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Innovadora solución con Geosintéticos salva estructuras de hace 100 años del Canal de Panamá
Introducción
Desde 1979, el Canal de Panamá ha sido administrado y operado por la Autoridad del Canal de Panamá (ACP). La División de Ingeniería y Mantenimiento ACP ha asegurado que el canal sea operado continuamente en condiciones seguras, con rehabilitaciones modernas y nueva tecnología, sin embargo, los barcos se han hecho más grandes y los remolcadores, para maniobrarlos, dentro y fuera de las esclusas, se han vuelto más poderosos. Hoy en día, los remolcadores que operan regularmente en el Canal de Panamá son de 25 metros de largo y 4,400 caballos de fuerza de propulsión. Este aumento en la propulsión de las hélices del remolcador, combinado con el flujo continuo del agua a través de las esclusas del canal, ha erosionado, por socavación, a lo largo y por debajo de los cimientos de los muros divisorios de entrada y de la losa de acceso a las esclusas, de concreto, de 2 m de espesor.
Problema
El Canal de Panamá abrió sus puertas hace 106 años; fue aclamado como la octava maravilla del mundo y una maravilla de la ingeniería; se ha convertido en la vía marítima mundial más frecuentada. Desde 1914, más de un millón de barcos de todos los tamaños han pasado a través de los tres conjuntos de esclusas del canal, que todavía están operando en sus dimensiones de cámara originales: 33 m de ancho, 300 m de longitud y 12 m de profundidad. Hoy en día, el canal produce anualmente $2.5 mil millones de dólares en ingresos para la República de Panamá.
Durante la inspección anual, de diciembre de 2014, la sonda detectó una erosión importante y daños en los tres conjuntos de esclusas (Foto 1), a 20 m de profundidad, bajo el agua, sin embargo, las esclusas de Gatún en el lado atlántico estaban experimentando la erosión más crítica y, si no se tomaban medidas para controlar y reparar la erosión, las esclusas podrían estar en peligro de un colapso estructural catastrófico (Foto 2). La erosión se había extendido más de 6 m por debajo del borde de aproximación a la losa de acceso a la esclusa y casi completamente por debajo de los cimientos del muro divisorio. Además, las bases de varios muros de otras esclusas también estaban experimentando una grave erosión en su cimentación.
El reto
Los ingenieros ACP determinaron que se debían tomar medidas inmediatas, ya que el desafío era triple: (1) reparar el daño sin impedir el tráfico a través del canal, (2) las reparaciones debían hacerse durante los tiempos programados del mantenimiento de rutina, cuando un lado de las esclusas se cierra temporalmente para una operación de mantenimiento de 12 horas, y (3) las reparaciones debían ser realizadas por la División de Ingeniería y Mantenimiento ACP, debido a las restricciones de tiempo y la naturaleza de la emergencia de la reparación.
Teniendo en cuenta estos desafíos, era obvio que las reparaciones se realizarían en profundidades de agua de hasta 20m de profundidad, con visibilidad limitada, y había cero margen de error.
Además, todos los preparativos para las reparaciones tendrían que realizarse en un lugar fuera del sitio, ser capaces de ser movilizados y luego desmovilizados en poco tiempo, con el fin de permanecer dentro de los tiempos del mantenimiento, de 12 horas.
Solución
La División de Ingeniería y Mantenimiento ACP se reunió con el equipo del Grupo TenCate Geosynthetics para una lluvia de ideas conjuntas sobre soluciones que pudieran incorporarse para superar los desafíos del proyecto y realizar las reparaciones necesarias que resolvieran los problemas de socavación. Este equipo llegó rápidamente a una posible solución innovadora, usando geosintéticos, que satisfizo todos los desafíos y podría ejecutarse rápidamente.
La solución requería el formar una estructura de retención o cimbra submarina adyacente a la base de las estructuras de concreto (Foto 2, Figura 7), bajo las cuales se estaba produciendo la socavación. La cimbra se debía formar utilizando bolsas contenedoras hechas de geotextil de muy alta resistencia (Geobag®), que se debían rellenar con 50 m3 de arena, que pesan 90 toneladas (Foto 3).
Las bolsas de geotextil (Geobag®) debían ser suficientemente flexibles como para ajustarse al fondo, erosionado e irregular del canal, sin embargo, debían ser lo suficientemente resistentes y pesadas como para resistir la turbulencia provocada por las hélices de los remolcadores y la alta velocidad del agua que fluye por las esclusas del canal. Además, la estructura de la bolsa geotextil debería formar un colchón de 2 m de espesor y 5 m de ancho a lo largo de la base de la losa de entrada y en ambos lados del muro divisorio de la entrada del canal, para controlar la erosión.
Los contenedores de bolsas de geotextil (Geobag®) se rellenarían previamente en un lugar fuera del sitio y se transferirían a las esclusas de Gatún, donde una grúa, montada en una barcaza de 350 toneladas, los levantaría y los colocaría en el fondo, para formar una cimbra de 4 m de alto, 5 m de ancho y 30 m de largo.
Una vez construida esta cimbra, el concreto se bombearía detrás de ella y por debajo de la losa de entrada, para llenar el vacío formado por la socavación (Figura 1). Este proceso de dos pasos se realizaría durante los sucesivos tiempos de mantenimiento programados, de 12 horas.
TenCate había desarrollado y probado previamente el sistema de llenado a gran escala, elevación y colocación de contenedores de bolsas de geotextil llenos de 50 m3 de arena, (Geobag®), que pesaban 90 toneladas. Las bolsas fueron fabricadas a partir de un geotextil de polipropileno tejido, de 200 kN/m, en una configuración de 5 m de ancho, 5 m de largo y 2 m de alto.
La bolsa tenía una tapa superior que estaba abierta para el relleno con arena y se podía cerrar y sellar mecánicamente para contener permanentemente la arena. El sistema de elevación y colocación se diseñó y probó, a escala natural, con un arnés hecho de geogrid, de 400 kN/m, para formar un sistema flexible y de alta capacidad (Foto 3).
El ACP determinó que el sistema de bolsa geotextil (Geobag®) proporcionaba los factores de seguridad necesarios y cumplía con sus criterios para reparar las esclusas de Gatún, en el lado atlántico, durante el tiempo de mantenimiento, de 12 horas, sin interrumpir las operaciones del canal.
Proceso
La ACP resolvió que la operación de llenado de bolsas de geotextil fuera del sitio se llevaría a cabo en su muelle de mantenimiento adyacente al canal cerca del Gaillard Cut, a 51 km de las esclusas de Gatún (Foto 4).
La grúa ACP Titan levantó las geobolsas (Geobag®) llenas de arena, de 90 toneladas, y las colocó en una barcaza de transferencia que se trasladó a las esclusas de Gatún, donde las tripulaciones estarían listas para comenzar tan pronto como se abrieran los tiempos de mantenimiento, de 12 horas (Foto 5). La primera reparación se realizó en la losa de aproximación de la cámara izquierda de la esclusa atlántica de Gatún.
Cuando comenzó la reparación, la socavación era ya a todo lo ancho de la losa, de 33.5 m, a profundidades de entre 4 m verticales y 8 m hacia adentro y debajo de la losa (Figura 1). Esta reparación necesitó la construcción de la ataguía, utilizando 12 de los contenedores de geotextil de 50 m3 que se instalarían en la primera ventana de tiempo de mantenimiento programada, de 12 horas, que fue durante una operación nocturna (Foto 6).
Durante la ventana de mantenimiento nocturno, de 12 horas, del mes siguiente, se bombearon más de 300 m3 de concreto detrás de la ataguía y por debajo de la losa de aproximación, para llenar el hueco socavado bajo la losa (Figura 1).
Este mismo procedimiento se siguió para reparar la erosión por socavación a ambos lados del muro divisorio en el acceso a las esclusas de Gatún. Esta metodología también se ha seguido para realizar reparaciones similares en las esclusas de Miraflores y Pedro Miguel.
Los resultados
No se ha detectado nueva erosión por socavación bajo ninguna estructura de las esclusas del Canal de Panamá desde que comenzaron las reparaciones con la tecnología de ataguía de bolsas de geotextil, en septiembre de 2015. Además, la ACP ha instalado más de 400 unidades de bolsas de geotextil para construir ataguías submarinas dentro del Canal de Panamá, para permitir el rellenado de los vacíos de la subestructura con concreto en otros sitios de erosión por socavación detectados en las Esclusas de Gatún y en los otros dos conjuntos de esclusas del Canal de Panamá: Miraflores y Pedro Miguel.
Conclusión
Esta innovadora tecnología de contenedores de bolsas de geotextil, así como la elevación con Geogrids, combinada con la metodología de instalación, permitió a la División de Ingeniería y Mantenimiento de la ACP responder rápidamente a una seria amenaza a las esclusas del Canal de Panamá, de más de 100 años que, si no se abordan a tiempo, podrían haber causado daños catastróficos que hubieran resultado, tanto en pérdidas de ingresos como en costos de construcción, en millones de dólares, al Canal de Panamá.
Además, la solución innovadora permitió que las reparaciones requeridas y la protección contra la erosión se llevaran a cabo durante las ventanas de tiempos de mantenimiento programadas sin ninguna pérdida de ingresos para las operaciones del Canal de Panamá.
Tras el éxito de esta tecnología Geosintética en el Canal de Panamá, la tecnología se aplicó para resolver graves problemas de erosión en una importante terminal petrolera offshore ubicada a 20 km de la costa norte de Colombia, bajo 30.5 m de agua.
Aspectos técnicos
Reconocimientos:
Se extiende un reconocimiento especial a Antonio Abrego y a su equipo de la División de Ingeniería y Mantenimiento de la ACP por su arduo trabajo y documentación del proyecto. Además, Zehong Yuen debe ser reconocido por desarrollar los programas de análisis para calcular los factores de seguridad para los contenedores de bolsas geotextiles (Geobag®) y la resistencia a la tensión del arnés de elevación hecho con geogrids.
Este proyecto está dedicado a nuestro colega, Bruce Lacina, que falleció el año pasado después de una larga batalla contra el cáncer. Sin su revisión técnica y apoyo en nuestras ideas, este proyecto nunca habría despegado.
- Tom Stephens es director de TenCate Geosynthetics Americas con sede en Bedford, Va.
- Nicolas Ruiz, P.E., M.E., es gerente regional de TenCate Geosynthetics Americas con sede en Commerce, Ga.
- Rafael Morales y Monroy, PhD., es experto en Geosintéticos, Perito en Geotecnia, e Ingeniero Consultor.
Aspectos destacados del proyecto:
- Geotextiles y georedes del Canal de Panamá.
- Propietario: Autoridad del Canal de Panamá (ACP).
- Ubicación: Panamá.
- Constructor: Autoridad del Canal de Panamá.
- Ingeniero de diseño: Antonio Abrego, División de Ingeniería ACP.
- Productos geosintéticos: Geotextil Mirafi® GT1000 M / Geogrid Miragrid® 24XT.
- Fabricante de los geosintéticos: TenCate Geosynthetics.
- 386 toneladas americanas = 350 Toneladas métricas: aprox. 1.1 TM/ton.