y de las olas más grandes. Una entrada ancha minimiza el riesgo de que las embarcaciones encallen. Estos requerimientos no pueden cumplirse completamente en la práctica por varios factores, entre los cuales están los siguientes:
En consecuencia, debe buscarse una solución adecuada. En muchos casos, cuando el espacio lo permite, puede encontrarse una buena solución diseñando un puerto exterior y uno o más puertos interiores donde puedan atracar las embarcaciones. El puerto exterior es accesible directamente desde el mar y se conecta con el puerto interior mediante un pasaje relativamente angosto. Figuras Nos. 2 y 3. El propósito del puerto exterior es dispersar la energía de las olas que llegan y destruir parte de ellas.
De acuerdo con lo anterior, las amplitudes de las olas a la entrada al puerto interior son apreciablemente menores que en el mar abierto y son mínimas en el puerto.. El segundo propósito del puerto exterior es crear un área donde las velocidades de las corrientes sean pequeñas o nulas, de tal manera que las embarcaciones puedan disminuir su velocidad sin problemas.
En ciertas circunstancias se puede visualizar bastante bien el efecto de la entrada de las olas al puerto utilizando un modelo matemático. El autor cree, sin embargo, que en muchos casos debe preferirse un modelo hidráulico a escala reducida porque reproduce con mayor precisión el fenómeno.
Un fenómeno que no se tenía en cuenta hasta hace algunos años era el efecto de los rompeolas en el transporte litoral que es el movimiento de los sedimentos a lo largo de la costa. En ciertas circunstancias puede ocurrir una erosión grande después de la construcción de los rompeolas; el daño puede arreglarse pero a un costo muy elevado. Se requiere entonces un estudio cuidadosos de la costa en el área considerada para determinar los posibles efectos desfavorables antes de proyectar los rompeolas.
Las olas que se aproximan oblicuamente a una costa arenosa generan un movimiento de sedimentos a lo largo de la costa, cuya magnitud depende de las dimensiones de las olas, del ángulo de aproximación de la ola con respecto a la línea costera y de las características del material de la playa. En muchas costas la dirección de las olas varía bastante de tal manera que pueden ser removidos volúmenes grandes de sedimentos pero el transporte neto resulta demasiado bajo. En otras costas la dirección de las olas es muy constante lo que resulta en un transporte apreciable de sedimentos en una sola dirección.
La mayor parte del transporte litoral tiene lugar en la zona de rompientes; en esta zona las olas crean una corriente paralela a la costa la cual transporta el sedimento. Más allá de la zona de rompientes en dirección al mar, el movimiento de sedimento paralelo a la costa decrece rápidamente a menos que existan corrientes fuertes producidas por otras causas.
El proceso de movimiento de los sedimentos cambia donde la costa es interrumpida por la desembocadura de un río. En este caso el transporte de sedimentos tiende a cerrar la desembocadura pero el caudal del río y las mareas tienden a mantenerla abierta. La mayoría de las corrientes que se presentan allí son de gran velocidad y mantienen una profundidad grande en esa área, mientras que un poco más lejos en dirección al mar, las corrientes de marea son débiles y permiten la formación de barras de arena.
Tanto la localización como la profundidad de las barras de arena están determinadas por la acción de olas y corrientes en el área costera, de corrientes en la desembocadura, de la magnitud y dirección del transporte litoral y de la carga de sedimentos del río. La mayor parte de los sedimentos que se mueven a lo largo de las costas adyacentes atraviesan la desembocadura por las barras de arena donde, por efecto de las profundidades relativamente pequeñas, llega mucho sedimento en suspensión por acción de las olas.
La barra de arena puede ser intersectada por uno o más canales profundos que se forman a causa de las corrientes de retorno debidas a la marea baja. A causa de las condiciones hidráulicas variables la estabilidad de estos canales no es a menudo muy grande, lo cual afecta de una manera desfavorable las condiciones de navegación.
Para un puerto localizado en una costa es necesaria la construcción de tajamares o estructuras de entrada no solo para prevenir la entrada de olas al puerto sino también para evitar el cierre de la entrada por los sedimentos que se mueven a lo largo de la costa. Estas estructuras deben extenderse más allá del contorno de profundidad que marca el rompimiento de las olas bajo condiciones de tormenta con el fín de minimizar la pérdida de profundidad a la entrada al puerto. Si no es así, puede ocurrir una sedimentación considerable durante una tormenta simple.
Es un hecho cierto que los tajamares interfieren el transporte litoral natural, pero si el transporte neto de sedimentos es pequeño o despreciable las consecuencias de esta interferencia son limitadas, y se produce alguna sedimentación a ambos lados de la entrada y una ligera erosión a gran distancia de las estructuras. Sin embargo, cuando el transporte litoral es significativo la interrupción de este transporte cusa sedimentación aguas arriba y erosión aguas abajo del tajamar en dirección de la corriente litoral. Figura No. 4.
Debido a la sedimentación la línea de la costa se aproxima al extremo aguas arriba de la estructura de entrada y, pasado algun tiempo el sedimento que ya no es obstruído por la estructura se deposita en el canal de entrada. Esto puede evitarse extendiendo la estructura mar adentro con lo cual se genera un posterior desplazamiento de la línea costera. Otra solución consiste en la limpieza periódica del canal de entrada.
En muchos casos la erosión de la costa aguas abajo del puerto produce problemas muy serios en particular cuando se pierden playas valiosas por esta causa. A veces se intenta detener esta erosión mediante la construcción de espolones o de muros. Figura No. 4. Los espolones tienen el efecto de retardar la erosión pero no pueden detenerla completamente. El muro puede eliminar la erosión auncuando se presenta una socavación del fondo del mar inmediatamente frente a él. Aguas abajo de un sistema de espolones o de un muro ocurre una erosión bastante grande porque se reduce el suministro de arena que provenía de la costa protegida.
La única media efectiva para proteger la playa aguas abajo del puerto consiste en abastecerla de arena. Como esta arena es removida continuamente por olas y corrientes se hace necesario que el suministro sea permanente y continuo. La mejor fuente de arena está en la costa situada aguas arriba del puerto donde existe acumulación de arena; de esta manera la transferencia de sedimentos desde aguas arriba hacia aguas abajo restaura el movimiento original de los sedimentos a lo largo de la costa y los problemas de sedimentación y erosión quedan resueltos.
Para un puerto costero la construcción de estructuras de entrada es absolutamente necesaria; sin embargo, tales estructuras se usan también a menudo en las desembocaduras de los ríos para guiar la corriente, de tal manera que el canal de navegación no sea interferido por las barras exteriores.
Puede observarse que es necesario tener un conocimiento completo de todos los factores que pueden influir en el diseño de un puerto con el fín de reducir los riesgos de que se presenten problemas no previstos después de la construcción. De acuerdo con lo anterior es importante obtener en un laboratorio de hidráulica una serie de recomendaciones basadas en cálculos, experimentos en modelos y experiencias en obras similares.
En todo caso siempre surgen los mismos problemas de sedimentación y erosión en la costa y algunas veces se cuestiona si los beneficios económicos de los tajamares no son excedidos por sus desventajas. Especialmente en años recientes las técnicas de dragado han avanzado tanto que la conformación y el mantenimiento de un canal en un área expuesta no representa grandes problemas técnicos. Por tanto, en ciertas circunstancias resulta más económico evitar la construcción de obras de entrada muy grandes y reemplazarlas por dragados sistemáticos para mantenimiento.
Una ventaja adicional de esta solución es su flexibilidad; si se necesita el canal puede ser profundizado o ampliado fácilmente incrementando la capacidad de dragado.
Solamente unos pocos aspectos hidráulicos y morfológicos se han discutido aquí.
Ha sido omitida la descripción detallada de otros aspectos que también pueden afectar de gran manera la configuración del puerto y de su entrada. Algunos son los seiches u oscilaciones de período largo de la masa de agua del puerto, la estabilidad de los tajamares, la socavación en las bases de los tajamares como resultado del incremento de las velocidades de las corrientes, la reflexión de las olas y la secuencia de ejecución de los trabajos.
