Efectos de La Socavacion en Obras Civiles Desde El Punto de Vista Hidraulico

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

REGIÓN XALAPA

“EFECTOS DE LA SOCAVACION EN OBRAS CIVILES DESDE EL PUNTO DE VISTA HIDRAULICO“

MONOGRAFIA

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL

PRESENTA ERIC DURAN DOMINGUEZ

DIRECTOR ING. DAVID LOZANO LAEZ

Xalapa Enríquez Veracruz

2014

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INDICE 1.- GENERALIDADES………………… GENERALIDADES……………………………………………… …………………………………………………1 ……………………1 1.1 Vientos…………………… Vientos……………………………………………… …………………………………………………... ………………………... .1 1.1.1. 1.1.1. Lluvia, nieve, granizo, tormentas………………………………………… tormentas………………………………………… 2 1.1.2. 1.1.2. El fenómeno climático…………………………………………………… climático…………………………………………………… ..4 1.2 Calentamiento global……………………… globa l………………………………………………… ……………………………... …... ....4 1.3 Temperatura……………………………… Temperatura………………………………………………………… ………………………………... ……... ...6 1.4 Ríos………………………………………………………………………….....7 Ríos………………………………………………………………………….....7 2.- OBJETIVOS…………………… OBJETIVOS……………………………………………… ………………………………………………………9 ……………………………9 2.1 Descripción de socavación…………………………………………………10 socavación…………………………………………………10 2.2 Factores actuantes en la socavación……………………………………..11 socavación……………………………………..11 3.- TIPOS DE SOCAVACIÓN…………………………………………………………..13 SOCAVACIÓN …………………………………………………………..13 3.1 Socavación general…………………………………………………………13 general…………………………………………………………13 3.2 Socavación en estrechamiento…………………………………………….15 estrechamiento…………………………………………….15 3.3 Socavación Soca vación transversal……………………… transvers al…………………………………………………. …………………………... .....15 ...15 3.4 Socavación en curvas………………………………………………………16 curvas………………………………………………………16 3.5 Socavación en pilas de puentes………………………………………... puentes………………………………………... ...17 3.6 Socavación local en estribos……………………………………………… estribos……………………………………………….21 .21 3.7 Socavación aguas abajo abajo de grandes presas…………………………….. presas……………………………..21 21 3.8 Socavación al pie de obras de excedencia……………………………….22 excedencia………………………………. 22 3.9 Socavación bajo tuberías…. tuberías….………………………………………………. 23 4.- ASPECTOS GEOMORFOLOGICOS DEL CAUCE……………………………… CAUCE………………………………29 29 4.1 Sedimentos y formas del lecho…………………………………………….24 lecho…………………………………………….24 4.2 Rápidos y remansos…………………………… remansos………………………………………………………. …………………………...26 ..26 4.3 Ambientes 4.3 Ambientes fluviales…………………………………………… fluviales………………………………………………………….27 …………….27 4.3.1. Corriente en línea recta………………………… recta………………………………………………….28 ……………………….28 1

4.3.2. Corriente entrelazada…………………………………………………….28 4.3.3. Corriente meándrica……………………………………………………..30 4.3.4. Barras de meandros……………………………………………………..31 4.4. Material del lecho…………………………………………………………..33 4.5. Estabilidad de los cauces de los ríos…………………………………….34 5.- FORMUL AS PARA EL CALCULO DE SOCAVACIÓN…………………………..35 5.1. Estudios hidrológicos……………………………………………………….35 5.2. Estudios hidráulicos………………………………………………………...36 5.3. Estudios de suelos………………………………………………………….37 5.4. Estudios……………………………………………………………………...38 5.5 Lischtvan- Levediev…………………………………………………………39 5.5.1. Análisis de la socavación general para suelos cohesivos en cauces definidos con rugosidad uniforme……………………………………………... 42 5.5.2. Análisis de la socavación general para suelos no cohesivos, en cauces definidos con r ugosidad uniforme…………………………………….46 5.6 Laursen………………………………………………………………………47 5.7 Flujo alterado………………………………………………………………...5 2 5.8 Socavación en estribos: Froehlich…………………………………………54 5.9 Socavación en estribos: Hire……………………………………………….55 6.-SOCAVACIÓN EN OBRAS CIVILES………………………………………………56 6.1 Efectos de la socavación…………………………………………………..56 6.2 Socavación y degradación en puentes…………………………………..58 7.- CONCLUSIONES……………………………………………………………………61 8.- BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………………63

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Agradecimientos.  Agradezco a mis padres por haberme apoyado en todos mis estudios y así poder concluir mi carrera, haciendo lo que ellos pudieron para que yo tuviera un futuro mejor y así poder tener una licenciatura. También agradezco a mis maestros que me dieron las bases para enfrentarme a lo que me espera ya desarrollando los conocimientos adquiridos en la facultad para solucionar los problemas profesionales con los esos conocimientos que me enseñaron a lo largo de la carrera. Por otro lado también debo mencionar a mis compañeros con los que pase buenos momentos durante mi estancia en la facultad. Y también a cada uno de los que han formado parte de mi formación tanto en lo escolar como en lo personal, para ser una persona que enfrente los retos que vienen y así poder tener soluciones a ellos.

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1.- GENERALIDADES. 1.1 Vientos. Dice que la palabra viento viene del latín ventus y que significa “aire atmosférico que se mueve en una dirección determinada”. Dice también que es “aire agitado de cualquier modo”, es decir que cualquiera puede provocar viento simplemente agitando el aire. Es el movimiento del aire en la atmósfera con relación a la superficie terrestre, originado por la diferente cantidad de masas de aire que se encuentran a distintas temperaturas. En meteorología se denomina como tal la componente del movimiento del aire paralela la superficie terrestre. Los movimientos de las masas de aire en otras direcciones se denominan corrientes de aire. Por medio del viento se transporta la humedad y el calor de unas zonas a otras, parámetros fundamentales que configuran el tiempo en un lugar. Al ser una magnitud vectorial se define por su dirección, sentido y por su velocidad. Por la atmósfera terrestre circulan corrientes de aire en forma constante, que se mantienen en equilibrio porque cuando viene una corriente de aire en dirección norte, se ve contrarrestada por otra que va en dirección sur. Si la tierra no rotase, los vientos soplarían principalmente en sentido norte-sur, pero al rotar, hace que desvíen su rumbo. Los continentes crean sistemas de vientos locales. A ras de tierra, el aire se desplaza desde ambos hemisferios hacia el ecuador. El intercambio de aire entre los hemisferios norte y sur es un proceso bastante lento. Durante más de 3000 años la mayoría de los barcos fueron movidos por los vientos. El molino de viento fue probablemente inventado en Persia y fue adoptado en la Edad Media para moler grano y extraer agua. Hoy el hombre aprovecha el viento para generar electricidad en estaciones eólicas experimentales.

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1.1.1. Lluvia, nieve, granizo, tormentas. Cuando la humedad del aire supera el punto de saturación, se condensa alrededor de pequeñas partículas sólidas que flotan en la atmósfera y se forman las nubes.  Algunas de ellas se desarrollan en vertical, corrientes internas hacen que el aire ascienda hacia zonas más frías, mientras las gotas aumentan de tamaño ya que, al descender la temperatura, el agua en estado gaseoso tiende a convertirse en líquida. Si las gotas de agua o hielo superan en peso a las fuerzas que las sostienen, caen por la fuerza de la gravedad y forman lo que llamamos una "precipitación". Dependiendo de la temperatura y el grado de condensación, el agua se puede precipitar en forma de lluvia líquida, pero también puede hacerlo en forma de cristales de hielo (nieve) o de masas densas de hielo de diverso tamaño(granizo).Cuando las diferencias de temperatura entre dos masas de aire son muy grandes, la condensación se produce con enorme rapidez y abundancia, hay precipitaciones intensas, acompañadas de movimientos bruscos del aire y de intercambio eléctrico entre las masas (rayos y relámpagos). Es lo que llamamos "tormentas" y, en algunos casos, pueden llegar muy violentas. El viento es aire en movimiento. El aire caliente asciende y el aire frio ocupa su lugar. Este movimiento crea los vientos alrededor del globo terráqueo. El viento se genera a causa de diferentes presiones en la atmosfera. Puesto que la Tierra gira, los vientos tratan de desplazarse hacia la derecha del Hemisferios Norte y, hacia la izquierda, en el hemisferio Sur. A esto se le llama Efecto Coriolis. Los vientos prevalecientes son una serie de correas alrededor del globo terráqueo que producen vientos constantes cerca de la superficie. Los vientos alisios son constantes y se desplazan hacia el ecuador. Las corrientes fuertes son zonas estrechas de vientos muy fuertes en la parte superior de la tropósfera. Los vientos se mueven a diferentes velocidades y se les dan diferentes nombres basado en la Escala de Beaufort. Esta escala va del 0 al 12 y cubre desde aire calmo a brisa, a 5

fuertes vientos, o vendavales. A los vientos también se les agrupa según su dirección. Los vientos del Este se desplazan del Este hacia el Oeste, mientras que los vientos del Oeste se desplazan del Oeste al Este. Él viento de mayor velocidad que se ha registrado fue de 230 millas por hora en New Hampshire en 1934. Cabe señalar que los tornados pueden tener vientos más rápidos. El lugar donde hay más vientos es en la Antártica.

Clasificación de la Velocidad de los Vientos: Número

de Velocidad

del Descripción

Descripción del Buró Efecto del Viento sobre el

Beaufort

Viento (km/hr)

Internacional

de Clima de EEUU

Mar

0

<1

Calmo

Vientos suaves

Oleaje suave

1

1-5

Brisa suave

Vientos suaves

Oleaje suave

2

6-11

Brisa suave

Brisa suave

Oleaje suave

3

12-19

Brisa moderada Suave-Moderada

4

20-28

Brisa moderada Suave-Moderada

5

29-38

Brisa fresca

Viento fresco

6

39-49

Ventarrones

Vientos fuertes

7

50-61

Brisa fresca

Vientos fuertes

8

62-74

Ventarrón

Vientos fuertes

9

75-88

Ventarrón

Vientos fuertes

10

89-102

Ventarrón

Ventarrón

Olas muy altas, mar

constante

constante

revuelto

11

103-117

Ventarrón

Olas muy altas, mar

constante

revuelto

Tormenta

Olas

grandes

y

pequeñas Olas

grandes

y

pequeñas Oleaje

moderado,

muchas crestas Grandes olas, muchas crestas Grandes olas, muchas crestas Olas

altas,

mucha

altas,

mucha

espuma Olas espuma

6

12-17

>117

Huracán

Huracán

Mar blanco, lleno de crestas, rocío y espuma

1.1.2. El fenómeno climático. El fenómeno climático es una anomalía climática originada en el océano Pacífico tropical frente a las costas de Perú y Ecuador, con periodicidad de tres a cinco años alrededor de la Navidad. Normalmente los alisios soplan de Este a Oeste portando gran cantidad de agua superficial templada que descargará intensas lluvias monzónicas en Indonesia, mientras que por la cola occidental sudamericana aflora agua fría cargada de nutrientes y favorable a la pesca.  Aproximadamente cada cuatro años en el Pacífico oriental el agua superficial se calienta hasta unos 12ºC y permanece estacionaria: un fenómeno local de impacto mundial en cuanto al clima y cadenas de tróficas. Los alisios ceden el monzón descarga en pleno Pacífico, y, mientras puede llover torrencialmente en el desierto de Atacama o en la costa de California, hay sequía en el Pacífico Occidental. Cada episodio de El Niño puede generar tele conexiones y patrones climáticos similares a larga distancia. En el período 1973-1990 la curva del maíz en Zimbawe fue réplica del remoto El Niño.

1.2. Calentamiento global. El calentamiento global es un término utilizado para referirse al fenómeno del aumento de la temperatura media global, de la atmósfera terrestre y de los océanos,  que posiblemente alcanzó el nivel de calentamiento de la  época medieval a mediados del siglo XX, para excederlo a partir de entonces. Todas las  recopilaciones de datos representativas a partir de las muestras de hielo, los anillos de crecimiento de los árboles, etc., indican que las temperaturas fueron cálidas durante el Medioevo, se enfriaron a valores bajos durante los siglos XVII, XVIII y XIX y se volvieron a calentar después con rapidez. Cuando se estudia el Holoceno (últimos 11 600 años), el Panel Intergubernamental del Cambio 7

Climático (IPCC) no aprecia evidencias de que existieran temperaturas medias anuales mundiales más cálidas que las actuales. Si las proyecciones de un calentamiento aproximado de 5 °C en este siglo se materializan, entonces el planeta habrá experimentado una cantidad de calentamiento medio mundial igual a la que sufrió al final de la Glaciación wisconsiense (último período glaciar); según el IPCC no hay pruebas de que la posible tasa de cambio mundial futuro haya sido igualada en los últimos 50 millones de años por una elevación de temperatura comparable. El calentamiento global está asociado a un cambio climático que puede tener   causa antropogénica o no. El principal efecto que causa el calentamiento global es el efecto invernadero, fenómeno que se refiere a la absorción por ciertos gases atmosféricos—principalmente H2O,  seguido por  CO2 y O3—de parte de la energía que el suelo emite, como consecuencia de haber sido calentado por la radiación solar. El efecto invernadero natural que estabiliza el clima de la Tierra no es cuestión que se incluya en el debate sobre el calentamiento global. Sin este efecto invernadero natural las temperaturas caerían aproximadamente en unos 30 °C; con tal cambio, los océanos podrían congelarse y la vida, tal como la conocemos, sería imposible. Para que este efecto se produzca, son necesarios estos gases de efecto invernadero, pero en proporciones adecuadas. Lo que preocupa a los climatólogos es que una elevación de esa proporción producirá un aumento de la temperatura debido al calor atrapado en la baja atmósfera. El IPCC sostiene que: «la mayoría de los aumentos observados en la temperatura media del globo desde la mitad del siglo XX, son muy probablemente debidos al aumento observado en las concentraciones de GEI antropogénicas. Esto es conocido como la teoría antropogénica,  y predice que el calentamiento global continuará si lo hacen las emisiones de gases de efecto invernadero. En el último reporte con proyecciones de modelos climáticos presentados por IPCC, indican que es probable que temperatura global de la superficie, aumente entre 1,1 a 6,4 °C (2,0 a 11,5 °F) durante el siglo XXI. 8

Se

han

propuesto

varias

medidas

con

el

fin

de  mitigar el

cambio

climático, adaptarse a él o utilizar geo ingeniería para combatir sus efectos. El mayor acuerdo internacional respectivo al calentamiento global ha sido el Protocolo de Kioto,  el cual tiene como objetivo la estabilización de la concentración de gases de efecto invernadero para evitar una "interferencia antropogénica

peligrosa

con

el

sistema

climático". Fue

adoptado

durante  Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático y promueve una reducción de emisiones contaminantes, principalmente CO 2. Hasta noviembre de 2009, 187 estados han ratificado el protocolo. EE. UU.,  mayor emisor de gases de invernadero mundial, no ha ratificado el protocolo. Más allá del consenso científico general en torno a la aceptación del origen principalmente antropogénico del calentamiento global, hay un intenso debate político sobre la realidad, de la evidencia científica del mismo.

1.3. Temperatura. La temperatura de la Tierra se ha incrementado a una tasa de 0.2 grados cada década durante los últimos 30 años, de acuerdo con el equipo de investigaciones encabezado por James Hansen, del Instituto Goddard de Estudios Espaciales de la NASA, con sede en Nueva York. Ello eleva la temperatura global a su nivel más cálido en períodos entre glaciaciones, que se inició hace unos 12,000. Los investigadores señalaron que según un informe de la revista Nature, 1,700 especies de plantas, animales e insectos han empezado a mover sus hábitat en dirección a los polos a razón de 6.4 kilómetros por década durante la primera mitad del siglo XX. El calentamiento ha sido más pronunciado en las lejanas regiones del norte, donde el hielo al derretirse ha expuesto tierra y rocas oscuras, que permiten una 9

mayor absorción del calor solar, concentrándose éste en el suelo y no en los océanos. La temperatura del agua cambia con más lentitud que en la tierra, debido a su mayor capacidad para retener calor, pero los investigadores encontraron un mayor calentamiento en los océanos Índico y Pacífico occidental. Esos cuerpos acuáticos tienen un gran efecto en el clima y el calentamiento mundiales, lo cual podría causar manifestaciones del fenómeno climático conocido como "El Niño", afectando los patrones climáticos. Esta evidencia señala que nos estamos acercando a niveles peligrosos de contaminación producida por el ser humano. Pocos científicos ponen en duda la idea del calentamiento mundial, aunque algunos sí cuestionan las razones de ello. Desde hace décadas se habla sobre los riesgos del cambio climático, se dice que los gases de invernadero producto de las actividades humanas han sido la principal causa del calentamiento mundial. El estudio indicó que el calentamiento global ha llevado a la temperatura mundial a apenas un grado de la mayor que se haya registrado durante el último millón de años. Si el calentamiento global se eleva otros dos o tres grados Celsius, con seguridad veremos cambios que harán a la Tierra un planeta muy diferente que el que conocemos ahora. La última vez que estuvo tan caliente fue en el plioceno medio, hace unos tres millones de años, cuando el nivel del mar ha sido estimado en unos 25 metros por encima de los niveles actuales.

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1.4. Ríos. Los ríos tienen un régimen hidrológico determinado por las características de la cuenca y delas precipitaciones (lluvia y nieve). Estamos acostumbrados a relacionar el caudal de un rio con las lluvias inmediatas precedentes y así pensamos en la escorrentía directa de la cuenca como la realidad hidrológica más importante. Conviene señalar que en otros casos la fusión de las nieves explica el régimen del rio. En grandes ríos de climas tropicales el régimen hidrológico tiene una fuerte y regular estacionalidad, es decir hay un largo periodo de aguas altas que puede esperarse cada año. Las aguas subterráneas explican permanencia deun caudal base de un rio durante un periodo seco y a la inversa la infiltración a través de un cauce permeable explica que los ríos se sequen.  A este aspecto se llaman ríos efímeros, por oposición a ríos perennes, aquellos que solo llevan agua en episodios de fuertes precipitaciones, mientras que se mantienen secos el resto del tiempo. Son típicos de climas áridos y semiáridos. Se llaman ríos aluviales aquellos que escurren en materiales sedimentarios modernos, generalmente aportados por el propio rio. El lecho de estos ríos tiene un cierto espesor de material granular prácticamente suelto. Asimismo, es muy común que los materiales aluviales ocupen mucha más extensión horizontal que la del cauce actual, formando unas llanuras ocasionalmente inundables llamadas llanuras de inundación. Estos ríos pueden evolucionar a través de estas llanuras y causar cambios importantes de los cauces. Los problemas más importantes que afronta la ingeniería fluvial se refiere a ríos de estas características, porque frecuentemente en sus valles aluviales se asienta la mayor densidad de actividades humanas. Por contra, los ríos de lecho rocoso o cohesivo suelen ser ríos encajados o incisos en los valles, desde el punto de vista morfológico y con menos interacción con los asentamientos de población. La pendiente de un rio establece la diferencia más importante en cuanto al régimen hidráulico. Se llaman ríos torrenciales los que tienen pendientes de 1.5 % y torrentes los cursos de agua de pendiente mayor que 6%. 11

El papel geológico de un río es, a muy grandes rasgos, la erosión en la cabecera de la cuenca donde la pendiente es mayor y el material del cauce más grueso, el transporte en el tramo medio y la sedimentación en el tramo bajo donde la pendiente es menor y el material del cauce más fino. Esto da un perfil longitudinal típicamente cóncavo y una distribución del tamaño del material granular menguante en la dirección de aguas abajo.

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2.- OBJETIVOS. En lo últimos años se han presentado grandes desastres en nuestro país debido a problemas de erosión y flujo de lodos así como de material grueso arrastrado por avenidas extraordinarias. En muchos casos el problema se le atribuye a la mala planeación, diseño, operación, mantenimiento o construcción de obras, así como asentamientos cercanos y dentro del área de influencia del cauce de los ríos. Los problemas que se presentan en los diseños de estructuras hidráulicas cuando se necesita evaluar de manera confiable los volúmenes de sedimentos que los ríos transportan hasta las obras y que a menudo causan fallas en la operación de bocatomas y presas de embalse, en el torno de las inundaciones y en las protecciones de los márgenes, se deben a los siguientes factores. a) Deficiencia en la información cartográfica e hidrometereológica y la producción de sedimentos en la mayoría de los ríos. b) Desarrollo aún incipiente de los métodos de medición de sedimentos y de aplicación de fórmulas empíricas a casos reales. c) Cambios en las prácticas tradicionales de manejo de las cuencas después de construir las obras. En los primeros dos casos las cargas totales de transporte de sedimentos que se aplican en el diseños de las obras pueden resultar excesivas o deficientes; en el tercero, el pronóstico hecho con base en la información histórica resulta irreal. Por las razones expuestas, para lograr un buen diseño de las obras que van a estar sometidas al efecto de los sedimentos es necesario evaluar, además de la información histórica entre la cuenca como productora de sedimentos y el rio como conductor de los mismos. Es indispensable que en la solución de estos problemas se considere la experiencia y el buen juicio de los ingenieros especialistas en hidráulica, así como el análisis extenso de los casos de falla que se han presentado. En función de tener la confirmación técnico-científica del fenómeno de la socavación y que 13

podría ocurrir en los depósitos de aluvión existentes sobre el contorno estructural rocoso, bajo la influencia del caudal del rio y respectivas velocidades e incidentes. La socavación se clasifica como general y local. La general es la que se produce en lechos aluviales o cohesivos por efecto de la dinámica de la corriente y está relacionada con la conformación del nivel de base. Es un fenómeno a largo plazo, aun cuando efectos catastróficos pueden acelerarlo. Por otra parte los locales se presentan en sitios particulares de la corriente y es ocasionada por el paso de crecientes y por la acción de obras civiles, como obras de encauzamiento, espolones, puentes con pilas o estribos dentro del cauce, obras transversales de control etc. Antes de diseñar obras para tratamiento de cauces es necesario conocer la magnitud de la socavación general se deben realizar análisis geomorfológicos entre puntos de control, o sea entre secciones estables. Estos análisis se basan en el estudio de fotografías aéreas y cartografías de diferentes épocas y los cambios que se aprecien en observaciones de campo y levantamientos topográficos. 2.1. Descripción de socavación. La socavación es un fenómeno

natural que ocurre en el fondo y orillas de un

canal natural o artificial cuando el agua se encuentra en movimiento. Esto se debe a que la corriente de agua que se desplaza en su cauce o en una zona de inundación tiene una cierta capacidad de suspender y arrastrar partículas sólidas que constituyen el lecho sobre el que ocurre el flujo. Este movimiento de material sólido en corrientes aluviales es un fenómeno complejo que depende de diversos factores, tales como la configuración geológica y topográfica del cauce, las características del material de arrastre y las características hidráulicas de la corriente. Esto produce la llamada socavación normal en el lecho de la corriente. Cuando se coloca un obstáculo dentro del cauce, como una pila de apoyo de un puente, se modifican localmente las condiciones de escurrimiento, cambiando en consecuencia la capacidad de arrastre en la zona vecina a la obstrucción. 14

Si esta capacidad es mayor que la proporción con que la corriente alimenta a la zona con material sólido, se producirá en ésta una socavación adicional a la normal de la corriente; en caso contrario se producirá un depósito.

Es evidente que el conocimiento de la profundidad a que puede llegar la socavación total y las características de este fenómeno son de fundamental importancia para el diseño de cimentaciones poco profundas, en el caso de puentes y aún de otras estructuras construidas en zonas inundables. Innumerables fallas de puentes han ocurrido cuando la profundidad de desplante de las pilas ha quedado arriba del nivel alcanzado por la socavación normal, más la adicional impuesta por los obstáculos que la cimentación representa. Lo cual ha hecho que la socavación sea una de las causas más comunes de falla en puentes, presas y el derrumbamiento de casas a orillas de los ríos.

2.2. Factores actuantes en la socavación. Los principales factores que actúan en el fenómeno de socavación, que podría ocurrir en los depósitos aluvionales existentes sobre el contorno estructural rocoso, bajo la influencia del caudal del rio y respectivas velocidades e incidentes naturales, son los provocados por fuertes lluvias que por consecuencia conllevan al arrastre de materiales. Se han intentado soluciones teóricas del problema, pero dadas las incertidumbres envueltas, su valor es hasta cierto punto dudoso. La otra fuente de conocimiento disponible es la que emana del análisis de corrientes reales o de experimentos en modelos de laboratorio; estos estudios son los más prometedores y de hecho han rendido ya resultados prácticos muy satisfactorios. Las fuerzas involucradas en formar y mantener al cauce están relacionadas con la corriente del fluido. El paso del fluido ejerce una fuerza erosiva en ambos, el lecho y la orilla y es este al abrirse paso mediante la fuerza erosiva lo que causa que las partículas contenidas en el lecho y la orilla sean arrastradas por el agua, esto 15

mediante el empuje, rodamiento y rebote. Esta porción de escombros transportados es lo que se conoce como carga de fondo. La misma fuerza erosiva crea los turbulentos remolinos en el fluido que corre y que arrastran algunas partículas de material y las arrojan en la masa principal del fluido, transportándolas de esta manera como carga en suspensión. Uno de los problemas básicos del estudio de los ríos es la identificación de una ley general o principio que provea una explicación en términos físicos para los distintos tipos de unidad que muestran los cauces de los ríos y la red que los comprende así como los diferentes fenómenos mecánicos o naturales. Es muy fácil hablar tan solo de los resultados dela acción dinámica de los ríos en términos antropométricos pues, los ríos parecen tener una tendencia inherente a mostrar muchas de las características de un organismo. En primer lugar existe una organización de las distintas partes. Todos los sistemas de ríos parecen tener básicamente el mismo tipo de organización, pudiendo diferir en detalles. El sistema de ríos es dinámico en tanto que tiene partes que se mueven y pueden causar incidentes y crear cambio.

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3.- TIPOS DE SOCAVACIÓN. La socavación que una corriente de agua produce en el cauce por el que circula, puede presentar diversas formas, de las cuales las de mayor interés para el ingeniero son las que brevemente se describen a continuación.

3.1 Socavación general. Consiste en una disminución generalizada del nivel del fondo como consecuencia del incremento de la capacidad del flujo, al presentarse una creciente y es debido al aumento de la capacidad de arrastre del material solido que en ese momento adquiere la corriente, en virtud de su mayor velocidad para transportar material durante las avenidas. Este es un fenómeno de proceso natural que puede ocurrir a todo lo largo del río donde no interviene la mano del hombre. La erosión del fondo de un cauce definido por el cual discurre una corriente es una cuestión de equilibrio entre el aporte sólido que pueda traer el agua a una cierta sección y el material que sea removido por el agua de esa sección; en una avenida, aumenta la velocidad del agua, por lo tanto y, la capacidad de arrastre. La posibilidad de arrastre de los materiales de fondo en cada punto se considera, a su vez, dependiendo de la relación que existe entre la velocidad media del agua y la velocidad media requerida para arrastrar las partículas que constituyen el fondo en cuestión. Para suelos sueltos, esta última no es la velocidad que inicia el movimiento de algunas partículas de fondo, sino la velocidad mayor, que mantiene un movimiento generalizado; en suelos cohesivos, será aquella velocidad capaz de ponerlos en suspensión. La primera velocidad mencionada depende de las características hidráulicas del río: pendiente, rugosidad y tirante; la segunda depende de las características del material del fondo y del tirante. Como característica del material se toma el diámetro medio, en el caso de suelos no cohesivos y el peso específico seco, en el caso de los suelos cohesivos (en suelos friccionantes se suele considerar en la 17

literatura del tema el mismo peso específico a todas las arenas y gravas, por lo que estas propiedad no puede usarse para diferenciarlas). El peso específico seco al que se ha hecho referencia corresponde al γ d y se obtiene dividiendo el peso de los sólidos dela muestra ( ws) entre el volumen original de la masa del suelo( vm). Naturalmente que un criterio tan simplista para definir las características de los materiales impone las correspondientes limitaciones en los resultados y conclusiones de las teorías elaboradas con tales ideas.

Fig. 3.1. Socavación general.

La erosión general puede llegar a producirse inclusive cuando el lecho del rio es rocoso, con tal de que la velocidad de la corriente sea superior a la necesaria para producir el desgaste de la roca. Un hecho curioso observado es que la socavación general disminuye para una misma velocidad media de la corriente, en fondos no cohesivos, cuando el agua arrastra en suspensión gran cantidad de partículas finas, del tamaño de limos y arcillas; el hecho se atribuye a la disminución de en te caso del grado de turbulencia del agua, por aumento de su peso específico y de su viscosidad.

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3.2 Socavación por estrechamiento. Se entiende por socavación en estrechamientos la que se produce por el aumento en la capacidad de arrastre de sólidos que adquiere una corriente cuando su velocidad aumenta por efecto de una reducción de área hidráulica en su cauce. El efecto es muy importante en puentes, donde por lo común y por razones de economía suelen ocurrir las mencionadas reducciones, si bien puede presentarse en otros lugares del curso del río, en que un estrechamiento más o menos brusco tenga lugar.

3.3. Socavación transversal. La reducción del ancho de la sección de un cauce ocasionada en forma natural o como consecuencia de una obra civil, es compensada por el incremento en la profundidad hasta el punto en el cual se alcanza la capacidad necesaria en la sección.

Fig. 3.2. Socavación transversal.

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3.4. Socavación en curvas. Se genera en el fondo cercano al lado cóncavo de la curva o talud exterior debido al flujo helicoidal que se forma cuando el río cambia de dirección, esto se debe a la sobre elevación del nivel del agua en esta zona producida por la zona centrífuga, a caminar más aprisa que los situados más hacia el interior ; como consecuencia, la capacidad de arrastre de sólidos de los primeros es mayor que la de los segundos y la profundidad de erosión es mayor en la parte del cauce exterior a la curva que en el interior. El efecto es importante y ha de ser tenido en cuenta en la construcción de puentes en curvas de rio en el diseño de enrocamientos de protección en los mismos lugares y tiene gran influencia en la divagación de corrientes, pues al disminuir la velocidad en el intradós de la curva aumenta el deposito en esta zona y, por ello, disminuye la zona útil para el flujo del agua, en tanto que en el extradós, al aumentar la profundidad y el área hidráulica, aumenta el gasto. La socavación bajo un puente construido en una curva estable puede cuantificarse con los métodos para el cálculo de la profundidad de socavación general que más adelante se exponen, una vez conocido el perfil actual del río. Pero en el caso de que el puente esté en un tramo recto y exista la posibilidad de que una curva o un meandro avance y lo cruce, o bien si se desea rectificar un cauce en el tramo que comprenda al cruce de un puente y éste, tras la rectificación, queda sobre curva, será preciso calcular las nuevas profundidades de socavación que se puedan presentar en ese caso; con los datos del perfil del río en las nuevas condiciones, la nueva profundidad de socavación esperada podrá calcularse con los mismos métodos empleados para el cálculo dela socavación general. Erosión en márgenes que las aguas de una corriente producen en los materiales térreos deleznables o solubles que formen sus orillas; el efecto es especialmente peligroso en crecientes, por el aumento del poder erosivo de la corriente a causa de su mayor velocidad. La erosión de márgenes es causa de divagación y si el ataque se produce en estratos susceptibles situados bajo otros que no lo son, 20

producirá desbordamiento causantes de inestabilidades en los taludes de la propia margen. El fenómeno se presenta en ríos encañonados y también en las corrientes marinas que bordean zonas costeras altas.

3.5. Socavación en pilas de puentes. La excavación adicional a la propia de la corriente producida al pie de las pilas de los puentes es debida a las modificaciones de las condiciones hidráulicas de escurrimiento que la presencia de la propia pila produce. En efecto, basta la desviación lateral de la corriente, causada por el obstáculo, para que aquella adquiera un impulso en dirección vertical que, combina con el movimiento de avance da lugar a trayectorias descendientes que atacan el fondo, incrementando mucho la capacidad de arrastre de material solido en la zona aguas arriba de la pila. En la cavidad así creada se produce un vórtice de eje horizontal que aumenta la erosión, hasta el punto en que se alcanza un nuevo perfil de equilibrio en el fondo del cauce. La profundidad afectada por esta socavación varía con muchos factores que se refieren tanto a la corriente, como al cauce y a la propia pila. Las principales de estas características son el tirante y velocidad del agua, el tipo de suelo que forma el fondo el cauce la forma de la pila, su ancho y su inclinación con respecto a la dirección principal dela corriente.

Fig. 3.3. Socavación en pilas de puentes.

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Se presenta al pie de las estructuras interpuestas a las corrientes, sumergidas o que emergen de la superficie del agua, como resultado dela deflexión de las líneas de flujo, la turbulencia y la verticidad provocada por la presencia de obstáculos. Cuando se coloca una pila de puente en la corriente de un río se produce un cambio en las condiciones hidráulicas de ésta, y, por lo tanto, en su capacidad para producir arrastre sólido. Si la capacidad de arrastre supera localmente el aporte del gasto sólido del río, ocurrirá en la pila una socavación local. Es evidente que el conocimiento de la profundidad a que puede llegar este efecto erosivo es de fundamental importancia en el diseño de cimentaciones poco profundas para puentes, pues una falla seria de juicio en esta cuestión conlleva la destrucción total de la estructura o la adopción de profundidades antieconómicas y excesivas, que complican seriamente los procedimientos de construcción. Los estudios realizados hasta la fecha permiten decidir que los parámetros que, en mayor o menor grado, influyen en la socavación local al pie de pilas de puente son los que se mencionan a continuación:

1. Parámetros Hidráulicos: a. Velocidad media de la corriente b. Tirante frente a la pila c. Distribución de velocidades d. Dirección de la corriente respecto al eje de la pila.

2. Parámetros de Fondo: a. Diámetro de los granos b. Distribución granulométrica del material del fondo c. Forma de los granos d. Grado de cohesión o cementación e. Peso específico sumergido 22

f. Estratificación del subsuelo

3. Parámetros Geométricos: a. Ancho b. Relación largo-ancho c. Perfil de la sección horizontal

4. 5. Parámetros de ubicación del puente: a. Contracción en la sección b. Forma del río en planta c. Obras de control de gasto que se haya construido aguas arriba o aguas abajo.

6. Parámetros del tiempo. a. Duración del pico de la avenida. b. Tiempo requerido para remover el material y alcanzar una condición estable.

23

Fig. 3.4. Etapas del proceso erosivo.

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3.6. Socavación local en estribos. Desde el punto de vista de definición, la socavación local en estribos es análoga a la que se presenta en las pilas de los puentes, sin embargo, se le distingue por existir algunas diferencias en los métodos teóricos y aun experimentales para su evaluación.

Fig. 3.5. Socavación local en estribos.

3.7. Socavación aguas abajo de grandes presas. Consiste en el descenso gradual del fondo inducido por la interrupción del transporte de sedimentos de aguas arriba, ocasionando a su vez, por la presencia de la cortina de la presa en donde se requiere la mayor parte del sedimento que entra al vaso, lo anterior permite el crecimiento de la capacidad de transporte de partículas del fondo en el tramo aguas abajo, las cuales además no pueden ser remplazadas. Este tipo de socavación es generalmente por las descargas de las presas casi libres de sedimentos; esto ocasiona que las partículas que son erosionadas y transportadas delas primeras secciones cercanas a la presa no sean remplazadas por otras que proceden de aguas arriba, ello ocurre en el primer tramo.

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La erosión es mayor en las primeras secciones y disminuye paulatinamente a medida que se alejan hacia aguas abajo, hasta una sección que se puede considerar no alterada o estable, cuando el material de fondo contiene boleos tiende a acorazarse, es decir, quedan en las superficies las partículas de mayor diámetro, las cuales protegen a las que se encuentran debajo.

Fig. 3.6. Socavación aguas debajo de presas.

3.8. Socavación al pie de obras de excedencia. Se produce en secciones bajo descargas sin obras de protección y se debe la gran energía de flujos en estas zonas, la cual se disipa generando turbulencias, esto facilita que las partículas sean suspendidas, el incrementar la erosión el tirante del agua aumenta amortiguando su caída, hasta una profundidad en que las partículas sólidas ya no pueden ser levantadas.

Fig. 3.7. Socavación en obras de excedencia.

26

3.9. Socavación bajo tuberías. Se produce en tuberías sumergidas debido al a turbulencia generada por el flujo alrededor de un tubo cuando este se encuentra al descubierto del fondo del cauce.  Además bajo la tubería se produce erosión, que por lo general es mayor, aguas abajo de ella. Para cruzar un río, las tuberías de agua, oleoductos y gasoductos deben pasar bajo el fondo del cauce al producirse la erosión general durante una avenida puede suceder que la tubería quede parcialmente descubierta, lo cual induce una socavación local bajo la tubería. La socavación ocurre cuando más dela mitad del diámetro de la tubería queda descubierta y el número de Froude es mayor a 0.1. La socavación general, transversal y socavación en curvas pueden ser producto de la naturaleza sin la necesidad de existir en el cauce estructuras hechas por el hombre. Las otras, incluso la socavación transversal, en ocasiones son consecuencias de obras que afectan la estabilidad del cauce. Cuadro informativo, útil en los análisis de campo y gabinete para el estudio de socavación. Puede ser que algunos datos no se encuentren, por no estar disponibles, no existir o no ser necesarios para casos particulares esto debe decidir el ingeniero y bajo experiencias de obras anteriores. Existen modelos matemáticos que consideran la continuidad del líquido y sedimento, así como el balance de energía, por su complejidad se utilizan métodos que pueden ser adoptados fácilmente por un proyectista, estos métodos presentan

ecuaciones

dimensionalmente

homogéneas

y

parámetros

adimensionales, de aquí que pueden ser aplicadas utilizando un sistema de unidades coherentes.

27

4.- ASPECTOS GEOMORFOLOGICOS DE LOS CAUCES. 4.1. Sedimentos y formas del lecho.  Una parte de los sedimentos presentes procede de la fracción del lecho del río, movilizada por los caudales mayores, generalmente recorre un corto espacio, se denomina carga de fondo. La fracción de menor tamaño, procedente de procesos erosivos de la cuenca vertiente y las propias orillas del cauce, se mantiene en suspensión durante mucho más tiempo efectuando recorridos más largos, se denomina carga de lavado. El tamaño de los sedimentos influye en la tensión crítica de corriente necesaria para ponerlos en movimiento. Las partículas de mayor tamaño tienen un mayor peso mientras que las de menor tamaño ofrecen resistencia debido a las fuerzas cohesivas.

Tabla 4.1.Sedimentos.

Tipo de caudal sólido

Medio de transporte

Origen Erosión en la cuenca

Carga de lavado

Suspensión

Erosión en márgenes (partículas finas)

Acarreo Carga de fondo Saltación

Erosión en el cauce Erosión en márgenes (partículas gruesas)

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Clases Tamaño (mm)

4.000-250

Cantos rodados

250-64

Guijarros

64-2

Gravas

2-0.062

Arenas

0.062-0.004

Limos

0.004-0.00024

Arcillas

Tabla 4.2. Clasificación de los sedimentos según su tamaño.

Formas del lecho: Los procesos de erosión y sedimentación son los responsables de las formas del lecho. En los tramos donde predomina la arena se forman rizaduras, dunas, lecho liso o anti dunas, dependiendo del régimen de los caudales. En tramos donde la granulometría es mayor se van a formar barras de sedimentación o bars a ambos lados de los meandros ( point bar ) o acumulaciones dentro del cauce que van a formar los rápidos y remansos ( riffles y pools).

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Fig. 4.1. Formas del lecho.

4.2. Rápidos y remansos. Se forman en ríos de sustrato grueso, son muy importantes porque crean diversidad de hábitats para las especies presentes. Son zonas muy productivas para macro invertebrados, que a su vez van a servir de alimento para la ictiofauna. Los remansos son zonas más profundas en donde se va a encontrar a los animales de mayor tamaño.

30

Fig. 4.2. Perfil longitudinal y en planta de un cauce, con la secuencia de rápidos y remansos (Dunne y Leopold, 1978)

En tramos curvos las pozas se localizan en las partes externas del meandro, quedando los rápidos entre los tramos rectos, entre meandros.

4.3. Ambientes fluviales. Constituyen uno de los medios continentales de mayor importancia estratigráfica, puesto que en ellos se han acumulado gran cantidad de sedimentos, a lo largo de la historia de la tierra, habiendo quedado conservados en la columna geológica. Por otra parte, dada la universalidad de las corrientes fluviales, sus depósitos tienen una amplia distribución geográfica. El flujo dentro de un canal y su efecto sobre la erosión, el transporte y la sedimentación, está determinado por la distribución de las velocidades de corriente y la turbulencia. Área de máxima velocidad y turbulencia, son los lugares adecuados para la erosión, mientras que las áreas con baja velocidad y turbulencia son las propicias para la estabilidad y la sedimentación. Los cursos de agua pueden dividirse fundamentalmente en tres grupos de acuerdo a las características de su trazado: Rectos: en los que la sinuosidad del cauce es 31

despreciable; son los más frecuentes y además en ellos solo se depositan pequeñas cantidades de sedimentos. Entrelazados o anastomosados: en los cuales se produce una serie sucesiva de divisiones y reuniones de la corriente, originándose así una serie de canales, que bordean islas aluviales. Meandriformes: cuando la corriente presenta una serie de inflexiones a lo largo de su dirección.

4.3.1. Corrientes en línea recta. Los cauces rectos son relativamente raros. Las corrientes que fluyen en valles fácilmente erosionables tiene cauces rectos que pocas veces llegan a tener más de 10 veces el ancho del canal; en valles estrechos los cauces pueden extenderse por varias millas. El flujo de estos cauces rectos generalmente toma un curso sinuoso yIlega a producir pequeñas barras (barras de meandros) en los lados del canal. El relleno de estos canales puede ser vertical o lateral, y puede además ser similar a los depósitos de barras de meandros o a los de complejos de ríos entrelazados.

Fig. 4.3. Corriente en línea recta.

4.3.2. Corriente entrelazada. Los canales entrelazados o anastomosados son característicos de las corrientes que tienen grandes fluctuaciones en el flujo y en la carga de sedimentos. El entrelazamiento se inicia al formarse barras sumergidas, al bajar el nivel del agua después de una creciente. Tales barras desvían las aguas a su alrededor y se convierten en zonas estables dentro del canal. En los ríos intermitentes, estas 32

barras generalmente cambian de posición durante las crecientes al ser cortadas por nuevos canales. En los ríos perennes las barras crecen por agradacion y llegan a ser semipermanentes, aunque también pueden cambiar de forma a causa de una creciente fuerte. Los complejos de corrientes entrelazadas aumentan por el proceso de acreción vertical, especialmente en los ríos intermitentes los cuales, después de las crecidas, descargan grandes volúmenes de sedimentos y obstruyen los canales. Al producirse una reducción gradual en la velocidad de la corriente, se inicia una gradación (grueso en la base, fino hacia el tope) en cada unidad sedimentaria, así como también una disminución en la magnitud de las estructuras sedimentarias. Los sedimentos de corrientes entrelazadas o trenzadas son el resultado de la alternancia de las etapas de socavación por inundación y posteriormente, del relleno de múltiples canales interconectados dentro de los límites del valle de un río. Los canales que se anastomosan, canales trenzados, se forman en las partes de la corriente con pendientes relativamente altas, sujetas a una amplia fluctuación en el flujo y con una fuente abundante pero intermitente de sedimentos. En las épocas cuando el nivel de las aguas es bajo, el flujo de la corriente queda confinado a los canales, los cuales están separados por barras de sedimentos. Estas barras se forman durante la época de descenso del río, cuando los sedimentos se acumulan alrededor de alguna obstrucción o de los restos de una antigua barra. Los cuerpos de arena depositados por las corrientes anastomosadas se adaptan a la geometría del valle del río. Durante la época de creciente, todo el valle está frecuentemente sujeto a socavación, la corriente crea nuevos cauces en los sedimentos del fondo y los canales últimamente rellenos se desarrollan a lo ancho.  Al progresar la agradacion en el valle, las fases de inundación y sedimentación se reflejan en las superficies locales de erosión (fondo de los canales) y en las 33

unidades apiladas que gradan de grueso a fino hacia arriba. Típicamente, los depósitos de las corrientes entrelazadas muestran poca variación vertical o lateral.  A lo largo del curso se nota una disminución en el tamaño de los granos desde la fuente a la costa. Los sedimentos de corrientes entrelazadas son de excelente calidad como rocas almacén; típicamente son muy porosos y permeables, y la existencia de barreras de permeabilidad, o de restricción al flujo de los fluidos, es mínima.

Fig. 4.4. Corriente entrelazada.

4.3.3. Corriente meándrica. Las corrientes que desarrollan meandros son usualmente aquellas de baja pendiente, con moderada carga de sedimentos y con fluctuaciones moderadas en la descarga. La velocidad de la corriente es mayor a lo largo del "talweg" y también aquí es mayor el transporte de sedimentos, especialmente el de materia! más grueso. El transporte más activo de sedimentos ocurre cuando el rio está crecido y simultáneamente se produce la mayor erosión en la orilla de socavación. Las barras de meandro se desarrollan, al disminuir la crecida del río, en las zonas internas de los meandros. En una barra de meandros existe una reducción en el tamaño del grano desde la base al tope, así como también una disminución en la magnitud de las estructuras sedimentarias, desde estratificación cruzada en gran escala hasta pequeñas rizaduras con láminas entrecruzadas. La sedimentación se

34

efectúa sobre toda la superficie de la barra y a medida que se acentúa el meandro, las arenas de barra se amplían por un proceso de acreción lateral.

Fig. 4.5. Corriente meándrica.

4.3.4. Barras de meandros. Las barras son características de los ríos con meandros, pero también son comunes, en forma incipiente, en los flancos de los ríos más o menos rectos. Las variaciones en textura y en estructuras sedimentarias de estas barras son el producto de los cambios de velocidad y de la competencia de la corriente en diferentes sitios de la superficie de la barra. La mayor velocidad y la carga del material grueso, en la zona más profunda del canal, producen gravas en capas gruesas o estratificación cruzada en sedimentos gruesos, y al crecer el meandro forma una base que se caracteriza por estos sedimentos. Sección arriba en la barra, en la zona intermedia, la estratificación cruzada en escala media y grande constituye la estructura dominante. La zona superior, cubierta intermitentemente por aguas poco profundas de inundación, muestra pequeñas rizaduras de corriente. Debido a los diferentes niveles de las crecidas sobre toda la superficie de la barra, estructuras en pequeña escala pueden formarse sobre la superficie del suelo tierra; no obstante estas estructuras son raras en la zona interior debido a la erosión por crecientes posteriores. Los sedimentos de barra de meandro resultan de la divagación de un río, bien sea en un valle aluvial o en una llanura deltaica. Como tales su forma está dada por la 35

de los meandros y su tamaño está controlado por la profundidad del rio (ríos profundos, y por lo tanto intervalos gruesos tienen meandros con un radio de curvatura mayor). Los sedimentos que se depositan en una barra en crecimiento son: los de carga de tracción, de grano grueso, arrastrados en la parte profunda del canal y material de grano más fino, suspendido, que se deposita sobre la superficie de la barra en los periodos de bajo nivel del río. La erosión del lado donde incide la corriente y simultáneamente la formación de las barras, producen una migración lateral del meandro y acreción lateral de las barras. Por lo tanto los sedimentos gruesos del fondo del canal son cubiertos progresivamente por sedimentos acumulados en las partes más altas de las barras.  Al quedar abandonados segmentos de los meandros, por estrangulación desvío de canal o cambio del curso del río hacia otras áreas del valle, se produce un taponamiento del canal en su entrada superior y por lo tanto disminuye su capacidad de transporte. Eventualmente las gravas del fondo depositadas en el tramo abandonado y toda la barra de meandro llegarán a ser recubiertas por sedimentos de grano fino que llegan al canal solo en los periodos de inundación. Puede imaginarse fácilmente que la barra así preservada adelgaza y termina hacia la última posición que alcanzo la corriente, donde está desarrollada la sección más gruesa del relleno del canal abandonado. Los valles que han tenido meandros durante mucho tiempo pueden estar cubiertos totalmente por los depósitos de barras de meandro de múltiples fajas meándricas. Estos intervalos arenosos pueden tener varios kilómetros de ancho y decenas de kilómetros de largo y están orientados generalmente casi perpendiculares a las márgenes de las cuencas. Las arenas de las barras del complejo están separadas lateralmente por un laberinto de sedimentos de canales abandonados; no obstante el apilamiento de las arenas puede producir una interconexión vertical entre diferentes barras dentro de todo el complejo.

36

Fig. 4.6. Meandros.

4.4. Material del lecho. Tomando como referencia los criterios de Schumm (1977) todos los ríos pueden ser clasificados en dos grandes grupos, dependiendo de la libertad para ajustar su forma y su gradiente: ·

Cauces de lecho rocoso: Confinados entre afloramientos rocosos de tal manera que el material que compone el fondo y las márgenes determina la morfología del cauce.

· ·

Cauces aluviales:  El río fluye en un canal cuyo fondo y márgenes están constituidas por material transportado por el río bajo las condiciones actuales de flujo. En este caso hay libertad para ajustar dimensiones, forma, patrón y pendiente del cauce en respuesta a cambios.

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4.5. Estabilidad de los cauces de los ríos. a) Estabilidad Estática: cuando la corriente es capaz de arrastrar sedimentos pero no puede mover las partículas o elementos de las orillas. Por ejemplo en márgenes rocosas o con suelos de alta cohesión.

b) Estabilidad Dinámica: cuando las variaciones de corriente, materiales del fondo y de las orillas y los sedimentos transportados han formado una pendiente y una sección transversal que se mantienen en el tiempo. En estas condiciones, el río sufre desplazamientos laterales continuos en las curvas, con erosiones en las márgenes exteriores y depositación en las interiores. Todos los caudales, antes de producirse un desborde, escurren por un único cauce que no tiene islas o bifurcaciones. Por ejemplo ríos de planicie formados por un único cauce.

c) Inestabilidad Dinámica: el río escurre por un solo cauce pero se presenta cuando el desplazamiento lateral de los meandros es muy intenso y por lo tanto, el corte natural de ellos ocurre frecuentemente. Por un lado, el río trata de desarrollar su pendiente de equilibrio al desarrollar sus meandros y por otra, éstos se estrangulan rápidamente y se cortan. El río no alcanza a estabilizar su pendiente.

d) Estabilidad Morfológica: este grado de estabilidad posee el concepto más amplio. En cualquier cauce natural, la pendiente de un tramo cualquiera, el ancho y el tirante de su sección transversal, así como el número de brazos en que se divide el cauce, dependen del caudal líquido que escurre anualmente y de su distribución, de las características de los materiales que componen el lecho y las orillas, y de la calidad y cantidad del sedimento que es transportado. En otras palabras, cualquier corriente natural no alterada por factores humanos tiene estabilidad morfológica. Un cauce que en forma natural tiene estabilidad estática o dinámica, también tiene la morfológica.

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5.- FORMULAS PARA EL CALCULO DE SOCAVACIÓN. En este trabajo se analizará la socavación en puentes con la finalidad de poder conocer los efectos de la misma en obras hidráulicas. Para el análisis del fenómeno de socavación es necesario el conocimiento integral de los aspectos hidrológicos, hidráulicos, geológicos, geotécnicos y físicos o topográficos del sitio de estudio, es decir el estudio geomorfológico de la cuenca hidrográfica. La base del estudio geomorfológico es que la mayoría delos datos se obtienen por medio de observaciones directas de campo, la interpretación de la geología y estratigrafía dela cuenca usando sensores remotos y topografía del área. La información hidráulica e hidrológica adicional se recopila durante el estudio para evaluar la respuesta del cauce a los cambios introducido a él. La hidráulica y la hidrología no son parámetros de control, sino indicadores de cambios de régimen dentro del sistema. Las fases del estudio de la socavación son: 1) Reconocimiento de campo. 2) Análisis dela información. 3) Cuantificación de parámetros y variables requeridos para el diseño y evaluación.

5.1. Estudios hidrológicos. Los estudios hidrológicos llevan a determinar el caudal de diseño por ser éste uno de los parámetros que más influyen en la selección de la abertura del puente y en la evaluación de la socavación. Algunos de los siguientes parámetros deberán ser evaluados durante el estudio. 

Información de estaciones hidrológicas.

a) Estaciones hidrométricas sobre el río. b) Estaciones climatológicas en la cuenca hidrográfica. c) Estaciones para toma de datos de sedimentos. 39

•

Características fisiográficas de la cuenca hidrográfica

a) La determinación de las características fisiográficas de la cuenca se hace sobre fotografías aéreas y planos topográficos. b) Área y forma de la cuenca hidrográfica hasta el sitio de cruce. c) Orientación, forma y pendiente media de la cuenca. d) Tipo y uso del suelo en la cuenca. e) Red de drenaje. •

Gastos, niveles y velocidades.

a) Gasto medio en el cauce. b) Gasto y fecha de las crecientes máximas extraordinarias. c) Gasto de diseño. d) Gasto, niveles y velocidades de creciente correspondientes a períodos de retorno (R) tales como 100 y 500 años y en algunos casos hasta 1000 años.

5.2. Estudios hidráulicos Lo estudios hidráulicos llevan a determinar los parámetros necesarios para calcular y evaluar la socavación en puentes para lo que usualmente se requiere contar con información como la siguiente: •

Características hidráulicas del río

a) Tipo de río (perenne, efímero, torrencial, aluvial). b) Configuraciones del lecho en cauces aluviales. c) Tendencia a la sedimentación o erosión del lecho a lo largo del tiempo. d) Afluentes y posibles remansos provocados por éstos. e) Posible influencia de las mareas si el cruce se localiza cerca a la desembocadura del mar. f) Funcionamiento hidráulico probable de la corriente basándose en registros de aforo y entrevistas con los vecinos que den información sobre magnitud, duración y frecuencia de las avenidas, época del año y daños causados. 40

g) Cauce suficiente para el paso de crecientes o si se desborda durante avenidas. h) Alineamiento del río, estable o con tendencia a divagar. i) Dirección de la corriente con relación al puente en épocas de flujos altos y bajos, lo que permite junto con el estudio morfológico del río analizar las variaciones del cauce y la forma como el flujo atacaría a la estructura condicionando su ubicación.  j) Materiales de arrastre teniendo en cuenta su clasificación y sus dimensiones. k) Tipo y dimensiones de cuerpos flotantes. l) Tendencia a degradación o agradación del cauce.

5.3. Estudios de suelos Los estudios de suelos pueden ser tan generales o detallados como el tipo de cauce lo requiera. Ríos bien definidos y con lecho poco erosionable requieren poco detalle en la información, en tanto que ríos inestables en cauces indefinidos o trenzados, requieren que se preste la máxima atención a los estudios geológicos. Se necesita usualmente hacer perforaciones, apiques o sondeos para determinar las condiciones de los suelos en la zona del puente. Un informe geológico para hacer estudios de cimentación, por ejemplo para el caso de un puente debe incluir información sobre: a) Características geológicas de la cuenca. b) Perfiles estratigráficos. c) Rocas existentes. d) Disponibilidad de materiales de construcción. e) Materiales del lecho del cauce y su resistencia a la erosión. f) Profundidades de cimentación de estructuras existentes en la vecindad. 41

Por otra parte, los parámetros más importantes de los sedimentos del cauce que de una u otra forma intervienen en el cálculo de las profundidades máximas de socavación son: densidad y peso específico, velocidad de caída, distribución granulométrica, tamaño, desviación estándar geométrica, peso específico de la mezcla agua-sedimento en suspensión, viscosidad de la mezcla agua-sedimento en suspensión. Los aspectos más importantes para tener en cuenta en suelos cohesivos son el peso volumétrico seco y la resistencia al esfuerzo cortante, en tanto que en suelos granulares priman el peso y el tamaño de las partículas. Las muestras de sedimentos se busca tomarlas dentro y por fuera del hueco de socavación para determinar si existe acorazamiento del cauce o en la zona de la pila. También deben tomarse una o dos muestras de carga de lecho suspendida en el mismo sitio donde se están determinando las profundidades del agua.

5.4. Estudios topográficos. Los estudios topográficos incluyen los siguientes pasos: a) Planificación general del estudio. Se deben establecer las características del trabajo de campo en lo referente a: longitud total del río en que se van a levantar las secciones transversales y su espaciamiento, errores permitidos, nomenclatura a usar, orden en la toma de las secciones, etc. b) Generación del abscisado longitudinal. Se debe realizar un levantamiento altimétrico y planimétrico con poligonales cerradas sobre la orilla del río tributario desde donde se amarrarán las secciones transversales. Referenciación de las secciones transversales. Se debe hacer el amarre altimétrico mediante nivelación de precisión. En muchos casos de estudios de socavación, basta con poligonales abiertas. c) Toma de las secciones transversales. El levantamiento de las secciones transversales se realizará desde aguas abajo hacia aguas arriba, cubriendo una distancia conveniente a lado y lado de la llanura de inundación sobre 42

ambas márgenes del cauce o hasta los puntos más altos de diques, si existen. Las secciones transversales estarán debidamente referenciadas en sus extremos al sistema de coordenadas UTM y amarradas a la poligonal; la separación entre secciones depende de cada proyecto. Se requieren mínimo tres secciones para caracterizar una curva. Se deben relacionar los niveles del agua, a banca llena y de ser posible, niveles de aguas máximas. Con la finalidad de definir el gradiente hidráulico existente, se establecerá la diferencia relativa de nivel entre cada una de las secciones mediante el traslado e identificación de los niveles. Se detallarán las restricciones y obstáculos al flujo representadas en puentes, viaductos, necesario para definir los puntos de control hidráulico. En los sitios en donde el nivel de agua no permite el levantamiento topográfico convencional como estación total y nivel de precisión, las secciones deberán ser obtenidas mediante la utilización de una eco-sonda. d) Si el puente está construido, debe contarse con los planos de construcción y hacerse el levantamiento de la estructura existente dando especialmente énfasis a la nivelación de la losa y de los elementos de apoyo, tanto pilas como estribos. e) Procesamiento de la información. Se requiere, según corresponda en medio magnético e impreso: carteras de apoyo de los levantamientos topográficos; cálculos de las poligonales y nivelaciones. Plano de localización general de todas las secciones. Secciones transversales.

5.5. Método de Lischtvan – Levediev. En este método originalmente propuesto para estimar el valor medio de la socavación general en una contracción producida por la presencia de las pilas de un puente, se hace una distinción explicita acerca del tipo de sección representativa del cauce. En efecto, el método distingue entre un cauce con secciones bien definidas (cauce principal con planicies de inundación) de uno con múltiples subsecciones y brazos en estiaje. Además el 43

método permite estimar la socavación general en lechos constituidos por sedimentos cohesivos a partir de una caracterización simple de la resistencia a la erosión de este tipo de lechos. Fundamentalmente en el equilibrio que debe existir entre la velocidad media real de la corriente y la velocidad erosiva, que es la velocidad que se requiere para levantar y arrastrar el material del fondo del cauce (velocidad media crítica).

Fig. 5.1. Socavación en puente.

Para el análisis de socavación general se presentan varios casos. Por el tipo de cauce se clasifica en definido e indefinido; por la textura del material del fondo del cauce en cohesivo y no cohesivo y por la distribución de los estratos que conforman el lecho del cauce en homogéneo y heterogéneo. Este método está orientado a utilizar datos que se pueden tomar en el campo con relativa facilidad, y que sean representativos de las condiciones que intervienen en el fenómeno de la socavación. 1. Datos topográficos. Se requiere levantar el perfil de la sección transversal del cauce durante la época de estiaje, que es cuando es más fácil obtenerlo.

44

2. Datos hidrológicos e hidráulicos. Es estudio hidrológico e hidráulico está orientado a estimar el caudal de diseño y el nivel de aguas máximas extraordinarias (NAME). En términos generales, existen las siguientes posibilidades. Obtención del caudal de diseño (Qd): por cualquiera de los métodos probabilística (distribución normal, lognormal de dos o tres parámetros, Pearson tipo III, de Gumbel o de valores extremos), la técnica del hidrograma unitario o mediante fórmulas empíricas. Luego se elabora la curva de calibración de la sección transversal, de donde se obtiene la cota del nivel de aguas máximas extremas correspondientes al caudal de diseño. La curva elevación- caudal se puede obtener si se tienen los siguientes datos: 

Perfil de la sección transversal y pendiente del cauce, estimación del nivel de aguas máximas extraordinarias (NAME) y de la rugosidad del cauce.



El nivel de aguas extraordinarias (NAME), aforos de la corriente para obtener la velocidad media de estiaje con su correspondiente nivel de aguas medias ordinarias (NAMO) y sección hidráulica.



Aforos de las corrientes realizados en diferentes estaciones o niveles de agua, con los cuales se aplican técnicas de extrapolación de Manning, Stevens, o ajustes a curvas parabólicas o logarítmicas.

3. Datos geotécnicos. Se hace una exploración geotécnica del subsuelo, con el fin de conocer la estratigrafía y características geotécnicas del cauce, mediante apiques, sondeos o perforaciones según se requiera. El método estrato del lecho, para determinar el diámetro medio (dm) cuando el suelo del estrato es granular o no cohesivo y la densidad o peso volumétrico seco (gs), cuando se trata de un suelo cohesivo. Además, es necesario conocer la densidad del agua más sedimentos (gas), que fluye durante las avenidas.

45

4. Formulación. El método de Lischtvan – Levediev se basa en las siguientes formulaciones para el cálculo de la profundidad de la socavación para suelos homogéneos y cauce de rugosidad constante.

5.5.1. Análisis de la socavación general para suelos cohesivos en cauces definidos con rugosidad uniforme. Consiste en calcular la erosión máxima general que se puede presentar en una sección al pasar una avenida con un gasto de diseño Q d, el cual tendrá una cierta frecuencia de retorno. Para los cálculos subsecuentes se requiere conocer el gasto Qd y la elevación que alcanza la superficie del líquido para ese gasto en la sección en estudio. En esta teoría la magnitud de la erosión en suelos limosos plásticos y arcillosos depende principalmente del peso volumétrico del suelo seco. En este caso, el valor de la velocidad erosiva que es la velocidad media que se requiere para degradar el fondo, está dado por la expresión:

     En donde: ᵧd= Peso volumétrico del material seco que se encuentra a la profundidad H 8 en ton/m3. β= un coeficiente que depende de la frecuencia con que se repite la avenida que se estudia y cuyo valor está consignado en la tabla 5.1. H8= tirante considerado a cuya profundidad se desea conocer qué valor de v e se requiere para arrastrar y levantar al material, en m. x= es un exponente variable que está en función del peso volumétrico ᵧd del material seco en ton/m 3, el cual se encuentra consignado en la tabla 5.2. En ese mismo cuadro se indica el valor de la expresión 1/1+x que será necesaria más 46

adelante, así como el valor del exponente x cuando el material del fondo no es cohesivo. En este último caso x es función del diámetro medio de los granos. La variación de la velocidad media real de la corriente v r , en función de la profundidad y para cada punto de la sección puede ser obtenida analizando una franja vertical de la sección transversal, como la mostrada en la figura 5.2. La hipótesis que se formule para realizar el cálculo es que el gasto en cada franja permanece constante mientras dura el proceso erosivo.

Tabla 5.1. Coeficiente que depende de la frecuencia con que se repite la avenida que se estudia

Tabla 5.2. Exponente variable que está en función del peso volumétrico ᵧd del material seco en ton/m3.

47

Tómese la franja de espesor ΔB, y en forma hipotética considérese que el fondo se encuentra en su nivel inicial antes de que se produzca la erosión. El gasto que pasa por esa sección se puede expresar según Manning por:

Fig.5.2. Perfil antes y después de la socavación.

   Pues en este caso, por ser ΔB más pequeño, el radio hidráulico es igual al tirante. En la expresión anterior: S= Pendiente hidráulica. H0= Profundidad antes de la socavación. n= Coeficiente de rugosidad de Manning. Como se ha considerado una rugosidad constante en toda la sección el valor de 1/n= (s1/2) es constante para cualquier punto dela sección y se denomina α entonces:

   El valor de α puede también ser expresado en forma general como una función del tirante medio Hm de toda la sección transversal antes de la socavación y del gasto de diseño Qd, ya que:

48

    Dónde: Be= ancho efectivo de la superficie del líquido en la sección transversal; es decir, del ancho total se descuenta el ancho de las pilas cuando el ángulo de incidencia de la corriente con respecto al eje de la pila es 0 o. Más adelante se indicara como encontrar el valor de Be que debe ser tomando en cuenta, cuando la corriente forma un ángulo cualquiera con el eje de las pilas. Las demás letras tienen los sentidos ya indicados. En las expresiones anteriores Hm= es tirante medio de la sección, el cual se obtiene dividiendo el área hidráulica afectiva entre el ancho Be. Cuando la sección en estudio corresponde al cruce de un puente la corriente del agua forma vórtices cerca de las pilas y estribos del mismo, por lo que se hace necesario afectar el valor de Qd de un coeficiente µ llamado de contracción, el cual se encuentra tabulado en la tabla 5.3.

        Por lo tanto:

   Despejando:

   Ahora bien en la franja d estudio, al incrementarse H 0  y alcanzar un valor cualquiera H8, la velocidad disminuye a un valor v r . En función de la velocidad y el tirante. ΔQ en la franja ΔB está expresado por: 49

   Igualando esta última expresión con la segunda ecuación.

  De donde la velocidad real de la corriente vale:

      La socavación se detendrá cuando a una profundidad cualquiera alcanzada, el valor de vr   velocidad de la corriente capaz de producir arrastre y v e velocidad que se necesita para que el fondo se degrade lleguen a ser iguales. Ve=vr es la condición de equilibrio. . . Distancia o luz entre pilas u obstaculos a corriente

Vo (m/s) <1.00 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50

10  

≥4.00

13

1.00

 

1.00

 

1.00

 

30

1.00

 

42

52

63

106

124

200

1.00

 

1.00

 

1.00

 

1.00

 

1.00

 

1.00

1.00

0.98

0.99

0.99

0.99

 

1.00

 

1.00

 

1.00

 

1.00

 

1.00

1.00

0.94

0.96

0.97

0.97

0.97

0.98

0.99

0.99

0.99

0.99

 

1.00

 

1.00

1.00

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

0.85

1.00

25

0.98

0.87

 

21

0.97

0.89

1.00

18

0.96

0.90

 

16

0.93

0.94

0.95

0.96

0.96

0.97

0.98

0.98

0.99

 

0.99

 

0.99

1.00

0.91

0.93

0.94

0.95

0.96

0.96

0.97

0.98

0.98

 

0.99

 

0.99

0.99

0.92

0.93

0.94

0.95

0.96

0.97

0.98

0.98

 

0.99

0.91

0.92

0.93

0.94

0.95

0.96

0.97

0.98

 

0.99

0.90 0.89

0.99  

0.99

0.99

Tabla. 5.3. Coeficiente de contracción “µ”.

5.5.2. Análisis de la socavación general para suelos no cohesivos, en cauces definidos con rugosidad uniforme. En el estudio dela profundidad de la socavación en suelos formados por granos gruesos (arenas, gravas finas, etc.), v r   tiene el mismo valor que en el caso anterior:

      En cambio ve está expresada en la teoría que se analiza por: 50

  ( ) En donde: H8 = Tirante para el que se desea conocer ve en metros. x = Exponente variable que depende del diámetro del material y que se encuentra en la tabla 5.3. dm  = Es el diámetro medio (en mm) de los granos del fondo obtenido según la expresión.

  ∑  En la cual: di  = diámetro medio en mm, de una fracción en la curva granulométrica de la muestra total que se analiza. pi  = Peso como porcentaje de esa misma porción, comparada respecto al peso total de la muestra. Las fracciones escogidas no deben necesariamente ser iguales entre si. La condición de equilibrio para la socavación será también: vr  = ve Cuando el ángulo de ataque es diferente de cero, para hallar Be, se deben hacer un plano a escala de la planta del ponteadero. Se traza una línea perpendicular al sentido de la corriente, luego se proyectan todos los obstáculos (pilas y estribos) sobre esta línea y Be es la suma de todos los espacios libres (Be=∑Bei). S= Pendiente del cauce. n= coeficiente de rugosidad de Manning.  A= Área hidráulica. 51

P= Perímetro mojado. β= Coeficiente de frecuencia. Está en función del periodo de retorno (Tr) correspondiente al caudal de diseño, el cual se evalúa de la siguiente manera:

Fig. 5.3. Determinación grafica del ancho efectivo de la corriente.

Si Tr= 100 años, b=1.0 Para otros valores de Tr se calcula con la siguiente expresión: b= 0.7929+0.0973 Log (Tr) ᵩ  = Coeficiente de corrección por la densidad del agua durante la avenida. Normalmente durante la avenida el agua transporta sedimentos en suspensión (limos y arcillas), las cuales tienden a reducir el efecto dela socavación. Este factor de corrección ᵩ, superior a la unidad, el cual está en función de la densidad del agua más sedimentos (gas) y se determina de la siguiente manera: Si la ᵧas= 1.0 (agua clara), entonces ᵩ= 1.0 Si la ᵧas>1.0 ᵩ= -0.54+1.5143ᵧ -0.54+1.5143 ᵧas

5.6.

Socavación por contracción; Laursen.

La socavación por contracción ocasiona la remoción del material del lecho y orillas a través de todo o la mayor parte del ancho del canal, debido al incremento de 52

velocidades y al incremento del esfuerzo cortante en el lecho del canal debido a la reducción del área de flujo. Todas las condiciones de contracción se pueden evaluar usando dos ecuaciones básicas (1) una ecuación para socavación con lecho activo y (2) una ecuación para socavación con agua clara. Para cualquier condición solo es necesario determinar si el flujo en el canal principal, en la planicie de inundación aguas arriba del puente, o en la aproximación a un puente de alivio, se presenta transporte del material de lecho (lecho activo) o no (Agua clara) y luego aplicar la ecuación apropiada. Para determinar si el flujo aguas arriba del puente está transportando material del lecho, se calcula la velocidad critica (Vc), que inicia el movimiento de las partículas y compararla con la velocidad media media V del flujo

(Q/A) en el canal principal o el área de

desbordamiento aguas arriba de la abertura del puente: Si Vc>V ocurre socavación por agua clara. Si Vc
Dónde:

 

Vc= Velocidad critica, la cual transportara material del d el lecho de tamaño £ d50. Ss= Gravedad especifica del material del lecho. Ss= 2.65 y1= profundidad del flujo aguas arriba. (y 1=Ho) K= coeficiente para unidades inglesas, según Neill= 11.52 y según Laursen 10.95 Para unidades métricas úsese 6.36 o 6.045 respectivamente. 1. Socavación por contracción por lecho activo. Para estimar estimar la magnitud magnitud de la socavación la publicación de HEC N° 18 recomienda usar una versión modificada de Laursen (1960) de la ecuación de erosión en lecho vivo: 53

y2 = y1 [Q 2 /Q1]6/7[W1 / W2]K1 ys = y2 - y0 Dónde: ys = Profundidad promedio de la erosión por contracción en metros. y2 = Profundidad promedio después de la erosión en en la sección contraída, en metros. y1 = Profundidad promedio en el cauce principal o llanura llanura de inundación en la sección aguas arriba, en metros. y0 = Profundidad promedio en el cauce principal o llanura de inundación en la sección contraída antes de la erosión, en metros. Q1 = Flujo en el cauce principal o llanura de inundación en la la sección aguas arriba, la cual está transportando sedimento, m 3/s Q2 = Flujo en el cauce principal o llanura de de inundación en la sección contraída, la cual está transportando sedimento, m 3/s. W1 = Ancho del fondo del cauce principal o llanura de inundación en la sección aguas arriba, en metros. W2 = Ancho del fondo del cauce principal o llanura de inundación en la sección contraída menos el ancho de los pilares, en metros. Esto esta aproximado como el máximo ancho del área activa de flujo. K1 = Exponente para el modo de transporte del material del fondo. fondo.

54

V* / ω

K1

Modo de transporte del material del fondo

< 0.50

0.59

Mayoría de descarga del material en contacto con el lecho.

0.50 a 2.0

0.64

>2.0

0.69

 Alguna descarga del material del fondo en suspensión. Mayoría de descarga del material del lecho suspendida.

. Expon ente de la ecuación de Laursen para socavación por co ntracción. Tabla 5.2 

V* = (g y1 S 1)

1/2

, velocidad cortante en el cauce principal o llanura de inundación

en la sección aguas arriba, m/s. ω = Velocidad de caída del material del fondo basado en el D 50, m/s. g = Aceleración de la gravedad, m/s2 S1 = Pendiente de la línea de niveles de energía del canal principal, m/m. T = esfuerzo cortante en el lecho p = densidad del agua.

2. Socavación por contracción por agua clara. Se aplica la siguiente expresión:

   ys= y2-y1= profundidad media de socavación. y1= profundidad el flujo en el canal o en la planicie de inundación antes de la socavación. y2= profundidad del flujo en la abertura del puente o en el área de desbordamiento del puente. 55

Q= caudal a través del puente o en la zona de desbordamiento del puente. dm= diámetro medio efectivo del material del l echo (1.25 d50) en la abertura del puente o en la planicie de inundación. d50= diámetro medio del material del lecho en la abertura del puente o en la planicie de inundación. W= ancho del fondo del puente menos el ancho de las pilas, o el ancho del área de desbordamiento (distancia de retroceso de estribos). K= coeficiente. Para unidades inglesas =120 y para unidades métricas 36.576 combinando las dos ecuaciones anteriores se obtiene la siguiente ecuación:

  [   ]    Cuando el material del lecho esta estratificado la profundidad de socavación se debe determinar aplicando las ecuaciones respectivas en forma secuencial con los sucesivos dm de las capas del material del lecho. El coeficiente 0.13 es para unidades inglesas. Para unidades métricas es de 0.2163.

5.7. Socavación local en pilas de puentes (flujo alterado). La socavación general en el fondo del lecho de un rio se detendrá, cuando la velocidad de flujo se reduzca a la velocidad crítica (Vc), debido al agrandamiento de la sección recta del rio. Si la velocidad de flujo varía con la estación climática, el lecho del rio profundizara en la estación lluviosa y el hueco de socavación o parte de él se rellenara de nuevo en la sequía. Para propósitos prácticos la profundidad de los huecos de socavación alrededor de las pilas de puentes puede ser evaluada utilizando la siguiente formula:

 ( )   () 56

Dónde: ds= profundidad de socavación local. b= ancho de la pila. α = ángulo de ataque. L= longitud de la pila. (L=a). Y= profundidad del flujo uniforme. Función f1:

 ( )     ( )(  )      ( )      Función f 2: factor de corrección por la forma de la nariz de la pila. Se obtiene de la tabla 5.3. Tabla 5.3. Factor de corrección por la forma de la nariz de la pila.

Forma del tajamar de la pila

f 2

Oblonga con nariz redondeada

1.5

Cilíndrica

1.5

Rectangular con nariz cuadrada

2.0

Ojival(Nariz aguda)

1.2

57

5.8.

Socavación en estribos; Froehlich.

El potencial de migración lateral del canal, la degradación a largo plazo y la socavación por contracción deben considerarse al emplazar la fundación de los estribos cerca al canal principal. Se recomienda que la cota de desplante de los estribos quede mínimo a 1.8 metros por debajo del lecho, incluyendo la degradación a largo plazo, la socavación por contracción y la migración lateral de la corriente. La ecuación de Froehlich, obtenida en medidas de socavación de 170 casos de lecho activo en canales de laboratorio es la siguiente:

          Dónde: K1= Coeficiente pro forma del estribo. Tabla 2.9 K2= Coeficiente por ángulo del terraplén de acceso al flujo. K2= (ɵ/90) 0.13 ɵ<90o si el terraplén se orienta hacia aguas abajo. ɵ>90osi el terraplén se orienta hacia aguas arriba. a’ = longitud del estribo proyectado perpendicular al flujo. Fr= Número de Froude del flujo de aproximación aguas arriba del estribo. Fr= Ve/ (g*ya)1/2 Ve= Qe/Ae= Velocidad media de flujo. Qe= Flujo obstruido por el estribo y el terraplén de acceso.

58

 Ae= El área de flujo de la sección transversal de aproximación obstruido por el terraplén. ya= Profundidad media de flujo en la planicie de inundación. ys= Profundidad de socavación.

Descripción

K1

Estribos de paredes verticales (muros de acompañamiento)

1.00

Estribos de paredes verticales con aletas

0.82

Estribos inclinados

0.85 Tabla 5.4.Coeficientes por form a del estribo.

5.9.

Socavación en Estribos; Hire.

Se aplica cuando la proporción entre la longitud proyectada del estribo y la profundidad de flujo es mayor a 25 (a/y 1>25). La ecuación es la siguiente:

    Dónde: ys= Profundidad de socavación. y1= Profundidad de flujo en el estribo. Fr= Numero de Froude basado en la profundidad y velocidad de flujo aguas arriba del estribo. Se aplica además el factor de orientación del estribo, como en el caso anterior. Las profundidades de socavación en los estribos determinadas por la ecuación de Hire, se debe corregir por el tipo de estribo si se usa cualquier forma del estribo, excepto la de los estribos inclinados. Esta corrección puede hacerse multiplicando la profundidad de socavación obtenida con la ecuación, por el factor k 1/0.55, donde k1 se determina en la Tabla 5.4. 59

6.- SOCAVACIÓN EN OBRAS CIVILES. 6.1. EFECTOS DE LA SOCAVACIÓN. La socavación produce varios daños a las estructuras y va a depender de su clasificación por ejemplo si es socavación general va a provocar degradación o agradacion progresiva, y si es socavación local producirá socavación en estribos y pilas.

Fig. 6.1. Socavación en un puente.

60

Fig. 6.2. Puente Tonalá en los límites entre Veracruz y Tabasco.

Fig. 6.3. Los puentes La Majahua y Zapote II, rumbo al aeropuerto de Tabasco.

6.2. Socavación y degradación en puentes.  Actualmente se reconoce la necesidad de mantener operativas las vías de comunicaciones, tanto por cuestiones económico-sociales en tiempos normales, como por razones de seguridad ante ocurrencia de catástrofes. Sin embargo, en las últimas décadas se ha podido observar un alto grado de deterioro en estructuras de puentes. Las causas de tal degradación estructural se pueden 61

encontrar en: diseños no adecuados a la durabilidad esperada, falta de control de calidad durante la construcción, aumento de niveles de contaminación, falta de mantenimiento, imprevisiones de acciones tales como sismos, etc. Además muchos de los puentes actualmente en servicio se construyeron con anterioridad a la aparición de la normativa sismo resistente, o en base a prescripciones de normas caducas anteriores a las vigentes. Pese a este creciente deterioro y a la importancia estratégica de este tipo de estructuras, los presupuestos para mantener, reparar y/o rehabilitar puentes existentes son siempre limitados. Esto da como resultado que las autoridades responsables de tales obras de infraestructuras, sólo puedan atender a una selección de los problemas detectados. Un uso eficiente de los recursos, requiere de estudios previos tales como inspección, evaluación de daño estructural y aptitud sísmica, en base a los cuales se han de desarrollar proyectos de rehabilitación integrales y por último de un análisis económico comparativo entre las opciones: rehabilitación vs. Construcción de puentes nuevos. Los objetivos generales de este proyecto son proponer metodologías para la evaluación estructural y sísmica de puentes de hormigón y analizar técnicas de rehabilitación integrales que puedan ser aplicadas en nuestro país e incorporadas a la normativa

vigente.

Fig. 6.4. Socavación y degradación. 62

Fig. 6.5. Socavación a orillas de la carretera.

Los objetivos específicos son para disminuir efectos de socavación en los puentes son: 1. Estudiar modelos de caracterización de daños en puentes. 2. Estudiar modelos que representen la evolución en el tiempo de las patologías frecuentes en los puentes de la red vial provincial. 3. Optimizar metodologías experimentales para la obtención de datos representativos de las características mecánicas de los materiales constitutivos de puentes de concreto reforzado. 4. Incorporar los modelos del punto 2) en programas computacionales para predecir variaciones en el comportamiento estructural de puentes. 5. Desarrollar una metodología de estimación y evaluación de daño potencial en estructuras de puentes solicitados por acción sísmica. 6. Aplicar las metodologías desarrolladas en los puntos anteriores, a puentes tipos para evaluar la pertinencia de intervención en los mismos.

63

7. Analizar y seleccionar técnicas de reparación y rehabilitación de puentes, que puedan ser aplicadas con la tecnología existente en nuestro país. 8. Aplicar la metodología desarrollada anteriormente a los puentes tipos con rehabilitación para evaluar la eficiencia de la misma. 9. Elaborar propuestas para la actualización de la normativa existente.

64

7.- CONCLUSIONES. La socavación es una de las principales causas de fallas en las obras hidráulicas como los puentes, donde resultan dañadas la cimentación de las pilas, estribos y los terraplenes de acceso. Las entidades responsables de la infraestructura vial deben continuar con la evaluación general del efecto de la socavación de las estructuras más importantes localizadas en los ríos con mayores caudales y posibilidades de socavación.  Antes de realizar un puente se debe realizar estudios hidrológicos, hidráulicos y de socavación detallada y técnicamente sustentados, para así poder evitar o reducir al mínimo la socavación.  Además de que se le debe dar un seguimiento y mantenimiento a los puentes después de haberse construido para evitar o en su caso identificar señales de la presencia de factores que puedan producir la socavación. Tenemos que tomar en cuenta también los tipos de corriente que pasan por donde se construyen los puentes para tener una idea de si hay muchos sedimentos que con el flujo pueden producir daños en las partes inferiores de los puentes. Una posible causa de error en los cálculos de la profundidad de socavación se debe a que los parámetros de entrada se obtienen puntualmente y corresponden a valores representativos en el momento de la toma de muestras, pero no representan las variaciones que puedan ocurrir en el río a lo largo del tiempo. Los elementos protectores diseñados con el fin de disminuir el efecto de la socavación local deben ubicarse en el nivel del lecho, ya que si son ubicados por encima del fondo, no representan una disminución considerable de la profundidad de socavación y en algunos casos puede incrementarla, debido a que en el fondo se genera un aumento de presión que causa dos corrientes, una ascendente y otra descendente.

65