Espigones
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INTRODUCCIÓN
En una corriente o río se presentan dos tipos básicos de erosión: Profundización del cauce y
erosión lateral. El equilibrio del cauce esta controlado por el balance entre la carga de sedimentos
depositada y la capacidad de transporte del flujo. En todos los casos, aún en las corrientes más
estables se presentan fenómenos de erosión y se puede requerir la construcción de obras de
control tanto lateral como de fondo.
La estabilización de los alineamientos de las riberas de los canales de los ríos debe cumplir una o
más de los siguientes objetivos:
a. Paso seguro y expedito del flujo de las crecientes.
b. Transporte eficiente de la carga suspendida y la carga de fondo.
c. Cauce estable del río con mínima erosión lateral.
d. Profundidad suficiente y buen cauce para navegación.
e. Dirección del flujo a través de un sector definido del río.
Las principales estructuras utilizadas para la estabilización de las riberas son las siguientes:
1. Espigones cortos (spurs)
2. Espigones largos (groynes)
3. Diques longitudinales
4. Estructuras retardadoras
5. Revestimiento de los taludes de las riberas
6. Muros de contención.
12
CAPÍTULO 12. ESPIGONES 464
En el capítulo 11 se presentan los sistemas de diseño
y construcción de revestimientos y muros y en el
presente capítulo los espigones y demás estructuras
hidráulicas laterales. Estas estructuras son elementos
laterales que tratan de proteger la orilla y al mismo
tiempo desviar la corriente. La capacidad del canal
aunque se disminuye puede manejarse para que no
sea modificada en forma considerable. Generalmente
estas obras se utilizan en ríos poco profundos y con
moderado material suspendido. Uno de los objetivos
es la sedimentación de estos materiales, los cuales
pueden complementar la protección de la orilla.
Aunque no existen criterios ciento por ciento confiables
para el diseño de espigones y obras hidráulicas
laterales, se conocen una gran cantidad de
planteamientos empíricos que permiten un diseño
relativamente adecuado, el cual debe adaptarse a las
condiciones del sitio.
Debe tenerse mucho cuidado de comprobar que el
procedimiento utilizado es realmente válido para el
caso para el cual se están diseñando las obras. Los
diseños deben obedecer a criterios simples,
conceptuales después de haber analizado toda la
problemática de la corriente de acuerdo a los criterios
explicados en el capítulo 3.
Los espigones pueden ser construidos de diversos
materiales tales como enrocado, bloques
prefabricados de concreto, geotubos rellenos de
material, gaviones, o de productos orgánicos como
troncos de árboles o bambú (Figura 12.1).
Debe tenerse en cuenta que los espisones son
estructuras muy vulnerables a la destrucción por efecto
de la socavación. Su cimentación comúnmente es
poco profunda y por su localización dentro del cauce
se producen socavaciones de gran magnitud.
Bambú Nigalo
1.50mt
aprox.
Fondo del
cauce
1.50mt
(mínimo)
Rivera Bambú
Corriente
Cauce
Nigalo
Bambú
Rivera
Nigalo
Cauce
Corriente
Alzada
Planta a 90º
Planta a 70º
12.1 DISEÑO DEL CANAL DE UNA CORRIENTE
FIGURA 12.1 Espigones de Bambú (Jonson 1982).
Para el diseño adecuado de las estructuras hidráulicas
laterales se requiere diseñar el canal del río tanto en
su ancho, como forma en planta y profundidad. Para
minimizar el ataque de la corriente sobre las obras de
estabilización y rectificación se recomienda que el
alineamiento del río consista en una serie de curvas.
Debe evitarse las orillas rectas o ligeramente curvas
debido a que existe la tendencia de flujo a divagar de
lado a lado de la orilla.
El radio óptimo de las curvas debe ser
aproximadamente el de las curvas estables del río en
la zona. Como una norma de diseño este debe
adaptarse a las curvaturas naturales del río. Un estudio
de las curvas naturales del río debe determinar cuáles
deben ser las formas del nuevo río; sin embargo, debe
tenerse en cuenta que las curvas demasiado fuertes
son difíciles de estabilizar y requieren estructuras muy
costosas de construir y mantener (Przedwojski y otros,
1995).
CAPÍTULO 12. ESPIGONES 465
Flujo
Espigones
Erosión
Carretera a protejer
Canal deseado
Zona que se espera remover
con los espigones
Agua máxima
Agua mínima
Hincar por debajo de
la socavación
esperada
a) Planta
b) Frente
La planeación del nuevo alineamiento depende de la
morfología del río, de las condiciones geológicas pero
también depende de los requerimientos de
asentamientos humanos, establecimientos
industriales, muelles, ríos tributarios, etc.
La localización de los puentes determina en buena
parte las posibilidades de diseño. Debe evitarse la
localización de puentes en las zonas de transición
donde el río es muy difícil de controlar.
Los tributarios deben en lo posible entregarse al nuevo
río a ángulos entre 25º y 45º por la parte cóncava de
la orilla.
Generalmente los diseños se trabajan utilizando curvas
de coseno, utilizando la información de las curvas del
río original. Con valores seleccionados de radio y
longitud de onda, las curvas de coseno generadas
pueden implementarse en la mayoría de los ríos
meándricos (Chang, 1988).
Criterios de diseño
Para el diseño de una canalización se recomienda
seguir los siguientes criterios (Keller y Brookes- 1983):
1. Estimar la estabilidad o comportamiento de la
corriente después de la canalización. Esto se
requiere para realizar las recomendaciones
necesarias especificas de las obras de protección
adicionales que se requieren para garantizar la
estabilidad de la corriente.
FIGURA 12.2 Espigones en pilotes.
CAPÍTULO 12. ESPIGONES 466
2. Diseñar un canal teniendo en cuenta dos
escenarios: el primero el flujo normal y el segundo
el flujo de una avenida extraordinaria con un
determinado periodo de retorno. En ocasiones se
requiere diseñar dos canales diferentes uno central
para aguas normales y otro ampliado para aguas
máximas. El canal pequeño se diseña
generalmente para la avenida de un periodo de
retorno de dos años, y el canal amplio para un
periodo de más de 200 años, de acuerdo a los
requerimientos.
3. Siempre que sea posible debe utilizarse la
vegetación como el método mejor para la
estabilización de las orillas.
4. La canalización debe minimizarse a lo
estrictamente necesario, teniendo en cuenta que
las modificaciones del sistema natural de la
corriente producen cambios ambientales
irreparables. La idea es realizar la menor cantidad
posible de obras artificiales y como lo propone
Leopold (1977) respetar los ríos.
Un ejemplo de este esquema de canalización es el
utilizado por la Thames Water Authority en Inglaterra,
en la forma indicada en el capítulo 11. Este esquema
tiene como objetivo no solamente la protección contra
inundaciones sino también la importancia de mantener
un canal natural meándrico para proteger los recursos
de pesca y la fauna acuática. Los trabajos se diseñan
para minimizar la alteración del canal natural pero al
mismo tiempo, generando un nuevo canal con
capacidad suficiente y comportamiento homogéneo.
Por ejemplo, el fondo del canal se profundiza para
aumentar las áreas pantanosas y se utiliza la
vegetación como sistema de estabilización
conjuntamente con rip-rap o enrocado en los sitios
más críticos de erosión.
12.2 TIPOS DE ESTRUCTURA LATERAL
Estructuras longitudinales
Una de las formas más eficiente de controlar el cauce
de un río es la construcción de muros o diques
revestidos longitudinales a lo largo de la corriente,
siguiendo los patrones de curvatura típicos de la
corriente. Estos muros o diques pueden construirse
dentro del cauce disminuyendo la sección para facilitar
la navegación o separar las corrientes de la orilla o
pueden construirse con medidas de protección a lo
largo de las orillas actuales.
La construcción de estructuras longitudinales favorece
la formación de un canal más estable y uniforme.
Generalmente se diseña para un ancho permanente
normal y se pueden dejar espacios entre el muro y la
orilla para que sean sedimentados posteriormente.
Desde el punto de vista hidráulico las estructuras
longitudinales ayudan a aumentar la velocidad y
disminuir la resistencia, al movimiento y la erosión.
En ocasiones las canalizaciones pueden dar
resultados negativos si el ancho diseñado es muy
pequeño para acomodar el caudal de las avenidas
del río. En estos casos existe el problema de que no
es posible reacondicionar los muros para corregir el
error, cosa que sí es posible en las canalizaciones con
espigones donde se puede disminuir la longitud de
los espigones después de construidos (Przedwojski,
1995).
En ocasiones se dejan espacios permeables en los
diques para facilitar la entrada de agua y
sedimentación por detrás de las estructuras, este
sistema ayuda adicionalmente a la fauna acuática.
Estructuras laterales en ríos de montaña
Los espigones no se recomienda utilizarlos en ríos
con pendientes superiores al 2%, debido a que las
corrientes son tan fuertes que es prácticamente
imposible garantizar la estabilidad de los espigones.
En ríos de montaña se recomienda construir obras
longitudinales más no espigones.
Espigones cortos (spurs)
Los espigones cortos o spurs son diques transversales
de Lp / B1 < 0.33
Donde:
LP = Es la longitud de la estructura proyectado sobre
la línea perpendicular a la corriente y
B1 es el ancho de la sección definitiva del río.
Kondap y Prayag (1989) recomiendan limitar la
longitud de los espigones a 0.2B , donde B es el ancho
del río y el espaciamiento entre espigones a 3L. El
espaciamiento máximo que puede permitirse es 4L.
CAPÍTULO 12. ESPIGONES 467
FOTOGRAFÍAS 12.1 y 12.2 Falla de espigones por socavación.
CAPÍTULO 12. ESPIGONES 468
L
B
Recto Cabeza redonda T L
Doble ángulo Hockey Hockey invertido Ala
Flujo
Flujo
Espigones largos (groynes)
Los espigones son estructuras relativamente sólidas
alargadas que se colocan para desviar la corriente de
agua o controlar el arrastre de materiales del fondo,
(Lp / B1 > 0.33). Un espigón es una estructura
construida a un ángulo con la dirección de flujo,
anclada en la orilla del canal y con una cabeza para el
manejo del flujo en la punta. Los espigones
incrementan la velocidad del agua al disminuirse la
sección del río, aumentando el gradiente y generando
macroturbulencia intensa. La turbulencia generada
por los espigones puede producir remolinos o vórtices
fuertes que generen a su vez socavación, la cual
representa un problema de estabilidad para la
estructura del espigón.
Los espigones pueden construirse con bloques de
roca, bloques de concreto, gaviones, hexápodos,
tetrápodos, pilotes de acero, madera, o bambú o
combinaciones de varios materiales. Los espigones
de enrocado tienen generalmente una sección
trapezoidal. Los materiales de gran tamaño se
acumulan unos sobre otros, formando una estructura
alargada.
El objetivo del espigón es desviar la corriente del río
alejándola de zonas críticas para prevenir la erosión
de la orilla y establecer un canal más estable. Ellos
se utilizan también en ríos anchos trenzados para
establecer un canal bien definido que no sufra ni
agradación ni degradación y que mantenga su
localización de año en año. En este caso los
espigones pueden tener diques muy largos en su
punta junto al agua para ayudar a definir el canal del
río. Los espigones se utilizan además, en ríos
meándricos para controlar el flujo en la entrada o salida
de la curva.
Los espigones se emplean para protección de las
riberas de los ríos, en el caso del golpeo de las
corrientes del río contra los taludes de las riberas. Se
coloca generalmente a intervalos de dos a cuatro veces
la longitud de las secciones individuales. Se
recomienda un mínimo de tres espigones para
resultados efectivos.
Espigones permeables e impermeables
Los espigones pueden ser permeables o
impermeables en el sentido que pueden permitir o no
el paso del agua a través de ellos. Los espigones
permeables son más efectivos en los ríos que tienen
mayor cantidad de carga de fondo y altas
concentraciones de sedimentos, debido a que estos
espigones facilitan la sedimentación.
Los espigones impermeables son más efectivos
cuando se requiere mantener una profundidad de
cauce para navegación, debido a que la socavación
es mayor y por lo tanto el cauce va a tener una mayor
profundidad.
Forma de los espigones
Los espigones pueden también clasificarse de acuerdo
a su forma en planta, así:
1. Espigón recto formando un ángulo con la orilla y
que tiene una cabeza con un sistema de protección
contra la socavación en la punta.
2. Espigón en forma de T, el ángulo a es generalmente
de 90 grados y el dique en la punta es paralelo a la
dirección del flujo.
3. Espigón en forma de L, que permite mayor espacio
para sedimentación entre espigones y menos
socavación en su cabeza y son más efectivos para
facilitar la navegación.
FIGURA 12.3 Formas en planta de espigones.
CAPÍTULO 12. ESPIGONES 469
Curso principal de agua Dique de
Afluente
entrega
Dispositivo anti-erosivo
Relleno
4. Espigones en forma de jockey que poseen huecos
los cuales son más extensivos en área que los en
forma de T.
Partes de un espigón
Un espigón consta de cuatro elementos así:
a) La punta del espigón: la cual constituye el punto
crítico para su socavación por la concentración de
corrientes y la velocidad del agua en este punto.
La socavación de la cimentación de la punta
depende de la sección del río con o sin espigones,
de la inclinación de los taludes y de los caudales
del río.
b) La cresta: puede ascender hacia la orilla o ser
horizontal además puede ser sumergida o
levantada con respecto al nivel del agua de diseño.
Si la cresta es desbordable debe proveerse de un
sistema de protección contra la socavación en el
lado aguas abajo.
c) Anclaje: el anclaje depende de la situación real del
sitio ante la posibilidad de que el agua pase por
detrás del espigón.
d) Cimiento: es el factor que determina la durabilidad
del espigón. El cimiento a su vez está constituido
por la fundación propiamente dicha y por un tapete
o colchón, como protección contra la socavación.
Para evitar la destrucción o barrida de los espigones
debe profundizarse los espigones tanto como sea
posible dentro del fondo del río.
Un espigón de alta flexibilidad va adaptándose al
terreno a medida que se produce la socavación. La
obra cede en la parte erosionada, se flexiona y adopta
la nueva forma del terreno. Puede ocurrir, sin embargo
que la flexibilidad del espigón no sea lo
suficientemente alta y tienda a romperse por flexión
para ser arrastrada por el río, o que la fuerza de la
creciente sea tal que arrastre totalmente el espigón.
FIGURA 12.4 Rectificación de orilla y eliminación de isla utilizando espigones.
12.3 DISEÑO DE ESPIGONES
El diseño de un grupo de espigones es una función
de los siguientes factores:
1. Variables del flujo
a. Profundidades de aguas mínimas, normales y
máximas.
b. Cantidad de carga suspendida con relación a la
carga de fondo.
2. Parámetros del cauce
a. Pendiente y velocidad del río.
b. Características del material de fondo (arcilla, limos,
arena, grava, cantos, guijarros).
c. Tamaño del canal (ancho y sección).
CAPÍTULO 12. ESPIGONES 470
S
Lt
R
Ø
R3
R3
R2 R2
R1
R1
a) Curva de un radio
b) Curva de dos o mas radios
R = Radio de curvatura
Ø = Angulo de la curvatura
S = Separación entre espigones
Lt = Longitud de trabajo de los espigones
3. Materiales disponibles para construcción
Previamente al diseño debe analizarse las
posibilidades de materiales para su construcción.
4. Posibilidad de avalanchas y otras amenazas
Ha ocurrido un número muy alto de fallas de espigones
que justifican un replanteo total de los sistemas de
análisis, diseño y construcción empleados hasta
ahora. Para evitar la destrucción y/o arrastre de los
espigones deben tenerse en cuenta las siguientes
características:
a. Conocimiento del régimen hidráulico del río.
b. Cálculo de socavación del cauce con el espigón.
c. Diseño de una cimentación con la profundidad
adecuada.
d. Diseño hidráulico del espigón.
e. Diseño estructural (resistencia y flexibilidad) del
espigón.
El espigón no debe causar un cambio brusco en la
dirección de la corriente, sino por el contrario producir
un cambio suave. Los espigones son efectivos
solamente si el espaciamiento entre ellos no es muy
grande.
FIGURA 12.5 Localización en planta de espigones.
CAPÍTULO 12. ESPIGONES 471
Elementos a diseñar
Los puntos más importantes a tomar en cuenta al
diseñar una protección basado en espigones son:
(Maza, 1975)
a. Localización en planta. Radios de las curvas,
longitud de las tangentes, ancho estable del río.
b. Longitud de los espigones.
c. Elevación de la cresta de los espigones
d. Espaciamiento entre espigones.
e. Número de espigones
f. Pendiente de la corona.
g. Angulo de orientación respecto a la orilla.
h. Taludes laterales de los espigones.
i. Permeabilidad del espigón.
j. Características y tamaño de los Materiales para la
construcción de los espigones.
k. Determinación de las condiciones de flujo
alrededor de los espigones.
l. Predicción de la socavación en la curva y
socavación local en el extremo del espigón.
12.3.1 LOCALIZACIÓN EN PLANTA
Al proyectar una obra de defensa ya sea protegiendo
la orilla actual, o bien, en una margen nueva (al hacer
una rectificación) se requiere trazar en planta el eje
del río y en las orillas dibujar una línea paralela al eje a
la cual llegarán los extremos de los espigones. La
longitud de cada espigón, estará dada por la distancia
de la orilla real a esa línea. La separación entre las
nuevas orillas, es decir el ancho B, estará dado por el
estudio de estabilidad de la corriente, el cual tomará
en cuenta si el tramo será navegable, el cambio de
pendiente si se rectifica el río, etc.
Cuando se trata de una rectificación en cauces
formados por arenas y limos, conviene dentro de lo
posible, que los radios de las curvas nuevas, medidos
hasta el eje del río tengan la longitud R siguiente:
2.5 B < R < 8B
Donde:
R = Radio de Curva
B = Ancho del río
Al respetar los radios anteriores, la defensa que se
haga sobre la base de espigones, trabajará
eficientemente. Si los radios de curvatura son
menores, la separación de los espigones disminuye y
económicamente es preferible construir una defensa
marginal apoyada en la orilla. Si los radios son
mayores, el río tiende a formar un cauce con menores
radios dentro de la curva y no todos los espigones
trabajan eficientemente.
Cuando solo se desea proteger las orillas actuales de
un río, y no se desea hacer trabajos de rectificación,
la línea que une los extremos de los espigones deberá
trazarse lo más uniformemente posible, aunque no
necesariamente tendrá un radio único.
Los proyectos de este tipo son los más comunes en
la primera etapa de desarrollo de una región ya que
se trata de fijar las orillas al menor costo posible. La
selección de la línea que une los extremos de los
espigones incluye en la longitud de los mismos y ésta,
junto con la orientación que se les dé, determinan la
separación, entre ellos. Por lo tanto es indispensable
estudiar varias localizaciones en esa línea.
Al protegerse, ya sea una sola curva, o un tramo
completo, los primeros tres espigones de agua arriba
deben tener longitud variable. El primero deberá ser
de la menor longitud posible (igual al tirante), y los
otros aumentar uniformemente, de tal manera que el
cuarto tenga ya la longitud de proyecto. La pendiente
longitudinal de la corona debe ser uniforme en todos
ellos y por lo tanto la misma de los demás espigones.
Por último conviene aclarar que aunque la línea teórica
que une los extremos de los espigones pueda tener
diversos radios de curvatura, nunca deberá tener un
tramo en que su radio de curvatura se mida hacia la
orilla exterior. Todos los radios de esa línea se deberán
medir hacia el mismo lado; es decir, hacia el interior
de la curva.
12.3.2 SEPARACIÓN ENTRE
ESPIGONES
La separación entre espigones se mide en la orilla entre
los puntos de arranque de cada uno y depende
primordialmente de la longitud del espigón de aguas
arriba de su orientación y de la localización de la orilla.
Para calcularla se toma en cuenta la inclinación del
espigón respectivo a la orilla de aguas abajo y la
ampliación teórica de la corriente al pasar por el
extremo del espigón. El ángulo de esa desviación es
de 9° a 14°.
La longitud de anclaje debe ser mayor cuando las
orillas son de poca altura, con el objeto de evitar que
la corriente pueda desviarse por detrás de los
CAPÍTULO 12. ESPIGONES 472
L Lt
Le
entre 9º y 14º
Espigón
Empotramiento
Lt
Lt
Lto
entre 9º y 14º
Lto
Lt entre 9º y 14º
Sp
Sp
Sp
Flujo
Flujo
Flujo
Espigones normales
Espigones inclinados aguas arriba
Espigones inclinados hacia aguas abajo
espigones. Generalmente, se construye primero el
espigón localizado más aguas arriba y luego los
espigones subsiguientes hacia aguas abajo. Esto se
hace con el objetivo de poder construir los espigones
en aguas bajas y calmadas.
Los espigones se construyen en grupos mínimo de
cuatro espigones seguidos (Derrick, 1998). Una de
las decisiones más importante del diseño es la
separación entre espigones individuales. Los
espigones deben colocarse a una distancia tal que la
acción conjunta de ellos pueda separar el eje de flujo
de la orilla, se debiliten las corrientes entre espigones
y se promueva entonces, sedimentación en los
espacios entre ellos (Przedwojski 1995). Si los
FIGURA 12.6 Orientación de espigones con respecto al flujo.
espigones están demasiado separados, las corrientes
pueden atacar la orilla que se pretende proteger entre
dos espigones, generándose erosión o produciéndose
meanderización de la corriente. La construcción de
espigones muy cerca unos de los otros produce un
sistema menos eficiente y más costoso.
Generalmente la distancia entre espigones está
relacionada con el ancho del río la longitud del
espigón, la velocidad del flujo, el ángulo a y la curvatura
de la orilla.
Generalmente los espigones permeables pueden ser
espaciados a mayores distancias que los
impermeables.
CAPÍTULO 12. ESPIGONES 473
1
2
3
4
= 9º a 14º
Tangente = 9º a 14º
= 9º a 14º
90º
Flujo
Línea imaginaria
de nueva orilla
Localización del
siguiente espigón
R
B
1
2
3
4
Espigones
direccionales
Flujo
diseño
L de
FIGURA 12.7 Colocación de espigones cortos direccionales antes del primer espigón de diseño.
Ángulo de
Orientación Separación Sp
90º a 70º (5.1 a 6.3) Lt, (5.2 a 6.4) Lto
60º (5 a 6) Lt, (5.7 a 6.9) Lto
TABLA 12.1 Separación de espigones en tramos rectos.
FIGURA 12.8 Método para determinar el espaciamiento entre espigones en orillas curvas.
Las recomendaciones de Maza Alvarez (1989) son
las siguientes:
a. Separación en tramos rectos:
Cuando se requieran construir espigones en tramos
rectos y sin empotramiento en la margen, la separación
deberá ser la que se indica en la tabla 12.1.
b. Separación en curvas
Para la localización de espigones en curva Maza (1989)
recomienda suponer un ángulo b de 9º a 14º de
desviación de la corriente para la colocación del
siguiente espigón. La separación Sp, entre espigones
colocados en curva, conviene controlarla gráficamente
como se indica en la figura 12.8. Si la curva es regular
y tiene un único radio de curvatura la separación que
CAPÍTULO 12. ESPIGONES 474
FOTOGRAFÍA 12.4 Espigones de bolsacreto.
FOTOGRAFÍA 12.3 Espigones de hexápodos prefabricados de concreto armado.
CAPÍTULO 12. ESPIGONES 475
Aguas máximas
2.00 m
Super piedras
1500 - 2000 lbs
+1.50m
Piedras gravas
50 - 100 lbs
Geotextil Nucleo de piedras medianas
Super cantos
Piedras medianas
5
1
Variable de acuerdo al sitio
Geotextil Grava
Arena
Nota: El tamaño y el peso de las piedras varian con las condiciones locales del flujo
Sp recomendable
α Lt
Sp teórico en función
Lto
Sp teórico en función
Lt Empotrado No empotrado
60 1.15 Lto 5.7 - 6.9 5.0 - 6.0 6 Lt 5 Lt
70 1.06 Lto 5.4 - 6.6 5.1 - 6.3 6.3 Lt 5Lt
90 Lto 5.1 - 6.3 5.1 - 6.3 6.3 Lt 5 Lt
TABLA 12.2 Separación de espigones (Criterio de Maza-Alvarez - 1989).
se ha probado con buenos resultados es Sp = (2.5 a
4) Lt; para radios de curvatura mayores de cuatro B
se han usado separaciones de 4 Lt. Si la curva es
irregular o con un radio de curvatura pequeña la
separación de espigones necesariamente debe
encontrarse en forma gráfica.
Elevaciones y pendientes
longitudinales de la cresta
Se han construido espigones sin pendiente
longitudinal (S = O) hacia el centro del cauce y con
pendiente de 0.02 a 0.25. Experimentalmente se ha
FIGURA 12.9 Sección de espigón en enrocado.
CAPÍTULO
...