Introducción a la Ingeniería Naval

Buques dragas

De Rosa Mauricio

Grillo Marcelo

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Dragas

Definición:

Una draga es una embarcación utilizada para excavar material debajo del nivel del agua, y elevar el material extraído hasta la superficie. Estas operaciones se pueden realizar en canales navegables, en puertos, dársenas o embalses, entre otros.

Una obra de dragado se define como el conjunto de operaciones necesarias para la extracción, el transporte y el vertido de materiales situados bajo el agua, ya sea en el medio marino, fluvial o lacustre.

Equipos y Métodos disponibles para el dragadoLos métodos de dragado pueden ser clasificados por el tipo de draga aSer utilizada: mecánica o hidráulica. Además de la diferencia conceptual que daOrigen a estas dos familias de dragas, existe una gran diferencia de rendimiento afavor de las hidráulicas.Las dragas mecánicas se caracterizan por extraer el material con un contenido desólidos mucho mayor que las dragas hidráulicas, pero a su vez presentanrendimientos horarios mucho más limitados. Por este motivo, salvo en ocasionesdonde el tipo de material o las restricciones propias del sitio lo impiden, las dragashidráulicas son las preferidas, hecho que se manifiesta en la conformación de laflota mundial de dragas y en el volumen dragado ejecutado con estos equipos.

Buen

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Dragas MecánicasDebido a que corresponden a equipos de excavación terrestres adaptados para laProfundización de lechos, las dragas mecánicas fueron las primeras en serdesarrolladas. Realizan el dragado extrayendo los sedimentoscon su humedad natural, sin diluirlos. Estas dragas no son autopropulsadas por loque requieren una embarcación auxiliar para su transporte y posicionamiento. Elmaterial extraído se vuelca en chatas, que lo transportan y descargan en los sitiosde disposición. Estas características limitan las posibilidades de este tipo dedragas para el transporte del material.

Según su diseño, las dragas mecánicas son clasificadas como excavadoras, decangilones, y con grampas.

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Draga excavadora: son equipos que extraen el material mediante una palamecánica, del mismo modo que lo realiza una excavadora en tierra. Estosequipos, debido a la fuerza de la pala mecánica, son utilizados para extraermateriales con gran contenido de sólidos. Las dragas excavadoras pueden serconstruidas montando equipos terrestres (palas con cuchara de empuje oretroexcavadoras) sobre pontones flotantes o bien ser diseñadasespecíficamente. Son especialmente aptas para dragados cercanos aobstáculos (ejemplo, pie de muelles).

Presentan tres limitaciones particulares:sus movimientos están limitados a la longitud del brazo, la capacidad de lacuchara y su operación de tipo discontinua (la extracción se realiza por ciclosque se inician con el llenado de la pala). La forma de extracción controlada deestas dragas asegura una mínima dispersión de suelos contaminados.

Características principales:La capacidad del balde es variable, siendo frecuente el de 8 m3. Laprofundidad de dragado puede alcanzar, en las más grandes, los 20 m,aunque por lo general están limitadas a profundidades de alrededor de los10m. La capacidad de producción de estas dragas puede estimarse entre 250y 450 m3/h.

Figura 1: Draga Excavadora

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Draga de cangilones o rosario (Bucket dredge): este tipo de draga realiza laextracción del suelo mediante una cadena de baldes que gira, como en unanoria, sostenida por una escalera. El extremo exterior de la escalera, junto conlos baldes y la cadena, es sumergido hasta el fondo a dragar. Cada uno de losbaldes extrae una porción del material y es desplazado por la cadena hasta lasuperficie. El trabajo de la draga de cangilones es continuo y por esto máseficiente que otras dragas mecánicas.

Figura 2: Draga de Cangilones

Las dragas de cangilones generalmente se usan en zonas protegidas o concondiciones hidrometeorológicas muy favorables. Son de uso frecuente endragados para minería y, dentro del ámbito portuario, para el dragado delinterior de recintos con fondos barrosos. La perturbación que generan(turbidez, dispersión de partículas, etc.) es relativamente escasa, menor amedida que el material se presenta más compacto o es de tamaño de granomayor.

Características principales:La capacidad conjunta de los baldes de una draga de cangilones puedealcanzar los 800 m3 y se han construido dragas de cangilones para dragarhasta más de 50 m de profundidad. Sin embargo, para el uso portuario, lasdimensiones son usualmente más limitadas. La capacidad de producción deestas dragas es aproximadamente de 300 a 750 m3/h.

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Draga de grampa o “almeja”: Este tipo de draga remueve los materiales conuna cuchara cuya forma es parecida a una almeja que se deja caer abiertapara que muerda el material de fondo. Luego se la cierra herméticamente parasu izado. Con un sistema de cables se iza la almeja a la superficie y el materialse vuelca en chatas. Las dragas de grampa pueden ser construidas montando equipos terrestres sobre pontones flotantes o bien ser diseñadas específicamente. Al igual que en las dragas excavadoras, el trabajo de estos equipos esdiscontinuo y caracterizado por la limitada capacidad de la cuchara.

El uso de estos equipos se limita a zonas de aguas tranquilas. Cuando estánoperando se caracterizan por causar escaso movimiento de los sedimentos.

Figura 3: Diseños de Almejas mas habituales

Características principales:La capacidad del balde puede alcanzar los 13 m3 y las profundidades dedragado hasta 40 m. La capacidad de producción de estas dragas es un pocomayor que la de las dragas excavadoras. Los costos de movilización einstalación de una draga de esta clase son relativamente reducidos.

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Dragas HidráulicasLas dragas hidráulicas son unidades que realizan un trabajo completo de dragado(entendiendo por tal la extracción, el transporte y la disposición final de los suelosa remover); es decir, son capaces de extraer los sedimentos, depositarlos dentrode la propia draga o en otro sitio, y transportarlos mecánica o hidráulicamente.Esta característica hace que este tipo de draga opere de manera más eficiente yeconómica.

Los equipos hidráulicos de uso más común son las dragas de succiónpor arrastre (también conocidas como dragas de tolva o “hopper”) y las decortador, aunque existen otras de interés para aplicaciones particulares, como lasdustpan y las de rueda.

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Draga de succión por arrastre: estos equipos extraen el material diluido porbombeo, con una concentración entre el 10 y el 20%. Este tipo de draga secaracteriza por tener uno o dos (uno en cada banda) tubos de succión en cuyoextremo inferior se coloca un cabezal. Las bombas aspiran el material a travésde los tubos de succión mientras los cabezales se desplazan por el lechoacompañando la navegación de la draga.

En la draga, los sedimentos se depositan en una bodega denominada cántara o tolva. Una vez en la cántara los sedimentos decantan hacia el fondo de la misma quedando agua sobrenadante por encima de ellos (en el caso de suelos finos la decantación de las partículas en la cántara puede ser muy lenta). Una vez que se llena la cántara, el líquido sobrenadante comienza a salir por aberturas superiores(rebalse).

El dragado continúa hasta que la concentración de la mezclasuccionada es del orden de la que rebalsa por la cántara. La duración de laoperación de llenado de la cántara depende, en consecuencia, del tipo desuelo dragado, pudiendo ser óptimo no utilizar el rebalse en el caso de suelosmuy finos.

Figura 4: Draga de succión por arrastre

Una vez finalizado el llenado, el material dragado es transportado en la dragahasta el sitio de disposición, donde se descarga el contenido de la cántara. Laforma de descarga más habitual es mediante compuertas de fondo quepueden ser deslizables o de apertura hacia abajo.

Asimismo, estas dragas presentan otras opciones, como ser, la de bombeo a distancia por proa (para lo cual se las conecta a una tubería de descarga mientras la draga permanece fondeada y las bombas de la draga producen el vaciado de la cántara) o la conocida como “rainbowing”, en la cual el proceso es similar al descripto precedentemente pero el material se arroja libremente a través de una

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tubería en forma de cañón situada en la proa (este sistema es especialmente útil en los procesos de rellenos costeros, pero su alcance es muy limitado). También existen dragas con casco partido, en las que el casco del buque se abre a la mitad (en dos partes) para la descarga del material.

La eficiencia de estas dragas depende del tipo de material de fondo, de lapotencia de las bombas, de las condiciones hidrometeorológicas, de lavelocidad de operación, del diseño de los cabezales y de la distancia entre lazona de trabajo y la zona de vaciado. Actualmente existen variedades decabezales que se adaptan a distintos tipos de fondo y exigencias ambientales.Para cada tipo de fondo se puede optar por un cabezal específico.El dragado de suelos de arenas compactas y gruesas o gravas se puedeefectuar mediante un cabezal denominado California. Este cabezal contieneuna rejilla o reja que regula la entrada de objetos (ver Figura 5). De estamanera, se controla el ingreso de objetos de gran tamaño que pueden dañar labomba de succión. El diámetro de la tubería de succión puede variar entre 450y 1200 mm.

Figura 5: Cabezal California

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El dragado de arenas se puede efectuar mediante un cabezal denominadoVenturi. Este diseño fue promovido alrededor de 1970, y está conformado pordos partes principales:- En el eje central, una sección con capacidad de regular la apertura de laboca de succión- Jets de agua de alta presión para remover las arenas de mayor densidad.

Figura 6: Cabezal Venturi

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Si se quiere dragar arcillas medianas, firmes y compactas, es necesaria lautilización de un cabezal de tipo activo. Estos cabezales pueden estarintegrados por una serie de cuchillos dispuestos en forma circular que rotan(ver Figura 7). Este sistema de rotación en una draga que se encuentra enmovimiento mientras draga genera piezas pequeñas de material. Otro diseñode cabezal de tipo activo contiene una cuchilla dispuesta perpendicularmenteal suelo. Este sistema corta el suelo a la profundidad de dragado que seanecesaria.

Figura 7: Cabezales Activos

Para poder dragar suelos más duros, como arcillas consolidadas, seconfeccionó un diseño de cabezal denominado DRACULA (Dredging andcutting using liquid action). Este sistema integra chorros de agua a presión enel cabezal. Como resultado se solucionan ciertos problemas como elapelotonamiento del material en el cabezal que dificulta la succión del mismo.Para el dragado de suelos finos y compactos (arenas muy finas consolidadas)se construyó un cabezal denominado Wild Dragon. Para poder lograr unmayor rendimiento, en los cabezales se instalan chorros de alta presión deagua en los dientes. Con estos sistemas se pueden extraer suelos de arenasfinas consolidadas.

El aumento de la turbidez de las aguas es mayor en estos equipos que en lasdragas mecánicas, pero se puede disminuir si la velocidad de dragado esmenor. Por esta razón es recomendable que este tipo de draga se utilice consedimentos no contaminados. De lo contrario deberían tomarse precaucionescomo, por ejemplo, no usar el sistema de rebalse, realizar el dragado a unamínima velocidad para evitar turbidez y posible contaminación de las aguas,utilizar medidas de contención de la dispersión (por ejemplo, barreras ocortinas) o utilizar cabezales especiales.

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Las dragas de succión por arrastre operan habitualmente en el mantenimientode los canales navegables, siendo las más usadas para efectuar dragados enaguas abiertas por su superior capacidad de maniobra en aguas agitadas.Estas dragas presentan ventajas en zonas de intenso tráfico marítimo por quedepositan el material en la cántara y no necesitan de tubos de descarga queinterfieran con la navegación. Adicionalmente, también presentan ventajascuando los sitios de disposición se encuentran muy alejados haciendoeconómicamente impracticable el bombeo. Pueden operar en condicionesclimáticas bastante adversas en comparación con otros tipos de draga, peropor ser equipos complejos, sus costos de inversión y operación son muyelevados.

Características principales:La capacidad de la cántara varía ampliamente según el tipo de draga; la granmayoría de la flota mundial tiene cántaras de hasta 10.000 m3 pero existendragas con cántaras de hasta 35.000 m3. Las dragas grandes alcanzanprofundidades de hasta 50 m (aunque existen algunas adaptadas paratrabajar a más profundidad). La capacidad de producción de estas dragas,que trabajan en forma continuada durante largos períodos, es muy variable enfunción del tipo de suelo, el tamaño de la cántara y la distancia entre la zonade dragado y la de vaciado.

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Draga de succión con cortador: estos equipos extraen una mezcla desedimentos y agua con una concentración normalmente comprendida entre 10y 15%. Conceptualmente similar a la anterior, la draga posee, además del tubode succión (único en este caso), un cortador rotativo que disgrega el materialconsolidado. Existe una amplia variedad de cortadores que pueden serclasificados como de cuchillas o de dientes (ver Figura 8 y Figura 9).

Figura 8: Distintos tipos de filos de cortadores a cuchillas

Figura 9: Diseños de puntas de cortadores de dientes

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Dependiendo de las características del suelo, se disgregará el material con cuchillas o con dientes.

Una vez disgregado el material, el mismo es absorbido por la bomba a travésdel tubo de succión y descargado directamente a la zona de vaciado a travésde tubos de descarga. Este sistema permite disponer el material en formaprácticamente continua a grandes distancias del lugar de trabajo, pero lostubos, que usualmente se mantienen en la superficie mediante flotadores,pueden obstaculizar el tráfico marítimo. Adicionalmente, las condicionesclimáticas pueden limitar el tendido de tubos. Alternativamente, estas dragaspermiten descargar el material a ganguiles abarloados a la draga.

Estas dragas son estacionarias desde el punto de vista de su forma de dragar(Permanecen fijas al suelo mediante un pilón situado en proximidades de lapopa) y sólo las más grandes y modernas cuentan con propulsión propia, que utilizan exclusivamente para desplazarse entre distintos lugares de trabajo.

Figura 10: Draga de Cortador

Las dragas con cortador, por sus características de remoción del material, originan valores altos de turbidez en las zonas de dragado y de refulado.Para limitar el impacto ambiental que se genera en la zona de dragado sepueden utilizar pantallas en los cortadores. Por ejemplo, los cortadores puedentener una protección de sección cónica que encierra la zona de resuspensión.De esta manera se succiona la mayor parte del material, minimizando losvalores de turbidez generados.

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Figura 11: Draga de succión con Cortador con pantalla

Otros tipos de diseño de dragas cortadoras son:

Dragas con cortador de disco: Estas dragas están equipadas con un cortador en forma de disco. La boca de succión está situada dentro del cortador para evitar derrames. Este sistema previene el alto enturbiamiento de las aguas. También se logra alta precisión en el posicionamiento del disco alcanzando la profundidad adecuada para dragar y diminuyendo la turbidez. (International Association of Dredging Companies, 1998).

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Figura 12. Draga de succión con cortador de disco

Draga con cortador de cuchara (Scoop Dredge): Esta draga tiene una cuchara que actúa como cortador del material y es utilizada comúnmente para materiales de fondo contaminados y consolidados. Esta draga no contiene cortadores que rotan y, por lo tanto, la turbidez y los volúmenes de agua son controlados. Durante la operación pueden generarse burbujas de gases (cavitation); por lo tanto se les adiciona un diseño especial de desgasificación.

Finalmente, otro modo de dragado consiste en el uso de cabezales de succión de baja turbidez. Este tipo de cabezales denominados Low Turbidity Dredge Head (LTDH) se utiliza en dragas con cortadores y tiene las siguientes características:

o Puede remover capas finas de sedimentos con gran exactitudo El material dragado dependerá de la densidad del grano in-situo Puede trabajar en aguas poco profundaso Ayuda a minimizar la dispersión de las partículas del sueloo Tiene dos bocas de succión que se abren por medio de una válvulahidráulica ubicada en el cabezal.

Figura 13: Draga con cabezal de baja turbidez (LTDH)

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Características principales:Las dragas con cortador pueden dragar profundidades de hasta 30 m. Lacapacidad de producción de estas dragas varía de acuerdo con la potenciainstalada (que normalmente es función del tamaño el equipo), el tipo de sueloextraído y la distancia de bombeo involucrada en un amplísimo rango.

Draga Dustpan: son equipos que extraen el material por medio de un cabezal

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que se coloca en contacto con el fondo y se caracteriza por tener forma plana,rectangular, alargada y con dos conductos para succionar el material. Elcabezal tiene una boca, por donde entra el material, a la que se encuentranadosados pequeños dientes verticales a lo largo de la misma. Los pequeñosdientes evitan el paso de objetos de gran tamaño por la boca de succión. Elcabezal también tiene una conexión a un conducto por el cualse inyecta agua a elevada presión (múltiples chorros). Este sistema sirve paraaflojar y agitar los sedimentos que luego serán absorbidos. El materialsuccionado finalmente es descargado a la zona de vaciado a través de lastuberías de descarga (similar a las de las dragas de cortador).

Por sus características, estos equipos permiten trabajar a distancias de bombeomenores que las alcanzables con una draga de cortador, pero efectúanoperaciones de remoción de grandes volúmenes de material. Nuevamente, ladesventaja que poseen es que los tubos interfieren con el tránsito marítimo.

Figura 14: Cabezal de Draga Dustpan

Estos equipos fueron diseñados originalmente para mantener canales denavegación en ríos cuyos suelos son planos y de granos de tamaño mayor allimo. También son utilizadas para remover barras de arena y formacionespuntuales en lechos caracterizados por altas cargas de fondo y materialessuspendidos. No son apropiadas para trabajos de dragado de apertura o paraáreas abiertas y expuestas. Estas unidades generan una gran cantidad desedimentos en suspensión cuando operan, por lo que su aplicación amateriales contaminados es limitada. Draga a succión con rueda de baldes: son equipos similares a la draga de

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succión con cortador; la diferencia se encuentra en que el sistema cortador esuna rueda de baldes con un filo cortante. Existen diferentes diseños de ruedas,como por ejemplo dos ruedas paralelas, capaces de desintegrar suelos másdifíciles de extraer (de mayor grado de consolidación). Este tipo de draga conrueda, absorbe los materiales que disgrega mediante succión y los bombea através de ductos al sitio de disposición tal como una draga de cortador. Estossistemas pueden completarse con cortadores.

Figura 15: Draga con Rueda y con Cortador

Estos equipos son utilizados en suelos muy consolidados. Por su estructura yforma de disgregar el material provocan gran cantidad de turbidez en el agua.

Características principales:Pueden dragar a profundidades de 25-30 m según el largo del brazo. Latubería de succión tiene diámetros variables de 300-500 mm. De acuerdo condicho diámetro, la potencia de la bomba y la capacidad de los baldes, estarádeterminada la producción general de la draga.

Vertido y gestión del material dragado

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Tipos de vertederos (PIANC, 1998)

Las operaciones de dragado producen grandes cantidades de material que hay que gestionar. Los costes de la fase de vertido constituyen una parte importante del coste total del dragado, por lo que la elección de la alternativa será decisiva para determinar la viabilidad del proyecto. La selección del tipo y de la zona de vertido se deberá realizar teniendo en cuenta criterios medioambientales y económicos.

La creciente preocupación por el medio ambiente está fomentando la reutilización de todo tipo de productos, incluyendo los procedentes de dragado, de manera que los permisos para el vertido de material procedente de dragado sólo se conceden si se justifica que no existe posibilidad de aprovecharlos. Por esta razón, se deben buscar usos que permitan rentabilizar el material dragado limpio o ligeramente contaminado, optimizando así económica y ambientalmente el conjunto de la actuación. Numerosos estudios han demostrado que la mayor parte del material dragado puede ser aprovechado en obras de ingeniería civil, en agricultura, pesca, o para mejoras medioambientales. En caso de no ser posible el aprovechamiento del material, se recurre a su vertido, debiéndose estudiar la alternativa más adecuada en cada situación.Clasificación de los sedimentos según su grado de contaminación:

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• Categoría I: Material limpio (concentraciones inferiores al nivel 1). Vertiblelibremente al mar. A tener en cuenta únicamente los efectos físicos.

• Categoría II: Material moderadamente contaminado (concentracionessuperiores al nivel 1 e inferiores al nivel 2). Vertible al mar de forma controlada.Requiere estudio de hipótesis de impacto y programa de seguimientoambiental.

• Categoría III: Material contaminado (concentraciones superiores al nivel 2).Vertedero aislado. Aislamiento blando para la subcategoría IIIa(concentraciones superiores al nivel 2 e inferiores a ocho veces este nivel) yaislamiento duro o tratamiento para la IIIb (concentraciones superiores a ochoveces el nivel 1).

Tratamiento aconsejado:

Categoría I: Si el contenido de finos es inferior al 15-20%, procuraaprovecharse en alimentación de playas o rellenos de muelles. En casocontrario, se verterán en zonas que aseguren su inmovilización gracias a latopografía y a la baja energía del mar.

• Categoría II: Puede ser necesario un recubrimiento con materiales limpios(“capping”)

• Categoría III: Es necesario aislar el material, almacenándolo en fosas naturaleso depósitos, y posteriormente recubrirlo. Hay que recordar que los materialesde la categoría III b no se pueden verter al mar.

Principales usos productivos a los que se puede someter un material dragado no contaminado:

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• Usos en obras públicas:- Creación de tierra firme y mejora de terrenos- Rellenos, sustituciones y recubrimientos- Regeneración y creación de playas- Construcción de bermas sumergidas- Construcción de diques y presas de tierra- Empleo como materiales de construcción

• Usos en agricultura y pesca:- Creación y mejora de tierra vegetal- Acuicultura- Mejora de recursos pesqueros

• Usos en medio ambiente:- Regeneración y creación de zonas húmedas- Creación de islas de nidificación

Bibliografía

http://www.ingenierosnavales.com/docurevista/CONST.%20NAVAL%20%E2%80%A6DRAGA%20DIC.%2003.pdf

http://www.taringa.net/posts/apuntes-y-monografias/4244672/Buques-Varios.html

http://ingenieria-civil2009.blogspot.com/2009/11/dragado.html

http://www.graduadosportuaria.com.ar/IngDragado/DRA_Tema%207_Draga%20de%20cucharas.pdf

http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/5971/5/04.pdf

http://www.anp.com.uy/institucional/sistemasGestion/ambiental/ImpactoAmbiental/Tecnicas_Dragado.pdf

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