¿CÓMO SE FORMA EL TERRENO GANADO AL MAR?

Los terrenos ganados al mar son nuevas superficies de terreno generadas a partir de la modificación del litoral costero. Las causas pueden ser de origen natural o artificial. Dentro de las primeras causas se encuentran los procesos de acreción de las costas (avance de las llanuras costeras hacia el mar), mientras que las actividades antropogénicas determinan a las segundas, siendo los más comunes los rellenos de superficies marítimas. El avance hacia el mar de la nueva configuración de la costa una vez modificados sus límites constituyen los denominados terrenos ganados al mar (SEMARNAT, 2022).

El método más simple de recuperación de tierras en zonas costeras consiste simplemente en llenar el área con grandes cantidades de roca pesada y/o cemento, y luego rellenar con suelo hasta alcanzar la altura deseada. El material de relleno granular, como la arena, se usa a menudo para la recuperación de tierras. Dado que la extracción de arena provoca la erosión de la franja fluvial o la costa y perturba el ecosistema, muchos países han establecido normas para detener la extracción de arena del río o el mar. Por lo tanto, el suelo blando o excavado, como el lodo de arcilla dragado, se convierte en material de relleno alternativo para la recuperación de tierras en países con escasez de arena como Singapur (Chu et al., 2009a; Chu y Guo, 2015) este tipo de suelo conlleva propiedades de baja resistencia y alta deformabilidad, por lo que durante su construcción se debe considerar algún tipo de mejoramiento de suelos y cimentaciones adecuadas para soportar las estructuras que se desarrollen en la parte superficial del terreno ganado al mar.

Cuando las tierras en alta mar o los pantanos de marea están cubiertos por aguas poco profundas y se necesita tierra adicional con urgencia, la tierra se puede recuperar mediante la construcción de diques aproximadamente paralelos a la costa, seguido del drenaje del área entre los diques y la costa natural. Cuando una corriente cargada de sedimentos se puede desviar hacia el área entre los diques y la costa, el sedimento de la corriente se puede usar para construir el terreno separado del dique a un nivel más alto, facilitando así la operación de drenaje.

Ocasionalmente, la recuperación de marismas de marea se puede lograr cerrando la desembocadura de los estuarios de marea con diques. Cuando la superficie terrestre esté por encima del nivel de la marea baja, se puede utilizar un sistema de drenaje basado en compuertas de marea que descarguen agua en el mar durante la marea baja y se cierren automáticamente para evitar la reentrada de agua de mar durante la marea alta. En otros casos, se han utilizado bombas para elevar el agua sobre los diques. El uso de bombas permite recuperar terrenos que se encuentran por debajo del nivel de la marea baja. El ejemplo más notable de recuperación de tierras costeras es el sistema de pólder (extensión de tierra drenada artificialmente) desarrollado junto al Zuiderzee en los Países Bajos el cual se describe más abajo.

Hay una serie de métodos diferentes que se pueden emplear para fines de recuperación de tierras, según el tipo de suelo, el tipo de material de relleno, el suelo de cimentación, la topografía del lecho marino, la presencia de material fino, etc. En general podemos definir algunos métodos como sigue:

La compactación del relleno se puede realizar mediante las conocidas técnicas de compactación profunda como la compactación vibratoria (vibroflotación u otras) y la compactación dinámica. Cuando la cantidad de finos es demasiado elevada, las columnas de grava compactada con los sistemas Geopier sustituirán a la vibrocompactación. Las áreas de prueba de compactación, si no son un requisito del director, generalmente son requeridas por los contratistas de mejora del suelo para optimizar su método de trabajo (Jian et al. 2009).

Como lo hemos comentado en los blogs anteriores, el estudio de casos históricos es importante para reconocer los problemas que surgen durante la construcción de las obras civiles, poder detectar patrones de falla, parámetros o condiciones de influencia importantes y poder mejorar los métodos constructivos y de análisis de las obras geotécnicas.

En el pasado, muchos países costeros, como Holanda (Hoeksema, 2007), Reino Unido (Comisión OSPAR, 2008), Japón (Suzuki, 2003), Corea del Sur (Son y Wang, 2009) y Singapur (Glaser et al., 1991), habían explotado ampliamente el cercado y la recuperación del mar para la expansión de las ciudades costeras, para el espacio terrestre para el desarrollo industrial y agrícola a lo largo de la costa, así como para la defensa contra las marejadas ciclónicas.

Sin embargo, tal desarrollo de recuperación a menudo resultó en muchos problemas ambientales graves, incluida la pérdida de biodiversidad, el deterioro de la calidad del agua costera y el agotamiento de los recursos pesqueros, por nombrar solo algunos. Por lo tanto, después de las empresas a gran escala del siglo XX, las actividades de recuperación en los Países Bajos y Japón están sujetas a un control estricto y ocurren con mucha menos frecuencia en la actualidad (Hoeksema, 2007, Suzuki, 2003).

Las actividades de drenaje y recuperación de tierras tienen una larga historia en las tierras bajas holandesas. La mitad occidental de los Países Bajos es un delta llano y bajo, gran parte del cual estaba cubierto por suelos arcillosos o de turba altamente comprimibles. Durante muchos siglos, las prácticas de uso de la tierra dieron como resultado la pérdida, el deterioro y la consolidación de estos suelos y el subsiguiente hundimiento de la tierra. Coincidiendo con este hundimiento hubo un período de aumento del nivel del mar pos glacial. Como resultado, grandes áreas fueron inundadas y perdidas (Hoeksema, 2007).

Para drenar las áreas inundadas convertidas en lagos, primero se cortaron los arroyos existentes y se redirigieron a su alrededor. A continuación, se cavó un canal circular alrededor del perímetro del lago y los despojos del canal se usaron para construir un dique que separara el canal y el lago. Se encontró una salida para el canal circular cavando canales hasta un cuerpo de agua receptor, en la mayoría de los casos, el Zuiderzee. Se necesitaban compuertas de salida ya que el Zuiderzee estaba bajo la influencia de las mareas. Los canales de salida se diseñaron con suficiente capacidad de almacenamiento para contener el agua drenada durante períodos prolongados de altos niveles de agua en Zuiderzee. Una vez que se construyeron el canal circular y la compuerta de salida, el agua del lago se bombeó al canal circular con molinos de bombeo de agua impulsados por viento. Los lagos de menos de 600 ha se drenaron con un solo molino de viento. Los lagos más grandes requerían más molinos de viento (Meijer, 1996).

Finalmente, se cavaron zanjas de drenaje dentro del lago drenado para conducir el agua desde el centro hacia el perímetro. Cuando la tierra seca se dividió en parcelas individuales, las zanjas de drenaje se utilizaron como límites de propiedad, de modo que el lago drenado resultante asumió un patrón de parcelación rectangular muy regular.

Hubo dos fases de bombeo asociadas con el drenaje del lago. La fase inicial simplemente eliminó toda el agua existente del lago. La fase de mantenimiento comenzó una vez que el fondo del lago estuvo seco. El bombeo de mantenimiento extrae el agua que entra por precipitaciones y filtraciones de aguas subterráneas. Muchos lagos drenados al norte de Ámsterdam se encuentran ahora en su quinto siglo de bombeo de mantenimiento. El molino de viento (Figura 3) que bombeaba agua hizo posible que los holandeses drenaran estos lagos por lo que a las tierras recuperadas se les denominan pólderes (del inglés pólder que significa molino), uno de los desarrollos tecnológicos más significativos fue la colocación de múltiples molinos de viento en serie donde un molino bombea hacia el canal de entrada del siguiente. En muchos casos, los lagos drenados requerían de tres a cuatro molinos de viento en serie para mantener secas las áreas más bajas.

El primer gran lago drenado en el siglo XVII fue el lago Beemster de 7220 ha. El lago Beemster era 12 veces más grande que cualquier otro lago drenado anteriormente y 2,6 veces más grande que todos los lagos drenados en el siglo XVI (Meijer, 1996). El lago Beemster primero se separó hidráulicamente del resto del área al construir un dique y un canal de 50 km de largo alrededor de todo el lago y un canal de 8 km hasta el Zuiderzee y se utilizaron 50 molinos para poder drenar el área. Los molinos de viento continuaron funcionando en Beemster Pólder hasta 1877, cuando fueron reemplazados por bombas de vapor. Todos los viejos molinos de viento fueron destruidos y dos bombas diésel tienen capacidad suficiente para mantener seca esta área hoy.

Posteriormente se realizó una de las obras de recuperación de tierras marítimas más grande de Países Bajos, en 1891, bajo la dirección de Cornelis Lely, la Asociación Zuiderzee publicó el primer plan para la recuperación del Zuiderzee (Van der Wal, 1922). Este plan requería la construcción de una presa que aislara el Zuiderzee del Mar del Norte y la construcción de cuatro grandes pólderes. Los cuatro pólderes estarían conectados al continente e incorporarían cuatro islas: Marken, Wieringen, Urk y Schokland.

Antes de cualquier construcción, las entradas de mar se sondearon varias veces para proporcionar información sobre el efecto que tendría la presa en las corrientes. Se realizaron perforaciones en el suelo para determinar los tipos de suelo y la capacidad de carga del fondo del mar. Se construyeron modelos a escala de las compuertas para comprender mejor su impacto en las corrientes y la socavación. La forma y la altura de la presa de la barrera se diseñaron para las tormentas típicas que ocurrieron en el período de 1825 a 1926, El objetivo de la Presa de Barrera de 30 km o Afsluitdijk (Figura 4) era bloquear el Zuiderzee de la influencia del Mar del Norte. La pendiente de la cara del dique se fijó en 4:1. El núcleo del dique se construyó colocando arcilla de roca en un fondo marino preparado. Este material se encontró en abundancia en el área de Zuiderzee.

La parte sumergida de la presa se protegió de la socavación hundiendo una base construida con fajinas de mimbre sobre el cuerpo del dique. Después de que se construyó la base, la presa se colocó flotando en su lugar y se hundió con piedras. Los diques de pólder se construyeron eliminando primero los suelos de cimentación inestables y reemplazándolos con relleno de arena. Luego se colocaron los pilares del dique, dos franjas paralelas de arcilla de canto rodado. El espacio entre los dos cimientos de arcilla se rellenó con arena, rematando el cuerpo del dique. Luego se colocaron revestimientos de escollera, asfalto y basalto según fuera necesario.

Poco después de la construcción del terreno ganado se hizo evidente que el hundimiento del suelo era un problema. En algunas áreas, el terreno descendió hasta 0,7 m. dentro de los primeros años de recuperación. Como resultado, a cada área se le asignaron dos niveles de agua subterránea: uno inmediatamente después de que se drenó el pólder y un segundo después de varios años de consolidación. Las instalaciones que controlaban los niveles de agua fueron todas diseñadas para estas variaciones de nivel de agua.

Debido al drenaje continuo de esta área que induce la compresión de las capas de turba y arcilla y la oxidación del material orgánico por encima del nivel freático del agua subterránea, el hundimiento de la tierra en Países Bajos tiene tasas regionales típicas de 1-12 mm/año (Koster, 2018). Los hundimientos causan daños considerables a la producción agrícola, la infraestructura y otros activos públicos y privados, posiblemente sumando 22 000 millones de euros para 2050 (Van den Born et al., 2016). En algunas áreas ya se han alcanzado puntos de inflexión, donde el uso actual de la tierra ya no se puede mantener sin costos considerables (Yan et al. 2020). Estos problemas se han ido mitigando debido al mejoramiento de suelos en algunas regiones.

Con las experiencias anteriores se destaca la importancia del control de los hundimientos en los terrenos ganados al mar, por lo que, posterior a las recuperaciones de tierra de Países Bajos se adoptaron otras técnicas de construcción y se tomó especial importancia al mejoramiento de suelos marinos, como ejemplo podemos destacar el proyecto de recuperación de tierras de Changi en Singapur.

Desde 1992 hasta mediados de 2004, el Proyecto de recuperación de Changi East en la República de Singapur implicó el relleno de aproximadamente 200 millones de metros cúbicos de arena para la recuperación de un área total de tierra de unas 2500 hectáreas. Los trabajos de recuperación de terrenos se realizaron en 5 fases. La recuperación de tierras se llevó a cabo utilizando materiales de relleno obtenidos del dragado de material granular del lecho marino en la fuente de préstamo. Este proyecto de recuperación de tierras requería que las áreas que actualmente están sumergidas se elevaran a niveles permanentemente por encima del nivel del mar. El material de relleno elegido fue un suelo granular bien graduado, de drenaje libre, con un contenido de finos inferior al 10 % (Arulraja et al. 2008).

Cuando se colocó el relleno mediante bombeo, se eliminaron aún más algunos finos del relleno, un proceso descrito por Choa et al. (1997). La combinación de drenaje vertical prefabricado (PVD) con la técnica de mejora del suelo de precarga se aplicó con éxito en este proyecto para mejorar los suelos compresibles subyacentes. El proyecto comprendió la instalación de drenes verticales prefabricados y la posterior colocación de sobrecarga para acelerar la consolidación de la arcilla marina subyacente.

En todo el proyecto, se instalaron un total de 142 millones de metros lineales de drenajes verticales, lo que lo convierte en uno de los proyectos más grandes del mundo en los que se utilizaron drenajes verticales prefabricados. Para monitorear el desempeño del mejoramiento del suelo y validar la eficiencia del sistema de drenaje vertical prefabricado, se instalaron varios instrumentos geotécnicos para monitorear el grado de consolidación tanto en el área con PVD como en el área sin PVD como área de control.

China ha reclamado continuamente áreas marinas costeras desde la década de 1950. Tal demanda aumentó considerablemente en las últimas décadas con la rápida expansión de la economía costera de China. Con el rápido desarrollo económico y el aumento de la población en las zonas costeras, la recuperación se ha considerado una medida eficaz para resolver la escasez de tierras a medida que se expanden las ciudades y las industrias, atendiendo a estas necesidades, nuevos métodos de recuperación de tierra han sido diseñados para facilitar la construcción y contrarrestar los problemas de hundimiento generados en experiencias pasadas, los más recientes con relación a la construcción del aeropuerto Dalian.

El aeropuerto de la isla artificial en alta mar de Dalian (DOAI) en construcción, está ubicado en la bahía de Jinzhou del mar de Bohai. El proyecto está ubicado a 3 km de la costa, con una profundidad de agua que oscila entre 5 y 8 m. El área de recuperación es de aproximadamente 20 km2 con 350 millones de m3 de movimiento de tierras de relleno Es probable que este proyecto sea el proyecto de isla artificial con el área de recuperación más grande, la mayor parte del movimiento de tierras de relleno y la duración de la construcción más larga del mundo (Yan et al, 2013). Las técnicas consideradas para este proyecto fueron las siguientes: extracción de sedimentos por explosión submarina y vertido de rocas (en adelante, Técnica I) y dragado de sedimentos y vertido de rocas (en adelante, Técnica II).

La técnica I coloca rocas al frente del rompeolas y entierra explosivos (generalmente paquetes grupales) a cierta distancia por delante del rompeolas a cierta profundidad debajo de la superficie del suelo (ver Figura 5a y b). Cuando ocurre la explosión, el lodo circundante se rompe hacia arriba y la parte frontal de la roca cae en el sedimento (ver Figura 5c y d). Después de la explosión, la roca cae sobre la capa de suelo. El sedimento que cae tiene un alto contenido de agua y, por lo tanto, baja resistencia, lo que ayuda con el vertido posterior de rocas para expulsar el sedimento y formar un cuerpo de pila de roca completo. Después de varios ciclos de esto, con el paquete de explosivos colocado correctamente y la cantidad de explosivo correctamente calculada, se puede construir un malecón que cumpla con los requisitos de diseño (Zheng et al., 1990). Sus ventajas para una recuperación a gran escala incluyen una mayor velocidad de construcción, menor asentamiento de cimientos después de la recuperación y menores costos de ingeniería (Zhao et al., 2006, Xiang y Ou, 2007).

Con la Técnica II, el sedimento se draga primero con dragas de succión con cortador y luego se rellena hidráulicamente en áreas específicas (ver Figura 6a y b). Luego, se arrojan escombros de piedra y arena desde barcazas para llenar el espacio del sedimento dragado, mejorando así significativamente la base del malecón (ver Figura 6c). Durante la recuperación con la Técnica II, gran parte del trabajo acuático se realiza en el lugar, lo que ralentiza la construcción y aumenta los costos de ingeniería. Sin embargo, es probable que la contaminación del agua causada por la Técnica II sea mucho menor que la causada por la Técnica I. La práctica muestra que un cimiento producido con la Técnica I o la Técnica II puede cumplir con los requisitos de construcción y que la diferencia más notable entre los dos métodos de recuperación es la gravedad de la contaminación del agua y la pérdida de recursos pesqueros.