Socavacion en Puentes

5/11/2018

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INDICE

1. Introducción 2. Generalidades 3. Componentes de la socavación 4. Tipos de socavación 5. Diseño de puentes que resistan la socavación 6. Metodología de diseño y cálculo de la socavación 7. Ejemplo del calculo de socavación

8. Obras de control 9. Conclusiones y recomendaciones

10. Bibliografía

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1. INTRODUCCION La socavación ocurre cuando: La cantidad de material que puede ser transportado en la sección del puente es mayor que la cantidad de material que es transportado por el flujo aguas arriba.

Si observamos un hidrograma y lo comparamos con un grafico de profundidad vs tiempo, tenemos que en el momento del caudal pico se ve una profundidad menor a la inicial, y a medida que el caudal desciende se puede decir que se va asentando el material que viene con el flujo de aguas arriba.


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2. GENERALIDADES La socavación es un problema del tránsito de sedimentos, ya que es el resultado de la erosión causada por el agua excavando y transportando material del lecho y de los bancos de los ríos. La magnitud y frecuencia de estos eventos dependen de las características de la lluvia

y de la cuenca, la erosión pluvial y la dinámica de los cauces .

2.1 Características de la lluvia: • •

Intensidad Duración

•

Frecuencia

•

Distribución temporal

2.2 Características de la cuenca: •

Morfometría: Área, Longitud, Pendiente, Elevación media, entre otras.

•

Capacidad de almacenamiento: Concentrado en depósitos puntuales o Distribuido sobre el área.

•

Clase y uso del suelo.

•

Densidad del suelo

2.3 Erosión pluvial: La magnitud de la erosión pluvial depende del régimen de lluvias y de la geomorfología de la hoya vertiente. La erosión se cuantifica por medio del parámetro denominado "pérdida de suelo". Esta pérdida de suelo representa un potencial medio de erosión anual y se expresa en milímetros de suelo por año (mm/año). Solamente una parte de este volumen llega hasta los cauces naturales y alimenta la carga de sedimentos en suspensión que transporta la corriente. http://slidepdf.com/reader/full/socavacion-en-puentes

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Los siguientes son los factores que intervienen en el cálculo de la Pérdida de Suelo: •

Número de aguaceros fuertes en el año, intensidades de los

•

aguaceros, tamaño y altura de caída de las gotas de agua. Erodabilidad del suelo.

•

Distribución de los cultivos.

•

Mantenimiento y protección de los suelos.

•

Características físicas de la zona: Área, Longitud y Pendiente.

2.4 Dinámica de los cauces. La dinámica de los cauces depende de su caracterización hidráulica, la cual se basa en los siguientes aspectos:

a) Geometría del cauce . Está representada por la pendiente longitudinal y por las características de la sección transversal. •

Pendiente longitudinal .

En cauces naturales la pendiente longitudinal se mide a lo largo de la línea del agua, debido a que el fondo no es una buena referencia, tanto por su inestabilidad como por sus irregularidades. La pendiente de la línea del agua varía con la magnitud del caudal, y esa variación es importante cuando se presentan cambios grandes del caudal en tiempos cortos, por ejemplo al paso de crecientes.

En los períodos que tienen un caudal más o menos estable es posible relacionar las pendientes con los caudales utilizando registros de aforos.


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•

Sección transversal.

En los cauces naturales las secciones transversales son irregulares y la medición de sus características geométricas se realiza con levantamientos batimétricos.

La línea que une los puntos más profundos de las secciones transversales a lo largo de la corriente se denomina thalweg. En las corrientes de lecho aluvial se observan continúas variaciones en las secciones transversales y en la línea del thalweg.

Las magnitudes y frecuencias de estas variaciones dependen del régimen de caudales, la capacidad de transporte de sedimentos, y el grado de estabilidad del cauce.


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○

Capacidad de transporte.-

En una corriente natural el transporte de los sedimentos se compone de carga de fondo, carga en suspensión y carga en saltación; la última componente es una combinación de las dos primeras. La suma de las tres se denomina carga total.

La pendiente del cauce es uno de los factores importantes que inciden en la capacidad que tiene el flujo para transportar sedimentos, por cuanto está relacionada directamente con la velocidad del agua. En los tramos de pendiente fuerte los cauces tienen pendientes superiores al 3 %, y las velocidades de flujo resultan tan altas que pueden mover como carga de fondo sedimentos de diámetros mayores de 5 centímetros, además de los sólidos que ruedan por desequilibrio gracias al efecto de lubricación producido por el agua.

○

Régimen de flujo.-

El régimen de flujo en un tramo particular de una corriente natural se clasifica en función del Número de Froude, NF, el cual es una relación adimensional entre fuerzas de inercia y de gravedad.

En el régimen supercrítico (NF > 1) el flujo es de alta velocidad, propio de cauces de gran pendiente o ríos de montaña. El flujo subcrítico (NF <1) corresponde a un régimen de llanura con baja velocidad. El flujo crítico (NF = 1) es un estado teórico en corrientes naturales y representa el punto de transición entre los regímenes subcrítico y supercrítico.


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→ Régimen

de

torrencial o de montaña, se presentan principalmente fenómenos

socavación de fondo y erosión de márgenes. El régimen torrencial se

caracteriza porque el flujo tiene una velocidad alta, el número de Froude es mayor que 1 y la línea del agua se ve afectada por la formación de resaltos que son ocasionados por las irregularidades del fondo y de las secciones transversales.

Son cauces con gran capacidad de arrastre de sedimentos. La cantidad de material que efectivamente transportan estos cauces depende de la conformación del fondo y de la potencialidad de la fuente que produce los sedimentos. El lecho del río puede ser rocoso, aluvial o de material cohesivo. En el primer caso la sección transversal es estable; en el segundo se presenta transporte de material aluvial dentro de la capa de material suelto, y en el tercero el grado de cohesión es un factor que reduce la posibilidad de movimiento del material de fondo, en comparación con el material aluvial del mismo tamaño.

Debido a su gran capacidad de transporte de sedimentos los cauces de régimen torrencial presentan a lo largo de sus trayectorias fenómenos de socavación y agradación; la segunda como consecuencia de la primera.


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Antes de diseñar obras para tratamiento de cauces es necesario conocer la magnitud de la socavación. Para determinar 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 cartografía de diferentes épocas, y en los cambios que se aprecien en observaciones de campo y en levantamientos topográficos.

→

Régimen tranquilo: también denominados de llanura, las aguas se

desbordan cuando los caudales de creciente superan la capacidad a cauce lleno. Cuando la pendiente del cauce es pequeña, o cuando el flujo en el tramo que se considera en el estudio está regulado por una curva de remanso, el régimen es tranquilo, generalmente subcrítico. En este caso, la capacidad de transporte de sedimentos es baja, y el río puede comenzar a depositar parte de los sedimentos de suspensión y de fondo que trae desde zonas de mayor capacidad de transporte. La metodología que se utiliza para determinar las tasas de transporte utiliza las mismas fórmulas que se han descrito para los tramos de régimen torrencial.


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El fenómeno principal que se presenta en los tramos de baja pendiente y régimen tranquilo es de agradación. La magnitud de este fenómeno puede calcularse mediante controles periódicos de los cambios que se producen en la geometría del cauce, o con realización de balances en tramos determinados. Para realizar los balances deben medirse los volúmenes de sedimentos que entran y salen del tramo. Los fenómenos combinados de erosión y agradación generan cambios en la configuración del fondo, y formación de brazos e islas. Estos cambios serán más grandes entre mayores sean las tasas de transporte, y pueden producir modificaciones importantes en el régimen de flujo durante los períodos críticos de estiaje y crecientes.

Cuando el río recorre un tramo plano, de llanura, existe una posibilidad grande de que se presenten desbordamientos, los cuales ocupan la zona plana adyacente, o llanura de inundación. Las cotas máximas de agua en condiciones de creciente se calculan por medio de fórmulas de flujo variado en canales de sección compuesta. Las cotas calculadas, más el borde libre, permiten definir sobre la cartografía de la zona la magnitud de la zona inundable para diferentes niveles de probabilidad, en condiciones de desborde no controlado.


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b) Viscosidad del agua. La viscosidad del agua representa un factor importante en el estudio de los cauces naturales. Esta viscosidad depende principalmente de la concentración de la carga de sedimentos en suspensión, y en menor escala de la temperatura.

En cauces limpios, o sea aquellos en los que la concentración de sedimentos es menor del 10% en volumen, el agua se puede considerar como de baja viscosidad. A la temperatura de 20ºC la viscosidad absoluta es del orden de 1 centipoise.

En el caso extremo, cuando se conforman flujos de lodo, donde la proporción volumétrica entre el sedimento y el líquido sobrepasa el 80% , la viscosidad aumenta

significativamente

y

puede

llegar

hasta

los

4000

poises.

Teniendo en cuenta que las fórmulas empíricas de flujo en corrientes naturales se han desarrollado para corrientes de agua limpia, es claro que las velocidades que se calculan con estas fórmulas resultan más altas que las velocidades reales cuando se aplican a flujos viscosos.

c) Posibilidad de desbordamientos. Desbordamientos: Cuando el cauce pasa de un tramo de pendiente alta a otro de pendiente baja, su capacidad de transporte se reduce y comienza a depositar los materiales que recibe del tramo anterior. En este proceso forma islas y brazos y puede tomar una conformación trenzada, con cauce divagante. Además, el material que se deposita eleva el fondo del cauce y disminuye su capacidad a cauce lleno.


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3. COMPONENTES DE LA SOCAVACION

La socavación se clasifica como socavación general y socavación local.

3.1 Socavación 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 eventos catastróficos pueden acelerarlo.

La socavación general comprende: deposito o remoción de los materiales de lecho- cambios a largo plazo en las elevaciones del lecho del rió - y la socavación por contracción:

♦

El depósito de materiales sube el nivel del lecho

♦

La remoción o degradación del lecho socava o disminuye el nivel del lecho

del rió.


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♦

La socavación por contracción, involucra la remoción de materiales de lecho

en todo el ancho del canal, causado por: •

Contracción natural del rió

• •

Contracción del flujo por el puente o estructuras de aproximación Islas, bancos de arena, bermas, hielo, desechos o vegetación.

•

Cambios en el control aguas abajo

•

Recodos

3.2 Socavación local La socavación local se presenta 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, bancos guías, puentes con pilas o estribos dentro del cauce, obras transversales de control, etc.

Para calcular la primera existe un sin número de fórmulas, que son modificadas continuamente por sus autores, a medida que se avanza en la experimentación de campo. Se basan principalmente en el efecto de la fuerza tractiva sobre la carga de fondo, y en los conceptos expuestos por Shields.

Para el cálculo de la socavación local por efecto de pilas y estribos de puentes, muros longitudinales, obras transversales, etc., hay necesidad de revisar las experiencias que existen en cada caso particular y las fórmulas empíricas que se han desarrollado.


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3.3 Socavación total La socavación total en un tramo de una corriente natural es la suma de las dos componentes, la socavación general y la socavación local.

4. TIPOS DE SOCAVACION Existen dos tipos de socavación en puentes: de agua clara y de cama viva (o lecho vivo)

4.1 Socavación de cama viva Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente, que se esta moviendo con el flujo que causa la socavación. Se da en cauces de régimen torrencial. Los puentes sobre lechos de material grueso generalmente presentan socavación de agua clara en la parte inicial de una hidrografía, luego socavaron de cama viva para caudales altos y finalmente una socavación de cama de agua clara cuando lo caudales van disminuyendo.

4.2 Socavación de agua clara Ocurre cuando el flujo que esta causando socavación no contiene material de lecho. Esto no implica que algún sedimento fino no pueda estar en movimiento como carga lavada. Se da en un cauce de régimen tranquilo.

Esto se ve más en lechos de materiales gruesos o en zonas de inundación con vegetación.


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Esto no indica que el agua no transporta material sino que la cantidad de sedimentos en suspensión es menor que la capacidad de transporte de sedimentos del flujo.

La socavación máxima de agua clara en la pila es de alrededor de un 10% mayor que la socavación de equilibrio de cama viva en esta.

5. DISEÑO DE PUENTES QUE RESISTAN LA SOCAVACIÓN 5.1 Filosofía de diseño

a) Diseñar para que la estructura resista los efectos de una “súper inundación” (que exceda la inundación de 100 años) b) Las fundaciones deben ser diseñadas por un equipo interdisciplinario que incluya ingenieros estructurales, hidráulicos y geotécnicos.


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c) Los estudios hidráulicos son necesarios como parte del estudio preliminar (socavación y condiciones del flujo) d) Usar el “juicio de ingeniería” para resolver las limitaciones en conocimientos existentes e) Compara los resultados con la información disponible incluyendo: •

Comportamiento

de

estructuras

existentes

en

inundaciones del pasado •

Efectos de la regulación y control de caudales

•

Características hidrológicas e historia de avenidas de la cuenca.

f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundación que tenga una muy pequeña probabilidad de falla por un evento extremo. 5.2 Procedimientos general de diseño para controlar la socavación - Tipo, Tamaño y Localización (TT&L) Paso 1. Seleccionar las avenidas con períodos de retorno de 100 años o menos, que se espera produzcan las condiciones más severas de socavación Paso 2. Obtener los perfiles hidráulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1 para un rango de caudales. Paso 3. Estimar las profundidades de socavación total para las condiciones más críticas


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Paso 4. Dibujar las profundidades de socavación total en la sección transversal del cauce y en la planicie de inundación de la zona del puente. Paso 5. Analizar si lo obtenido es razonable. Paso 6. Evaluar Tipo Tamaño y Localización usando el análisis de socavación obtenido. Modificar si es necesario: a) Visualizar el patrón general de comportamiento del flujo.

b) Considerar el grado de incertidumbre en el método utilizado para estimar la socavación. c) Considerar la posibilidad de ocurrencia de alguna falla y sus consecuencias. d) Considerar el costo adicional de fortalecer el puente para hacerlo menos vulnerable a la socavación

Paso 7. Desarrollar un análisis de las fundaciones del puente sobre la base de que ha ocurrido una socavación total a) Para fundaciones consistentes en placas (sin pilotes) sobre suelos , debe asegurarse que la profundidad de la parte superior

de la placa se encuentra por debajo del nivel de degradación de largo plazo, de la socavación por contracción, y de ajustes por los cambios producidos ante una migración lateral del cauce. La base de la fundación debe ubicarse por debajo de la línea de socavación total.


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b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente , el fondo de la fundación debe constituirse sobre la superficie de roca limpia (considérese además el uso de dovelas como soporte lateral). c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca erosionable , debe consultarse al geotecnológo sobre la calidad

de la roca y la geología local. Debe estimarse la socavación que pueda ocurrir y ubicar la base de la placa por debajo de esa profundidad. La placa debe estar en contacto con los lados de la excavación y sobre la placa debe colocarse enrocado. d) Para fundaciones consistentes en placas y pilotes , el nivel superior de la placa debe colocarse debajo del nivel del lecho, a una profundidad igual a la suma de la degradación, esto para minimizar la obstrucción durante una inundación y la socavación local resultante.

Paso 8. Calcular la socavación para un evento extremo “súper inundación”: a) Una inundación que exceda la inundación de 100 años. b) Use la inundación de 500 años (puede considerarse como 1,7 veces la inundación de 100 años si no se cuenta con esta información) c) Evalúe el diseño de las fundaciones tal como se menciona en el Paso 7.


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d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la socavación calculada para la “súper inundación” (evento extremo). e) Todas las fundaciones con o sin pilotes, deben tener un factor mínimo de seguridad de 1,0 carga última) bajo condiciones extremas.

5.3 Lista de aspectos a considerar en el diseño a) General •

Aumentar la elevación de la superestructura del puente por encima de la elevación de la carretera de aproximación, cuando esto sea posible.

•

Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un mínimo de 0,6 metros sobre el nivel superior del flujo, considerando el nivel de inundación de 100 años, para tomar en cuenta aquellos ríos que acarrean una gran cantidad de desechos.

•

Las superestructuras deben ser poco anchas, abiertas y bien ancladas (considerar aquí los efectos boyantes, los desechos, el hielo)

•

Los puentes de luces continuas son más apropiados que los de luces simples cuando existe un gran potencial a la socavación (redundancia)

•

Los agujeros de socavación local en pilas y bastiones, no deben traslaparse (superponerse) – en el ancho superior del agujero puede se de hasta 2,8 veces su profundidad – Se recomienda para efectos


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prácticos utilizar un ancho superior de 2,0 veces la profundidad de socavación. •

En los diseños de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a socavación, debe evaluarse la cantidad de pilotes en función de la solicitación estructural, los requerimientos de servicios y las condiciones del suelo.

b) Pilas (Pilastras) •

Diseñar las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie de inundación, tal como aquellas que se encuentran en el cauce principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse.

•

Alinear las pilas en la dirección de los flujos de inundación. Considerar pilas circulares cuando la dirección del flujo es variable.

•

Usar pilas que estén alineadas con el flujo y elementos para desviar el hielo y materiales flotantes.

•

Evaluar el peligro de la acumulación de hielo y escombro, particularmente en las pilas de columnas múltiples. Considerar estos grupos de columnas como si fueran una columna sólida para la estimación de la socavación. Considerar el uso de otros tipos de pilas.

c) Bastiones (Estribos) •

El análisis de la socavación en bastiones se encuentra limitado por las técnicas cuantitativas actuales. El uso enrocado y bancos guía debe ser considerados seriamente para la protección de los bastiones. Cuando se ha diseñado e implementado adecuadamente estas


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medias, se puede eliminar la necesidad de diseñar los bastiones para resistir la socavación calculada. •

Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundación y bancos guía para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones.

•

Si existe la posibilidad de una acumulación de hielo, diseñar el pie de los bastiones inclinados, o las paredes de las bastiones verticales, lo suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal.

•

La socavación en bastiones inclinados es aproximadamente un 50% de la que puede ocurrir en bastiones verticales.

6. METODOLOGÍA DE DISEÑO Y CÁLCULO DE LA SOCAVACION 6.1 Metodología General .Antes de calcular la socavación (local y contracción), por algún método es necesario: • •

Obtener la información hidráulica del canal. Estimar el impacto a largo plazo del depósito y remoción de materiales.

•

Ajustar la información hidráulica del canal para que refleje ese cambio a largo plazo.

•

Calcular nuevamente las variables hidráulicas en la sección del puente en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por degradación a largo plazo.

•

Calcular los componentes de la socavación usando las nuevas variables hidráulicas.

•

Estimar la socavación por contracción utilizando los parámetros hidráulicos de lecho constante, ajustados.

•

Estimar la socavación local utilizando lo parámetros hidráulicos ajustado.


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•

Obtener la socavación total que es igual a la de contracción más la socavación local.

6.2 Socavación por contracción.Se conoce 4 casos de socavación por contracción :

Caso 1.- Flujo sobre la planicie de inundación forzado a regresar al canal principal mediante diques de aproximación al puente. a) El ancho del canal del río se reduce debido a que los bastiones se encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona mas angosta del río. b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce, el flujo de inundación se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de aproximación del puente.

Caso 1B: Los bastiones se encuentran en los bordes del canal principal

c) Los bastiones se encuentran retirados del cauce principal. El flujo de inundación se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de aproximación.


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. Caso 1C: Los bastiones se encuentran retirados del canal principal

Caso 2.- No existe flujo fuera del canal principal, el cauce se contrae a causa del puente o debido a que el puente se encuentra construido en una zona donde el ancho del cauce principal en menor.

Caso 2A: El cauce se contrae en la sección del puente


Caso 2B: Los bastiones restringen el paso del flujo

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Caso 3.- Un puente de alivio en la toma de inundación donde poco o ningún material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara) Caso 4.- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de inundación el cual transporta material de lecho. a) • •

Existen dos ecuaciones: Para una condición de cama viva (material de lecho). Para una condición de agua clara (sin material de lecho). Para elegir cual debemos utilizar debemos definir si estas transportan que no material de lecho comparando la velocidad critica para el inicio del movimiento de partículas “Vc”, con la velocidad media del canal “V”. Si V< Vc => Condición de agua Clara Si V> Vc => Condición de cama Viva

“Vc”, se puede calcular utilizando la sgte. Ecuación:

Vc = 6.19 . Y

1/6.

D501/3

Donde: Vc = Velocidad critica del material de lecho [m/s]. Y = Profundidad del flujo [m]. D50 = Tamaño de partícula en el cual 50 % es menor [m].


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b) •

Formula de Socavación por Contracción.Condición de cama viva:_ Ecuación modificada de Laursen (1960).

⎛ Q ⎞ = ⎜⎜ 2 ⎟⎟ y1 ⎝ Q1 ⎠

y 2

6 7

⎛ W 1 ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ W 2 ⎠

k 1

Ys = Y2 – Y0 (Profundidad promedio de Socavación) Donde: Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]. Y2 = Profundidad promedio en zona contraída [m]. Y0 = Profundidad existente en la sección contraída antes de la socavación [m]. W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]. W2 = Ancho de fondo del canal principal en la sección contraída (restando el ancho de las pilas). [m]. Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento. (m3/seg.) Q2 = Caudal en la sección contraída [m 3 /s]. K1 = Coeficiente tomado de la sgte. Tabla. V*/W

K1

CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE DE SEDIMENTOS

< 0.5

0.59

PREDOMINA CARGA DE FONDO

0.5 – 2 > 2.0

0.64 0.69

ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION PREDOMINANA SEDIMENTOS EN SUSPENSION


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Donde: V* = (t/r)0.5 = (g*y1*S1)0,5 velocidad cortante en la sección aguas arriba (m/s) W= Velocidad de sedimentación del material de lecho D 50 [m/s]. g = Constante gravitacional (9.81 m/s 2) S1 = Pendiente de energía del canal principal m/m . t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (N/m2) r = Densidad del agua (1000 Kg /m3).

1° “Q2”, Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B. No es el total para el caso 1C. 2° “Q1”, Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los flujos en la planicie de inundación). 3° “W2”, Se toma comúnmente caro el ancho del fondo del canal menos el ancho de las pilas.


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4° La socavación por contracción por la condición de cama viva puede verse disminuida por el acorazamiento del lecho. 5° Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la socavación por contracción usando las ecuaciones para condición de cama viva y agua clara escogiendo la mayor profundidad. 6° La ecuación de Laursen sobrestima la profundidad de socavación del puente si esta localizada agua arriba, pero es la mejor herramienta hasta ahora disponible.

Condición de agua clara:_

•

Ecuación de Laursen 3

⎛ 0.025Q 2 ⎞ 7 ⎟ Y 2 = ⎜ 2 ⎜ D 3W 2 ⎟ ⎝ m ⎠

YS = Y2 – Y0 Donde: Y0= Profundidad del flujo en la sección contraída antes de ocurrir socavación, m Y2 = Profundidad promedio del flujo en la sección contraída después de ocurrir la socavación por contracción, m Ys = Profundidad de socavación en la sección contraída, m Q = Caudal que pasa a través del puente o en la planicie de inundación 3

asociado en el ancho, W, m /s. D50 = Diámetro medio del material de lecho, m Dm = 1.25 D50, m W = Ancho de fondo en la sección contraída menos el ancho de pilas, m Clara secuencialmente, calculando el Dm de cada capa de material.


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Si la altura del nivel de las aguas, aguas abajo, es muy variable, debe utilizarse el nivel mas bajo para los cálculos.

En casos complejos se recomienda buscar consultoría por parte de un equipo interdisciplinario de profesionales experimentados en hidráulica, geotecnia, etc.

6.3 Socavación En Pilas.a) Socavación Local •

Mecanismo de la socavación.-

El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente y a los lados de la pila).

Los remolinos detrás de las pilas ayudan a transportar el material erosionado hacia aguas abajo.

Representación esquemática de la socavación local alrededor de una pila cilíndrica


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• Característica del Flujo.-

a) Velocidad aguas arriba de la pila “V1”. - Esta incrementa la profundidad de socavación, es decir “a mayor velocidad mayor profundidad de socavación.” b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila “Y1”.- Afecta directamente a la profundidad de socavación, el aumento de profundidad puede afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavación. c) Angulo de ataque del flujo.- Mientras la pila se encuentre alineada con el flujo no afecta en la profundidad de socavación. Cuando se forma un ángulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide en la profundidad de socavación. d) Flujo a presión.- este se produce cuando la superestructura del puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavación.

• Geometría de la pila

a) Ancho de la pila.-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la Socavación ya que se produce una mayor área de choque del flujo con la pila. b) Longitud de pila.- Va relacionado con el ángulo ataque, si no hay ángulo. No afecta la profundidad de socavación; si hay ángulo sí afecta la profundidad de socavación. c) Forma de la pila.- Si la pila se diseña con el frente alineado a la dirección de la corriente se reducen las fuerzas de los vórtices y


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remolinos, reduciendo la profundidad de socavación lo mismo sucede con la parte de atrás reduciendo así los remolinos laterales. Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la profundidad de socavación. Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o máxima profundidad de socavación. Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 % menor socavación que las cuadradas las pilas de frente circular tiene aproximadamente un 10 % menor socavación que las cuadradas. El efecto de la geometría del frente de la pila en la profundidad de socavación disminuye si aumenta el ángulo de ataque del flujo.

Geometría de la fundación

Ancho Longitud Espesor Elevación con respecto

Idem a la Geometría de la pila

A sup. Del lecho. • Material de Lecho.-

Tamaño, granulometría y Cohesividad: a) El tamaño de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de Socavación.


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b) Los materiales finos (limos y arcillas), tienen profundidades semejantes a la de las arenas, aunque estén cohesionadas esto solo influye en el tiempo de Socavación. c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de Socavación.

b)

Ecuaciones para socavación en pilas.Los estudios en laboratorio de la socavación en pilas han sido extensos pero se cuenta con un limitado registro de datos de campo.

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoría para socavación de cama viva en cauces de lechos de arenas). Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable, mientras otras no la incluye tal es el caso de la ecuación De Laursen. El investigador Chang (1987), puntualizo que la ecuación de Laursen, es una caso especial de la ecuación “Colorado State University”, o “CSU” ver (tablas). En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las partículas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto de la socavación. En la actualidad existe un factor de corrección por acorazamiento que se incluye en las formulas recomendadas.


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Comparación de las formulas usadas en la socavación.

Comparación de las fórmulas de socavación

con resultados medidos en

campo.


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Valores de Ys /a Vs. Y1/a para la ecuación “C.S.U.”

•

Cálculo de la socavación local en Pilas.-

Se recomienda el uso de la ecuación CSU (agua clara o cama viva).

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda. Ys < 2.4 (a)

para

Fr <= 0.8

Ys < 3.0 (a)

para

Fr < 0.8


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Ecuación CSU modificado (a/ Y1) 0.65 Fr 1 0.43

Ys = 2.K1. K2. K3. K4 Y1 O

Ys/a = 2.K1. K2. K3. K4

(Y1 /a)

0.35

Fr1 0.43

Donde:

Ys.- Profundidad de socavación

[m]

Y1.- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m] K2.- Corrección por el ángulo de ataque del flujo K1.- Corrección por la forma de la pila (ver tabla) K3.- Corrección por la condición del lecho K4.- Corrección por la posibilidad de acorazamiento a.- Ancho de pila

[m]

Fr 1.- Número de fronde

=

V 1

(g.y1) 05 V1.- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [m/s] g.- Aceleración de la gravedad

9,81 m/s2

Con estos datos se obtiene la profundidad máxima de socavación

•

Geometría de la pila y ángulo de ataque.

El factor de corrección K 1 para tomar en cuenta la geometría del frente de la

pila, debe ser usado para ángulos de ataque de hasta 5 grados.


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Para ángulos mayores, el factor de corrección domina, se pierde el efecto de la forma de la pila y K 1 debe ser considerado como 1,0. Factor de corrección K 1 según el

Factor de corrección K 2 para el

tipo de pila

ángulo de ataque del flujo .

Tipo de pila

K1

Angulo

(a) Frente cuadrado

1.1

0

L/a=4

L/a=8

L/a=12

1.0

1.0

1.0

(b) Frente circular

1.0

15

1.5

2.0

2.5

(c) Sección circular

1.0

30

2.0

2.75

3.5

(d) Frente agudo

0.9

45

2.3

3.3

4.3

(e) Grupo de columnas

1.0

90

2.5

3.9

5.0

Angulo = Angulo de inclinación con respecto al flujo. L = longitud de la pila (largo en sentido del flujo).

a

a

(a) FRENTE CUADRADO

(b) FRENTE REDONDEADO

c) PILA CILINDRICA

L= # de ilas * a

a

(d)

L FRENTE AGUDO

(e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES


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•

Geometría común en pilas

El factor de corrección K 2 para el ángulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula.

K2= (cos θ + L/a sinθ) 0.65 Si L/a es mayor que 12 se utiliza L/a=12 como máximo. El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo. •

Condición del lecho.

Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavación de equilibrio en pilas según la configuración del lecho.

CONDICION DEL LECHO

Dunas grandes

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

H>9

1.3

Dunas de tamaño medio

9>H>3

1.1 a 1.2

Dunas pequeñas

3 > H >0.6

1.1

Lecho plano y antidunas

NA

1.1

Socavación de agua clara

NA

1.1

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la socavación máxima puede ser hasta un 10% mayor que la socavación de equilibrio.


35 35/68

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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se considera que la socavación máxima puede ser hasta un 30% mayor que la socavación de equilibrio. •

Acorazamiento.

El factor de corrección K4 disminuye las profundidades de socavación debido a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavación. Esto para materiales que tienen un D50 >= 0.06 m. La ecuación es la siguiente:

K4= (1-0.89 (1-VR)2)0.5 VR = (V1 - Vi) / (Vc90 - Vi)

Vi =0.645(D50 / a)0.053. Vc50 Donde.VR = razón de velocidades. V1 = velocidad de aproximación. (m/s) Vi = Velocidad de aproximación cuando las partículas en las pilas inician su movimiento. (m/s) Vc90 = velocidad critica para el material de tamaño D90 (m/s) Vc50 = velocidad critica para el material de tamaño D 50 (m/s) a

= ancho de la pila (m).


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Vc = 6.19 y1/6. Dc1/3

Igualmente:

Dc = tamaño critica de partículas asociado con la velocidad critica (m). Los valores máximos de K4 son como sigue.-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4 FACTOR

TAMAÑO MIN. VALOR MINIMO MAT. DE LECHO K4

K4

D50 >= 0.06m

•

0.7

VR>1.0 1.0

Influencia de la existencia de placas de fundación en la profundidad de la Socavación

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundación afecta a la socavación local.

En algunos casos esta reduce o detiene la socavación impidiendo que se produzcan los vórtices y reduciendo el agujero que se genera. En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores resultados que usando el ancho de la placa de fundación. Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de “a”, para el cálculo de la socavación local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del lecho.


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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2 cálculos: Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa. Usando como resultado la mayor profundidad de socavación.

• Velocidad promedio en la placa Expuesta:

Donde:

⎛ 10 .93Y F ⎞ + 1⎟ V F Ks ⎝ ⎠ = 10 . 93 Y V 1 ⎛ ⎞ 1 ln ⎜ + 1⎟ ⎝ Ks ⎠ ln ⎜

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [m/s]. Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila, incluyendo la socavaron por contracción y la degradación a largo plazo [m]. Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de apoyo [m/s].


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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavación), hasta la parte superior de la placa de apoyo [m]. Ks = Rugosidad del grano del lecho, normalmente tomado como el D 84 del material. •

Socavación en pilas con grupos de pilotes expuestos

Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente como se tratara de una sola pila, con un ancho igual a la proyección del ancho del grupo, ignorando el espacio entre los pilotes.

Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele trabajar como un colector de objetos cerrándose los espacios entre pilotes y provocando que actúe como una pila de mayores dimensiones.

•

Placas expuestas al Flujo

Cuando estas están más elevadas que el nivel del lecho, debe calcularse la profundidad de socavación como si la placa se encontrara sobre el lecho, si existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en la socavación.

Es conservador escoger la profundidad de socavación máxima producto de los posibles escenarios.


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•

Socavación local en columnas múltiples:

La profundidad de socavación para columnas múltiples, alineadas entre él, pero sesgadas con respecto al flujo, va a depender del espacio existente entre ellas. El factor de corrección para el ángulo de ataque del flujo, va a ser menor que si se tratara de una pila sólida, se desconoce cuanto menor.

Cuando analizamos la ecuación CSU para una pila de columnas múltiples, con una distancia menor a los 5 diámetros entre columnas, el ancho de pila “a”, debe tomarse como el ancho total proyectado, en posición normal al ángulo de ataque del flujo. Ej.: Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diámetro, espaciadas a 10 m tendrían un valor de “a”, ente 2 y 6 metros dependiendo del ángulo de ataque flujo. El factor de corrección “K”, será igual a 1.0 independientemente de la geometría de las columnas. Si el río transporta material flotante (desechos, troncos, ramas, etc.), el grupo de columnas múltiples se considera como una pila única y sólida.


40 40/68

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•

Socavación en pilas bajo flujo a presión

El flujo a presión ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido. El flujo a presión bajo el puente da como resultado una contracción del flujo bajo el puente. Cuando el flujo aguas arriba es extremo, el puente puede quedar sumergido y se da un patrón combinado de flujo de orificio y flujo sobre el puente. Con el flujo a presión, las profundidades de socavación local en las pilas son mayores que bajo condiciones de flujo normales. Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia el lecho (contracción vertical del flujo), incrementando la intensidad de los vértices tipo herradura. Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presión han determinado que la socavación en las pilas aumenta su valor de 200% a 300% de la socavación calculada en condiciones normales.


41 41/68

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•

Socavación debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad de socavación local.

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo hacia la base, de forma que se produce una mayor erosión. Si es que la acumulación de material flotante es una condición importante entonces se calcula la socavación local asumiendo un ancho de pila mayor a su ancho real. •

Ancho de los agujeros producto de la socavación

El ancho superior del agujero de socavación en materiales de lecho no cohesivo, medido a partir de un lado de la pila, puede ser estimado como sigue:

W = Ys .(K + Cotang. θ).


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Donde: W = Ancho superior del agujero de socavación medido a un lado de la pila o placa de fundación [m]. Ys = Profundidad de socavación [m]. K = Ancho de fondo del agujero de socavación como una fracción de la profundidad. θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados).

El rango en el ancho superior vario típicamente entre 1.0 a 2.8 Ys. Se recomienda para usos prácticos un ancho superior de W = 2 Ys.

6.4 Socavación Local En Estribos a)

Mecanismo de Socavación.•

El mecanismo de socavación en el extremo aguas arriba del estribo es el vórtice de herradura.

•

Aguas abajo del estribo, el flujo puede separarse del borde y producir otro vórtice (similar al vórtice lateral en pilas), y atacar el relleno de aproximación.

•

b)

La socavación puede ser de cama viva o de agua clara.

Condiciones Generales •

Tipos de estribo.- Existen en general tres tipos: a. Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados). b. Estribos verticales con paredes laterales. c. Estribos verticales sin paredes verticales.


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Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes ángulos con respecto a la dirección del flujo. •

Ubicación de los estribos.- Los estribos pueden: a. Ubicarse dentro del canal principal. b. Ubicarse en el borde del canal principal. c. Encontrarse retirados del borde del canal principal.


44 44/68

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•

El flujo puede provenir de planicies de inundación o sólo del canal principal. El que proviene de las planicies de inundación, y es encauzado para regresar al canal en la sección del puente, incrementa las profundidades de socavación, debido a que: a. Incrementa la fuerza de los vórtices. b. El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos.

•

Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de éste, presentan menos problemas de socavación de aquellos que se encuentran dentro del canal, debido a que: a. El borde del canal puede tener árboles u otro tipo de vegetación que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la socavación.

b. El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las velocidades y profundidades son menores.

c)

Ecuaciones para el cálculo de la socavación en estribos Todas las ecuaciones están basadas en resultados de laboratorio y han sido desarrolladas para predecir la socavación máxima que puede ocurrir en el estribo. •

Ecuación de Frohelich (1989)

Frohelich analizó 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas en el laboratorio sobre socavación de cama viva. La ecuación desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente:


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⎛ L' ⎞ = 2.27 K 1 K 2 ⎜⎜ ⎟⎟ Y a ⎝ Y a ⎠ Y s

0.43 0.61

Fr

+ 0.30

Donde: K 1 = Coeficiente

para tomar en cuenta el tipo de estribo. Ver Fig.

K 2 = Coeficiente para tomar en cuenta el ángulo entre el relleno de

aproximación y la dirección del flujo. ⎛ θ ⎞ K 2 = ⎜ ⎟ θ <

0.13

⎝ 90 ⎠

90° si el relleno de aproximación está dirigido aguas abajo.

θ > 90° si el relleno de aproximación está dirigido aguas arriba.

L’ = Longitud del estribo proyectado normal al flujo, m. Ae = Área del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo. Fr = Número de Froud del flujo de aproximación. Fr =

V e =

V e

(gY a )0.5 Qe Ae

m/s

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximación, m3/s Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundación, m. Ys = Profundidad máxima de socavación, m.

Descripción

K 1

Estribo Vertical

1.0

Estribo Vertical con paredes laterales

0.82

Estribo inclinado

0.55


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El término constante igual a la unidad (+0.30) de la ecuación de Frohelich, es un factor de seguridad que hace que la ecuación prediga una profundidad de socavación mayor que la que se ha medido en muchos estudios de laboratorio. Este factor fue agregado a la ecuación para cubrir el 98% de los datos. •

Ecuación HIRE

Esta ecuación, fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guía (parte frontal) en el río Mississippi. La ecuación es aplicable a estribos cuando la razón de la longitud proyectada del estribo (L’) a la profundidad del flujo ( Y 1 ) es mayor que 25.

Y s Y 1

= 4 Fr 1

0.33

K 1 K 2

0.55

Donde: Y s = Y 1

Profundidad máxima de socavación, m.

= profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundación o

en el canal principal, m. Fr 1 =

Número de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba). K 1

= coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la

tabla). En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con respecto al flujo, puede usarse la siguiente gráfica, para corregir la ecuación HIRE:


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•

Socavación de agua clara en estribo.

No se cuenta con ecuaciones confiables para el cálculo de la socavación de agua clara en bastiones. Se recomienda utilizar las ecuaciones de cama viva, presentada antes, para tener un indicador de la posible profundidad de socavación.


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7.

EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION Descripción: Se planea construir un puente de 198,12 m de longitud, y un ancho de 15,24 m con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H:1V. El bastión izquierdo se ha diseñado para ubicarse aproximadamente a 60,5 m del borde del canal principal. El bastión derecho se ubicaría justo en el borde del canal. La losa del puente (superficie de rodamiento) se ha diseñado a la elevación de 6,71 m y con un peralte de viga de 1,22 m. Seis pilas con rente redondeado se han considerado como subestructura, igualmente espaciadas entre los bastiones. Las pilas serían de 1,52 m de ancho, 12,19 m de largo, alineadas con la sección del flujo. El caudal de diseño basado en un periodo de retorno de 100 años es de 849,51 m3/s. Calcular la socavación total en la sección del puente

a) Datos conseguidos previa inspección: •

Zona rural, cuyo uso de terreno es de siembra y bosque.

•

Planicie de inundación relativamente grande, con bastante vegetación, existen canales que indican que puede ocurrir una migración lateral del canal principal.

•

Sección constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la sección donde se tiene previsto colocar el puente.

•

El diámetro medio del material del lecho (D50) y el material de la zona de inundación es de 2 mm.

•

La gravedad específica del material del lecho es de 2,65.

•

La erosión general del lecho es despreciable. Se encuentra estratos de roca a 46 m por debajo del lecho.

•

Debido a que predomina material fino K 4 = 1; el lecho plano y antidunas K3 = 1,1.


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•

Los bancos laterales están relativamente estables y con buena vegetación, sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos bancos que parecen haber sido socavadas, lo que ha provocado erosión. Algunos árboles crecen a orillas de los bancos. Estos bancos van a requerir protección de enrocado, si fueran perturbados por la construcción del puente. Esto incluye, además de aquellos que se encuentran en la zona del puente, algunos aguas arriba y aguas abajo.

b) Tengo de dato hidráulicos : Q

= 849,51 m3/s

K1

= 19000

→

transporte del canal principal

Ktotal = 39150

→

transporte total

W1

= 121,9 m

→

Ac

= 320 m2

→

Área del canal principal

P

= 122 m

→

Perímetro mojado del canal principal Sección del puente

Kc

= 11330

→

Ktotal = 12540

→

Ac

= 236 m2

→

→

Caudal total

Ancho superior del flujo, asumido como ancho efectivo

Transporte del canal principal transporte total Área del canal principal


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Wc

= 121,9 m

→

Ancho del canal, diferencia entre puntos limítrofes de

áreas que definen las márgenes en el puente W2 Sf

= 117,82 m

→

Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (6,08 m)

= 0,002 m/m

→

Pendiente promedio de energía, en el flujo no

contraído,

c) Solución : •

Determinación de condición de agua clara o cama viva :

- Calculo del caudal en la sección de aproximación ⎛ K 1 ⎞ ⎟⎟ K total ⎝ ⎠ approach

Q1 = Q⎜⎜

= 849,41 m3/s(18999,92/39151,16)

Q1 = 412,26 m3/s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal, sección de aproximación Y 1 =

Ac W 1

= (320 m2/121,9 m)

Y1 = 2,62 m - Calculo de la velocidad promedio en el canal principal, sección de aproximación

V 1 =

Q1

= (412,26m3 / s )/( 320m2)

Ac

V1 = 1,28 m/s


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- Calculo de la velocidad crítica para el movimiento de las partículas Vc = 6,19 y1 1/6D 501/3

Vc = 0,91 m/s Nótese que V1

›Vc; por lo tanto existe una condición de socavación por

contracción de cama viva en el canal principal. - Determinación de K1 •

Calculo del radio hidráulico ( canal principal en la sección de aproximación)

R =

Ac P

= 320m2/121,98m

R = 2,62 m Nótese que para el ejemplo el radio hidráulico es igual a la profundidad media. •

calculo del esfuerzo cortante γ=

•

9810 N/m3

τ

= γRSf = 51,40 Pa(N/m2)

Velocidad cortante ⎛ τ ⎞ V * = ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ ρ ⎠

0.5


= 0,23m / s

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•

Calcular V * /w W = 0,21 m/s usando la curva de velocidad de sedimentación V * /w = 1,09

•

De la tabla tenemos que K1 entre 0,5 a 2 K1= 0,64

•

Calculo del caudal en la sección de contracción Q 2 ⎛ K 2 ⎞ ⎟⎟ K ⎝ total ⎠ bridge

Q2 = Q⎜⎜

Q2 = 767,67 m3/s •

Calculo de la socavación por contracción de cama viva en el lecho 6

K 1

⎛ Q ⎞ 7 ⎛ W ⎞ = ⎜⎜ 2 ⎟⎟ ⎜⎜ 1 ⎟⎟ Y 1 ⎝ Q1 ⎠ ⎝ W 2 ⎠

Y 2

Y2 = 4,6 m Y0 = Ac/ W2 Y0 = 2 m Ys = Y2 - Y0 Ys = 2,6 m


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•

Calculo de la socavación por contracción en la zona de inundación izquierda (sección

del puente)

1. Ecuación de cursen para el calculo de la socavación de agua clara Esta ecuación se la recomienda para las zonas de inundación cuando el bastión se encuentra retirado del canal principal. En este caso ocurrirá socavación de agua clara, por cuanto la zona de inundación de la cual provienen los flujos se encuentra con vegetación. 3

⎡ ⎢ 2 ⎢ 0,025Q Y 2 = ⎢ ⎛ 2 ⎞

⎤7 ⎥ ⎥ ⎥ 2

3 ⎢ ⎜⎝ Dm ⎠⎟(W ) ⎥

⎣

⎦

Dm = 1,25 D50 Ys = Y2 - Y0 2. Variables hidráulicas obtenidas para condiciones de agua clara Q

= 849,51 m3/s

Qchan = 767,54 m3/s

→

Caudal total a través del puente

→

Flujo del canal principal en la sección del

puente determinado a partir de los cálculos de cama viva Q2

= 81,97 m3/s

→

Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente, determinando substrayendo Qchan del caudal total Dm

=

0,0025 m

→

Tamaño medio efectivo de la partícula en

la zona lateral Wsetback = 68,8 m

→

Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastión izquierdo


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Wcontracted= 65,8 m Aizq

→

Wsetback menos el ancho de dos pilas (3,04m)

= 57 m2 → Área de la zona lateral en la sección de aproximación

3. Calculo de la socavación por contracción de agua clara en la zona lateral •

Calculo de Y2 3

⎡ ⎢ ⎢ Y 2 = ⎢ ⎛

0,025Q 2

⎤7 3 ⎥ 7 ⎡ 0,025(849,51 − 767,67)2 ⎤ ⎥ ⎢ ⎥ = 1,37m = 2 ⎥ 2 ⎢ ⎥ 2 3

⎞ ⎢⎣ ⎜⎝ D ⎠⎟(W contracted ) ⎥⎦ 2

3 m

•

⎣

(0,0025) (65,76)

⎦

Cálculo de Y0 para la zona lateral: Y0 = Ac/ W2 = 0,87 m

•

Cálculo de Ys : Ys = Y2 –Y0 = 0,5 m

•

Socavación en pilas

a = 1.52 m. (ancho de pila)

Las variables hidráulicas obtenidas por un programa. Vmax = 3.73 m/s Y1

= 2.84 m


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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos: K1=1,0 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de corrección por la geometría de la pila) K2= 1,0 (la pila esta alineada con respecto al flujo) K3 = 1.1 (condición de antidunas) K4= 1,0 (corrección por acorazamiento. CANAL CON LECHO DE ARENA). - Calculo del número de froud: Fr Fr

= =

V

{g

1

* Y 1

}

0 .5

3 . 73

=

{9

. 81

m

/ s

2

(2

*

0 .5

. 84

m

)}

0 . 70666

- Uso de la ecuación C.S.U

Y S Y 1

= 2.K 1 . K 2 . K 3 . K 4 (

a Y1

⎡ 1.52 ⎤ = 2 * 1 * 1 * 1 .1 * 1 * ⎢ ⎣ 2.84 ⎥⎦ YS = 1.26 * 2.84 YS = 3.58 m

)

0.65

Fr1 0.43

0.65

* 0.70666 0.43

El ancho de la socavación se recomienda para uso práctico un ancho superior de: W= 2 Ys W = 7.16 m W total = 7.16*2+1.52 = 15.84 m


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Nota.- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo. Asumiendo que las pilas están sesgadas a 10 grados. K1=1,0 para pilas sesgadas a mas de 5 grados. K2=? COMO K2= (cos θ + L/a sin θ) 0.65 ENTONCES:

L =12.19m y a =1.52m L/a = 12.19/1.52 =8.02

K3 = 1.1 (condición de antidunas) K4= 1,0 (corrección por acorazamiento. CANAL CON LECHO DE ARENA). USO DE LA ECUACION Y S Y 1

= 2.K 1 . K

2

. K 3. K

4

(

C.S.U a

)

0.65

Fr 1 0.43

Y1 0.65 ⎡ 1.52 ⎤ = 2 * 1 * 1 . 409 * 1 . 1 * 1 * ⎢ * 0.70666 ⎥ 2.84 ⎣ ⎦

0.43

Y S = 1 . 78 * 2 . 84 Y S = 5 . 05 m

El ancho de la socavación se recomienda para uso practico un ancho superior de: W= 2 Ys W = 10.1 m W total = 10.1*2+1.52 = 21.72 m


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•

Socavación local en el estribo izquierdo

1. Ecuación de Frohelich ⎛ L' ⎞ = 2.27 K 1 K 2 ⎜⎜ ⎟⎟ Y a ⎝ Y a ⎠ Y s

0.43

Fr 0.61 + 0.30

Variables hidráulicas para la ecuación de frohelich: Qe = 148.68 m3/s Ae = 264.65 m2 L’ = 232.8 m Y1 = 0.83 m Cálculo: Corrección por el tipo de estribo (por tabla): K1 = 0.55

Corrección por la ubicación del estribo con respecto a la dirección del flujo: ⎛ θ ⎞ K 2 = ⎜ ⎟ ⎝ 90 ⎠

si

0.13

θ = 90°

⎛ 90 ⎞ K 2 = ⎜ ⎟ ⎝ 90 ⎠

0.13

= 1.0

Profundidad promedio del flujo en el estribo: Ya =

Ae L'

=

264.65m 2 232.8m

= 1.14m


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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundación obstruida por el estribo:

Ve =

Qe

=

148.66m3 / s 264.69m 2

Ae

= 0.56m / s

Número de Froud del flujo de aproximación:

Fr =

Ve

=

0.5

(gYa)

0.56m / s

[(9.81m / s )(1.14m)] 2

0.5

= 0.17

Calculo de la profundidad de socavación en el estribo: ⎛ L' ⎞ = 2.27 K 1 K 2 ⎜⎜ ⎟⎟ Y a ⎝ Y a ⎠ Y s

Y s

0.43 0.61

Fr

+ 0.30

⎛ 232.8m ⎞ = 2.27(0.55)(1.0 )⎜ ⎟

1.14 m

0.43

(0.17 )0.61 + 0.30

⎝ 1.14m ⎠

Ys = 5.1m

2. Ecuación de HIRE Y s Y 1

= 4 Fr 1

0.33

K 1 K 2

0.55

Variables hidráulicas para la ecuación de HIRE Vsub=1.29 m/s Y1 = 0.83 m


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Cálculo: L’>25Y1

⇒

232.8 m>20.75 m

Valida la ecuación de HIRE Número de froud: Fr 1 =

Vsub 0.5

(gY 1 )

=

(1.29m / s ) = 0.45 [(9.81m / s 2 )(0.83m)]0.5

Cálculo de la profundidad de socavación en el estribo: Y s Y 1

= 4 Fr 1

Y s

0.83m

0.33

K 1 K 2

0.55

= 4(0.45)

0.33

(0.55)(1.0) 0.55

Ys = 2.55m

El ancho de la socavación se recomienda para uso practico un ancho superior de: W= 2 Ys W = 5.1 m • Socavación local en el estribo derecho

1. Ecuación de HIRE Y s Y 1

= 4 Fr 1

0.33

K 1 K 2

0.55

Variables hidráulicas para la ecuación de HIRE Vsub=2.19 m/s Y1 = 1.22 m


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Cálculo: L’>25Y1 ⇒

301.7 m>30.5 m

Valida la ecuación de HIRE Número de froud:

Fr 1 =

Vsub

(gY 1 )

0.5

(2.19m / s ) = 0.63 [(9.81m / s 2 )(01.22m )]0.5

=

Cálculo de la profundidad de socavación en el estribo: Y s Y 1

= 4 Fr 1

Y s

1.22m

0.33

K 1 K 2

0.55

= 4(0.63)

0.33

(0.55)(1.0) 0.55

Ys = 4.19m

El ancho de la socavación se recomienda para uso practico un ancho superior de: W= 2 Ys W = 8.38 m Evaluación de los resultados:

•

En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien alineadas al flujo del cauce, ya que así se tiene una menor socavación.

•

La profundidad de socavación en pilas no es la esperada según el Fr que tenemos ya que este es menor de 0,8 y nuestra profundidad de socavación es mayor al 2,4 m que recomienda las investigaciones de CSU. Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad colocaremos una protección de sacos de suelo cemento alrededor de las pilas.


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•

En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuación de Frohelich da resultado más elevado que los obtenidos en laboratorio ya que en esta ecuación se adopta un coeficiente de seguridad de (+0,3) el cual fue agregado para cubrir el 98% de los datos. Por eso trabajamos en el estribo derecho con la ecuación de Hire que da datos más cerca de la realidad ya que esta ecuación fue realizada con datos de campo. Se protegerán los estribos con gaviones.

•

Según la inspección realizada al lugar se tomaran previsiones de colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosión; y en la zona donde aparecen canales naturales por donde podría desviarse el cauce se estudiará la posibilidad de colocar colchones.

•

8.

En cuanto al ancho de las socavaciones no habría ninguna superposición entre estos.

OBRAS DE CONTROL.

El diseño de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se conozcan los resultados de los estudios hidráulicos y geomorfológicos del tramo que recibe la influencia de la construcción de dichas obras. Los resultados de los estudios hidráulicos y geomorfológicos presentan pronósticos sobre la evolución futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales medios, mínimos y de creciente, niveles mínimos, máximos y medios, posibles zonas de inundación, velocidades de flujo, capacidad de transporte de sedimentos, socavación y agradación. Las obras más comunes en corrientes naturales son las siguientes:

a) Obras transversales para control torrencial. Operan como pequeñas presas vertedero. Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo en un tramo específico, aguas arriba de la obra. Actúan como estructura de control. Pueden fallar por mala cimentación, o por socavación generada inmediatamente aguas abajo.


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b) Espolones para desviación de líneas de flujo. Son estructuras agresivas que, en lo posible, deben evitarse porque pueden producir problemas erosivos sobre las márgenes del tramo aguas abajo. c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentación. Son efectivos cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de sedimentos en suspensión. Son estructuras permeables, cuyo objetivo es inducir la sedimentación en un tramo adyacente, aguas arriba de las obras. Pueden fallar por erosión en la punta del espolón o en el tramo inmediatamente aguas abajo. d) Obras marginales de encauzamiento. Son obras que se construyen para encauzar una corriente natural hacia una estructura de paso, por ejemplo un puente, box-culvert, alcantarilla, etc. Deben tener transiciones de entrada y salida. En el diseño debe considerarse que estas obras de encauzamiento producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente incremento en la socavación del lecho.

e) Obras longitudinales de protección de márgenes contra la socavación. Son muros o revestimientos, suficientemente resistentes a las fuerzas desarrolladas por el agua. En algunos casos también deben diseñarse como muros de contención. Pueden fallar por mala cimentación, volcamiento y deslizamiento. f) Acorazamiento del fondo. Consisten en refuerzo del lecho con material de tamaño adecuado, debidamente asegurado, que no pueda ser transportado como carga de fondo. Algunas veces la dinámica del río produce tramos acorazados en forma natural. El fondo acorazado es un control de la geometría del cáuce.


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g) Protección contra las inundaciones. Son obras que controlan el nivel máximo esperado dentro de la llanura de inundación. Pueden ser embalses reguladores, canales adicionales, dragados y limpieza de cáuces, o jarillones. Estas obras pueden ser efectivas para el área particular que se va a defender, pero cambian el régimen natural del flujo y tienen efectos sobre áreas aledañas, los cuales deben ser analizados antes de construir las obras.

Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes:

•

Concreto: ciclópeo, simple o reforzado. Gaviones, colchonetas.

•

Piedra suelta, piedra pegada.

•

Tablestacas metálicas o de madera.

•

Pilotes metálicos, de concreto o de madera.

•

Bolsacretos, sacos de suelo-cemento, sacos de arena.

•

Fajinas de guadua.

•

•

Elementos prefabricados de concreto: Bloques, hexápodos, etc.

h) Migración de Meandros •

De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado entre dos meandros sucesivos. En dicha ubicación los procesos erosivos son mínimos.

•

En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una curva se deben considerar trabajos de estabilización de riberas.


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•

El diseño de los trabajos de estabilización debe tomar en consideración la variación transversal del lecho que se esperan ocurrirán con su implementación.

Comparación de la curva de un río en dos situaciones: (a) Condiciones Naturales, y b) Curva estabilizada

i) Degradación del lecho. •

Minimizar el número de pilares en la sección de cruce y proveerlos de profundidades adecuadas de cimentación.

•

En canales poco anchos (< 30 m) que experimentan inestabilidad lateral con pequeñas

inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca. •

Para controlar la erosión de riberas se han empleado diques de piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes.

j) Agradación del lecho. •

En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del material depositado.

•

La constricción del cauce por medio de diques con el fin de incrementar las velocidades del flujo también ha sido utilizada.

•

Canalización del flujo.


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k) Inestabilidades locales causadas por la constricción del ancho del río y /o obstrucciones locales •

Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos.

•

Proveer de forma hidrodinámica pilares.

•

Reducir la intensidad de los vórtices aguas arriba de pilares y estribos “horse vortex” por medio de barreras aguas arriba.

l)

Efectos de remanso por alineamiento y localización .

Se pueden proveer diques de protección para salvaguardar zonas críticas contra inundaciones.

El diseño de las obras combina varias disciplinas, Hidráulica Fluvial, Geotecnia y Estructuras. La primera, como ya se ha explicado, suministra la información básica que permite determinar las condiciones de cimentación y la magnitud de las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten.


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9.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavación es muy importante ya sea para la realización de proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y así prevenir en el futuro nuevas fallas y así tener mejores ecuaciones para su determinación y tener cada vez mejores obras. En lo posible hay que tener los datos hidrológicos, hidráulicos y geomorfológicos lo mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspección del lugar para corroborar los datos que se tienen, para tener todos los datos para hacer una mejor estimación de los cambios que se irán dando en la zona con el pasar de los años y así poder darle una buena solución para minimizar los riesgos y evitar el colapso de las obras el mayor tiempo posible. Si no fuera posible tener toda la información necesaria se recomienda realizar un sondeo de la zona el cual incluye realizar los análisis requeridos, consultar con los vecinos para así tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para así estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados. En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el riesgo de socavaciones e inestabilidades, mas no son las únicas, sino las mas recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las pruebas realizadas en campo. Claro que lo ideal sería que tuviéramos análisis propios con conclusiones experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona, ya que algunas de las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por ejemplo la ecuación de Hire realizada en el rió Mississippi en EEUU. Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavación tanto para el diseño como para la conservación de las obras, en especial los puentes, puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves perjuicios económicos.


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10. BIBLIOGRAFIA •

“Estabilidad de cauces y socavación en puentes “ Nacional Highway Institute, octubre 1999.

•

“Puentes” Belmonte G. H.; Bolivia 2002

•

http://www.geocities.com/gsilvam/cauces.htm

•

“Procesos morfológicos en ríos relevantes en el diseño de puentes” M.Sc. Ing. Roberto Campaña Toro


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Socavacion en Puentes

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