LUIS ALBERTO CAMPUZANO CASTRO Ingeniero Civil Magister of Science
Determinar el perfil de socavación de un río para diseñar un puente, utilizando datos obtenidos en los estudios de ingeniería.
Determinar el perfil de socavación de un río para diseñar un puente, utilizando datos obtenidos en los estudios de ingeniería.
¿Qué datos de los estudios de ingeniería se necesitan para obtener un perfil de socavación?
SE ENTIENDE POR SOCAVACION LA ACCION DE EXCAVAR (EROSIONAR) LAS ORILLAS O EL FONDO DE UN RIO, PUEDE SER NATURALMENTE O POR MEDIO DE LA INTERVENCION DEL HOMBRE
SOCAVACION NORMAL O GENERAL SOCAVACION POR ESTRECHAMIENTO SOCAVACION EN CURVAS EROSION DE MARGENES SOCAVACION LOCAL EN PILAS SOCAVACION LOCAL EN ESTRIBOS
SOCAVACION NORMAL O GENERAL
ES EL DESCENSO DEL FONDO DE UN RIO QUE SE PRODUCE AL PRESENTARSE UNA CRECIENTE O AVENIDA MAXIMA EXTRAORDINARIA, Y SE DEBE AL AUMENTO DE LA CAPACIDAD DE ARRASTRE DEL MATERIAL SOLIDO QUE EN ESE MOMENTO ADQUIERE LA CORRIENTE, EN VIRTUD DE SU MAYOR VELOCIDAD
EL INCREMENTO CONSIDERABLE DE LA ENERGIA CINETICA DEL FLUJO EN EL ESTRECHAMIENTO, PUEDEN PRODUCIR PROFUNDIDADES DE EROSIONES EXCESIVAS EN LOS APOYOS, ESTO OBLIGA A ESTIMAR NIVELES DE DESPLANTE DE LA CIMENTACION MUCHO MAYORES O CONSTRUIR OBRAS DE PROTECCION, LO QUE ELEVA LOS COSTOS DEL PUENTE.
SOCAVACION EN CURVAS CUANDO EL RIO DESCRIBE UNA CURVA EXISTE UNA TENDENCIA EN LOS FILETES LIQUIDOS SITUADOS MAS LEJOS DEL CENTRO DE CURVATURA, POR LO QUE LA PROFUNDIDAD DE EROSION ES MAYOR EN LA PARTE DEL CAUCE EXTERIOR DEL RIO.
ES LA EROSION QUE LAS AGUAS DE UNA CORRIENTE PRODUCEN EN LOS MATERIALES TERREOS DELEZNABLES O SOLUBLES QUE FORMAN SUS ORILLAS.
SOCAVACION LOCAL EN PILAS ES AQUELLA QUE SE PRODUCE AL PIE DE LOS OBSTACULOS RODEADOS POR LA CORRIENTE DEBIDO AL CAMBIO DE LAS CONDICIONES HIDRAULICAS DEL RIO
SOCAVACION LOCAL EN PILAS
SOCAVACION LOCAL DE PILAS DE PUENTES
SOCAVACION LOCAL EN ESTRIBOS Aquella que se produce por obstáculos que solamente desvían la corriente, pero que están ligados a la orilla.(ESTRIBOS Y ESPIGONES)
SOCAVACION LOCAL EN ESTRIBOS
PARA DETERMINAR LA SOCAVACION GENERAL DE CAUCES SE TIENE ALGUNOS METODOS COMO EL DE LISCHTVANLEBEDIEV. PARA APLICAR ESTE METODO, ES IMPORTANTE CLASIFICAR LOS CAUCES DE LOS RIOS SEGÚN SE INDICA EN LA TABLA ADJUNTA
COHESIVO DEFINIDO NO COHESIVO COHESIVO INDEFINIDO NO COHESIVO
HOMOGENEA HETEROGENEA HOMOGENEA HETEROGENEA
HOMOGENEA HETEROGENEA HOMOGENEA HETEROGENEA
DEFINIDO.- Cuando tiene orillas bien marcadas y en época de estiaje toda la corriente escurre por el mismo.(Fig. 1)
Figura 1. Sección de un río con cauce principal definido. a)
Cauce principal, con franco arrastre de material.
b)
Cauce de avenidas, en algunas ocasiones cubierto con algo de vegetación.
1)
Nivel de aguas mínimas ordinarias.
2)
Nivel de aguas máximas ordinarias.
EJEMPLO DE CAUCE DEFINIDO RIO PITAL – SANTA ROSA – EL ORO
Figura 2. Sección de un río con cauce principal indefinido. a)
Posible cauce principal.
1)
Nivel de aguas mínimas.
2)
Nivel de aguas máximas ordinarias.
METODO DE LISCHTVAN - LEBEDIEV Se fundamenta en la condición de equilibrio entre la velocidad real media de la corriente (Vr) y la velocidad media del flujo (Ve) que se requiere para iniciar el arrastre de las partículas del cauce del río, cuyas características son conocidas (el método se aplica independientemente de que la distribución del material del subsuelo sea homogénea o heterogénea.
DATOS REQUERIDOS PARA APLICAR EL METODO DE LISCHTVAN-LEBEDIEV
CALCULO DE LA VELOCIDAD REAL MEDIA DE LA CORRIENTE ( Vr ) Para cualquier profundidad alcanzada
Vr donde:
H 0
5
3
(1)
H s
H0 = Profundidad inicial existente, en la sección del cruce (m). Hs = Profundidad después de producirse la socavación, en la sección del cruce (m). = Coeficiente que se determina a base de los datos obtenidos, con la expresión:
CUMPLIMIENTO DEL VALOR DE Vr
CALCULO DE LA VELOCIDAD REAL MEDIA DE LA CORRIENTE ( Vr )
Qd
Hm
5
3
Be
(2)
donde: Qd = Caudal o gasto de diseño. Be = Ancho efectivo en la sección del cruce (m). Para determinar Be, se traza una perpendicular a la línea de corriente. Sobre esta proyectan todas las pilas (obstáculos) y se suman los espacios libres. De esta manera considerará también el esviajamiento de la corriente. Hm = Tirante medio de la sección del cruce (m). Se determina dividiendo el área hidráulica entre el ancho efectivo. = Coeficiente que considera la contracción producida por las pilas (Tabla 1).
CUMPLIMIENTO DEL VALOR DE Vr
CALCULO DE LA VELOCIDAD MEDIA DEL FLUJO ( Ve ) Para suelos friccionantes
V 0 0,68 * Dm
0.28
* * H s
x
(3)
Para suelos cohesivos
V 0 0,60 * s
1.18
x s
* * H
(4)
Donde: = Coeficiente que considera el periodo de retorno del caudal de diseño (Tabla 2). x = Exponente variable, tiene valor diferente en cada expresión (Tabla 3). Para suelos friccionantes, su valor depende de Dm (mm), para suelos cohesivos, depende de γs (ton/m3).
CALCULO DE LA PROFUNDIDAD DE SOCAVACION (Hs) PARA SUELOS HOMOGENEOS, IGUALANDO Ve y Vr Se conoce el tipo de suelo de la sección del cruce y se supone que la rugosidad es constante
Para suelos friccionantes:
H 3 0 Hs 0,68 Dm0.28 5
1 / 1 x
(5)
Para suelos cohesivos: 1 / 1 x
H 3 0 Hs 0,60 s1.18 5
(6)
CALCULO DE LA PROFUNDIDAD DE SOCAVACION (Hs) PARA SUELOS HETEROGENEOS: En cada eje vertical se selecciona el estrato superior y de acuerdo con sus características se aplica la ecuación adecuada (5 o 6) CALCULO DE LA PROFUNDIDAD DE SOCAVACION (Hs) PARA RUGOSIDAD NO UNIFORME EN LA SECCION DEL CRUCE: Cuando en la sección del cruce existen dos o más sectores con diferentes profundidades el procedimiento de cálculo es similar (en cada sector determinar el valor α)
CALCULO DE LA SOCAVACION GENERAL CASO DE ESTRATIGRAFIA NO UNIFORME
Tabla 4. Características geométricas e hidráulicas sección transversal de cauce, en sitio de cruce. Caudal máximo (m3/s) Periodo de retorno (años) Nivel superficie libre, caudal máximo (msnm) Rugosidad Ancho superficie libre del agua (m) Separación entre pilas del puente (m) Área hidráulica, nivel 76,20 msnm (m 2) Tirante medio (m) Velocidad media (m/s)
664,0 100,0 76,2 uniforme 66,5 20,0 237,0 3,7 2,8
Exploración y muestreo: Se realizaron 4 perforaciones, en el sitio de cruce, pudiendo establecer que la estratigrafía está constituida por estratos de arena de gradación variable, intercalados con estratos arcillolimosos de consistencia variable.
Datos Diámetro medio de arena
0,40 mm
Diámetro media arena gruesa 1,50 mm Peso volumétrico seco arcilla 1,40 t/m3
El perfil de la sección transversal del cauce, en el sitio del cruce y la estratigrafía del subsuelo se presentan en la Fig, 3
Fig. 3 Sección transversal del cauce en el sitio del cruce
PROCEDIMIENTO DE CALCULO a) Para el cálculo de α, se aplica la ecuación (2) a.1) El coeficiente μ, de la Tabla 1, para la longitud entre pilas de 20 m. y velocidad media de 2,8 m/s, se obtiene μ=0,955. a.2) Considerando que el puente no está esviajado respecto a la corriente, el ancho efectivo (Be) será igual al ancho de la superficie libre del agua, correspondiente al caudal máximo (B) menos la suma de los anchos de las pilas supuestas (Σpi). Para el caso, el ancho efectivo (Be) será igual a 64,0 m. Be = B – Σpi = 66,5 – 2,5 = 64,0 m. a 3) Por lo tanto el valor de α es igual a 1,23
Tabla No.- 1 COEFICIENTE DE CONTRACCION μ Velocidad media en sección cruce m/seg
Longitud libre entre dos pilas (claro) en m 10
13
16
18
21
25
30
42
52
63
106
124
200
< 1,0
1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
1,0
0,98 0,97 0,98 0,98 0,99 0,99 0,99 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
1,5
0,94 0,95 0,97 0,97 0,97 0,98 0,99 0,99 0,99 0,99 1,00 1,00 1,00
2,0
0,93 0,94 0,95 0,96 0,97 0,97 0,98 0,98 0,99 0,99 0,99 0,99 1,00
2,5
0,9
3,0
0,89 0,91 0,93 0,94 0,95 0,96 0,96 0,97 0,98 0,98 0,99 0,99 0,99
3,5
0,87 0,90 0,92 0,93 0,94 0,95 0,96 0,97 0,98 0,98 0,99 0,99 0,99
4,0 ó +
0,85 0,89 0,91 0,92 0,93 0,94 0,95 0,95 0,97 0,98 0,99 0,99 0,99
0,93 0,94 0,95 0,96 0,96 0,97 0,98 0,98 0,99 0,99 0,99 1,00
PROCEDIMIENTO DE CALCULO DE b ) Cálculo de β .- El valor del coeficiente β = 1,0 se obtiene de la Tabla 2, de acuerdo con el período de retorno establecido para el caudal máximo de diseño (100 años).
Tabla No.- 2 COEFICIENTE β Periodo retorno en años 1 2 5 10 20 50 100 500 1.000
Coeficiente 0,77 0,82 0,86 0,90 0,94 0,97 1,00 1,05 1,07
Tabla No.- 3 VALORES DE “X” y “1/(1+X)” PARA SUELOS COHESIVOS O FRICCIONANTES SUELOS COHESIVOS
SUELOS FRICCIONANTES
γs
x
1/(1+x)
γs
x
1/(1+x)
Dm(mm)
x
1/(1+x)
Dm(mm)
x
1/(1+x)
0,80
0,52
0,66
1,20
0,39
0,72
0,05
0,43
0,70
40
0,30
0,77
0,83
0,51
0,66
1,24
0,38
0,72
0,15
0,42
0,70
60
0,29
0,78
0,88
0,50
0,67
1,28
0,37
0,73
0,50
0,41
0,71
90
0,28
0,78
0,88
0,49
0,67
1,34
0,36
0,74
1,00
0,40
0,71
140
0,27
0,79
0,90
0,48
0,68
1,40
0,35
0,74
1,50
0,39
0,72
190
0,25
0,79
0,93
0,47
0,68
1,45
0,34
0,75
2,50
0,38
0,72
250
0,25
0,80
0,96
0,48
0,68
1,52
0,33
0,75
4,00
0,37
0,73
310
0,24
0,81
0,98
0,45
0,69
1,58
0,32
0,76
8,00
0,36
0,74
370
0,23
0,81
1,00
0,44
0,69
1,64
0,31
0,76
8,00
0,35
0,74
450
0,22
0,82
1,04
0,43
0,70
1,71
0,30
0,77
10,00
0,34
0,75
570
0,21
0,83
1,08
0,42
0,70
1,80
0,29
0,78
15,00
0,33
0,75
750
0,20
0,83
1,12
0,41
0,71
1,89
0,28
0,78
20,00
0,32
0,76
1000
0,19
0,84
1,16
0,40
0,71
2,00
0,27
0,79
25,00
0,31
0,76
PROCEDIMIENTO DE CALCULO c ) Cálculo de 1/(1+X) .- El valor de X, para los diferentes suelos se obtiene de la Tabla 3, de conformidad con el diámetro medio del material o el peso volumétrico seco del mismo. Dm
Arena Arena gruesa Arcillalimosa
γs
x
(1/1+x)
0,4 mm
0,41
0,71
1,5 mm
0,39
0,72
0,35
0,74
1,4 t/m3
PROCEDIMIENTO DE CALCULO DE LA ALTURA DE SOCAVACION: Hs
Tabla No.- 6 Socavación general: Determinacion de profundidad (método Lischtvan-Lebediev) Caso: Estratigrafía heterogénea. γ
s
Punto
1
Estrato
1
1
2
1
2
3
1
2
1
2
1
2
1
2
Materi al
arena f.
arena f.
arcilla
arena f.
arcill a
arena grava
arena f.
arcill a
arena f.
arcill a
arena f.
arcill a
arena f.
arcill a
Qd
664
664
664
664
664
664
664
664
664
664
664
664
664
664
Hm
3,70
3,70
3,70
3,70
3,70
3,70
3,70
3,70
3,70
3,70
3,70
3,70
3,70
Be
64,00
64,00
64,00
64,00
64,00
64,00
64,00
64,00
64,00
64,00
64,00
64,00
64,00
64,00
0,955
0,955
0,955
0,955
0,955
0,955
0,955
0,955
0,955
0,955
0,955
0,955
0,955
0,955
1,23
1,23
1,23
1,23
1,23
1,23
1,23
1,23
1,23
1,23
1,23
1,23
1,23
1,23
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
Tr
2
3
3,70
1,40
γs
1,40
Dm
0,40
0,40
X
0,41
0,41
0,35
0,41
1/(1+x)
0,71
0,71
0,74
Ho
2,00
3,50
3,50
Hs(c) Hs(f)
0,40
8,05
5
1,40
6
1,40
1,40
0,35
0,39
0,41
0,35
0,41
0,35
0,41
0,35
0,41
0,35
0,71
0,74
0,72
0,71
0,74
0,71
0,74
0,71
0,74
0,71
0,74
5,00
5,00
5,00
4,50
4,50
4,00
4,00
3,20
3,20
2,50
2,50
12,27
7,84 9,74
10,84
0,40
1,40
0,40
8,95
0,40
7
1,50
5,73 4,15
4
6,77 9,43
0,40
5,12 7,24
3,76 5,40
Figura 4 Perfil probable de socavación en la sección transversal del cruce (estratigrafía no uniforme)
Tabla No.- 7 Socavación general: determinación de profundidad (método Lischtvan-Lebediev) Caso: Estratigrafía uniforme
Figura 5 Perfil probable de socavación en la sección transversal del cruce (estratigrafía uniforme – suelo friccionante)
Figura 6 Perfil probable de socavación en la sección transversal del cruce. (estratigrafía uniforme – suelo cohesivo)
SOCAVACION TRANSVERSAL Se puede aplicar el método para socavación general (Hs), considerando las reducciones del área efectiva (Ao) y el ancho efectivo (Be)
B1 H 2 B2
0 , 942
H 1
Se puede establecer aproximadamente la socavación transversal con la fórmula de STRAUB (H2), solamente si el suelo es arenoso y la distribución del material es homogénea, considerando el subindice 2 para la sección reducida y el subindice 1 para la sección inalterada aguas arriba.
SOCAVACION LOCAL AL PIE DE PILAS DE PUENTES (método Maza y Sánchez) Normas Interinas de Diseño de Carreteras y Puentes, CORPECUADOR
SOCAVACION DE ESPIGONES
SOCAVACION DE ESPIGONES
SOCAVACION LOCAL FRENTE A ESTRIBOS Y ESPIGONES DE PUENTES Se recomienda el método de Artamanov
S T P * P q * P k * H 0
(8)
donde: P = Factor que depende del ángulo de esviajamiento. Pq = Factor que depende de la relación Q1/ Q. Q1 = Caudal teórico que pasaría por el área ocupada por el estribo. Q = Caudal total que escurre por el río. Pk = Factor que considera el talud de los lados del estribo o esplgón.
Calcular y graficar el perfil de socavación del río en donde se implantará el puente en estudio (trabajo grupal) Revisar la SECCION 3: CARGAS Y FACTORES DE CARGA, de las Especificaciones AASHTO para el diseño de puentes por el método LRFD.
Cargas que intervienen en el diseño de un puente.
