74061463 socavacion en puentes

68
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 1

Upload: carlos-hv

Post on 10-Aug-2015

73 views

Category:

Documents


10 download

TRANSCRIPT

Page 1: 74061463 Socavacion en Puentes

INDICE

1 Introduccioacuten 2 Generalidades 3 Componentes de la socavacioacuten 4 Tipos de socavacioacuten

5 Disentildeo de puentes que resistan la socavacioacuten

6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten

7 Ejemplo del calculo de socavacioacuten

8 Obras de control

9 Conclusiones y recomendaciones

10 Bibliografiacutea

1

1 INTRODUCCION

La socavacioacuten ocurre cuando

La cantidad de material que puede ser transportado en la seccioacuten 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

2

2 GENERALIDADES La socavacioacuten es un problema del traacutensito de sedimentos ya que es el

resultado de la erosioacuten causada por el agua excavando y transportando material

del lecho y de los bancos de los riacuteos

La magnitud y frecuencia de estos eventos dependen de las caracteriacutesticas de la lluvia

y de la cuenca la erosioacuten pluvial y la dinaacutemica de los cauces

21 Caracteriacutesticas de la lluvia

bull Intensidad bull Duracioacuten bull Frecuencia bull Distribucioacuten temporal

22 Caracteriacutesticas de la cuenca

bull Morfometriacutea Aacuterea Longitud Pendiente Elevacioacuten media entre otras

bull Capacidad de almacenamiento Concentrado en depoacutesitos puntuales

o Distribuido sobre el aacuterea bull Clase y uso del suelo

bull Densidad del suelo

23 Erosioacuten pluvial

La magnitud de la erosioacuten pluvial depende del reacutegimen de lluvias y de la

geomorfologiacutea de la hoya vertiente La erosioacuten se cuantifica por medio del

paraacutemetro denominado peacuterdida de suelo Esta peacuterdida de suelo representa un

potencial medio de erosioacuten anual y se expresa en miliacutemetros de suelo por antildeo

(mmantildeo) Solamente una parte de este volumen llega hasta los cauces

naturales y alimenta la carga de sedimentos en suspensioacuten que transporta la

corriente

3

Los siguientes son los factores que intervienen en el caacutelculo de la Peacuterdida de

Suelo

bull Nuacutemero de aguaceros fuertes en el antildeo intensidades de los

aguaceros tamantildeo y altura de caiacuteda de las gotas de agua bull Erodabilidad del suelo bull Distribucioacuten de los cultivos bull Mantenimiento y proteccioacuten de los suelos bull Caracteriacutesticas fiacutesicas de la zona Aacuterea Longitud y Pendiente

24 Dinaacutemica de los cauces

La dinaacutemica de los cauces depende de su caracterizacioacuten hidraacuteulica la cual se

basa en los siguientes aspectos

a) Geometriacutea del cauce

Estaacute representada por la pendiente longitudinal y por las caracteriacutesticas de la

seccioacuten transversal

bull Pendiente longitudinal

En cauces naturales la pendiente longitudinal se mide a lo largo de la liacutenea del

agua debido a que el fondo no es una buena referencia tanto por su

inestabilidad como por sus irregularidades La pendiente de la liacutenea del agua

variacutea con la magnitud del caudal y esa variacioacuten es importante cuando se

presentan cambios grandes del caudal en tiempos cortos por ejemplo al paso

de crecientes

En los periacuteodos que tienen un caudal maacutes o menos estable es posible

relacionar las pendientes con los caudales utilizando registros de aforos

4

bull Seccioacuten transversal

En los cauces naturales las secciones transversales son irregulares y la

medicioacuten de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas se realiza con levantamientos

batimeacutetricos

La liacutenea que une los puntos maacutes profundos de las secciones transversales a lo

largo de la corriente se denomina thalweg En las corrientes de lecho aluvial se

observan continuacuteas variaciones en las secciones transversales y en la liacutenea del

thalweg

Las magnitudes y frecuencias de estas variaciones dependen del reacutegimen de

caudales la capacidad de transporte de sedimentos y el grado de estabilidad

del cauce

5

Capacidad de transporte-

En una corriente natural el transporte de los sedimentos se compone de carga

de fondo carga en suspensioacuten y carga en saltacioacuten la uacuteltima componente es

una combinacioacuten 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 estaacute

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

diaacutemetros mayores de 5 centiacutemetros ademaacutes de los soacutelidos que ruedan por

desequilibrio gracias al efecto de lubricacioacuten producido por el agua

Reacutegimen de flujo-

El reacutegimen de flujo en un tramo particular de una corriente natural se clasifica

en funcioacuten del Nuacutemero de Froude NF el cual es una relacioacuten adimensional

entre fuerzas de inercia y de gravedad

En el reacutegimen supercriacutetico (NF gt 1) el flujo es de alta velocidad propio de

cauces de gran pendiente o riacuteos de montantildea El flujo subcriacutetico (NF lt1)

corresponde a un reacutegimen de llanura con baja velocidad El flujo criacutetico (NF = 1)

es un estado teoacuterico en corrientes naturales y representa el punto de transicioacuten

entre los regiacutemenes subcriacutetico y supercriacutetico

6

rarr Reacutegimen torrencial o de montantildea se presentan principalmente fenoacutemenos

de socavacioacuten de fondo y erosioacuten de maacutergenes El reacutegimen torrencial se

caracteriza porque el flujo tiene una velocidad alta el nuacutemero de Froude es

mayor que 1 y la liacutenea del agua se ve afectada por la formacioacuten 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

conformacioacuten del fondo y de la potencialidad de la fuente que produce los

sedimentos El lecho del riacuteo puede ser rocoso aluvial o de material cohesivo

En el primer caso la seccioacuten 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 cohesioacuten es un factor que reduce la posibilidad de

movimiento del material de fondo en comparacioacuten con el material aluvial del

mismo tamantildeo

Debido a su gran capacidad de transporte de sedimentos los cauces de

reacutegimen torrencial presentan a lo largo de sus trayectorias fenoacutemenos de

socavacioacuten y agradacioacuten la segunda como consecuencia de la primera

7

Antes de disentildear obras para tratamiento de cauces es necesario conocer la

magnitud de la socavacioacuten Para determinar la magnitud de la socavacioacuten

general se deben realizar anaacutelisis geomorfoloacutegicos entre puntos de control o

sea entre secciones estables Estos anaacutelisis se basan en el estudio de

fotografiacuteas aeacutereas y cartografiacutea de diferentes eacutepocas y en los cambios que se

aprecien en observaciones de campo y en levantamientos topograacuteficos

rarr Reacutegimen tranquilo tambieacuten denominados de llanura las aguas se

desbordan cuando los caudales de creciente superan la capacidad a cauce

lleno Cuando la pendiente del cauce es pequentildea o cuando el flujo en el tramo

que se considera en el estudio estaacute regulado por una curva de remanso el

reacutegimen es tranquilo generalmente subcriacutetico En este caso la capacidad de

transporte de sedimentos es baja y el riacuteo puede comenzar a depositar parte de

los sedimentos de suspensioacuten y de fondo que trae desde zonas de mayor

capacidad de transporte La metodologiacutea que se utiliza para determinar las

tasas de transporte utiliza las mismas foacutermulas que se han descrito para los

tramos de reacutegimen torrencial

8

El fenoacutemeno principal que se presenta en los tramos de baja pendiente y

reacutegimen tranquilo es de agradacioacuten La magnitud de este fenoacutemeno puede

calcularse mediante controles perioacutedicos de los cambios que se producen en la

geometriacutea del cauce o con realizacioacuten de balances en tramos determinados

Para realizar los balances deben medirse los voluacutemenes de sedimentos que

entran y salen del tramo Los fenoacutemenos combinados de erosioacuten y agradacioacuten

generan cambios en la configuracioacuten del fondo y formacioacuten de brazos e islas

Estos cambios seraacuten maacutes grandes entre mayores sean las tasas de transporte

y pueden producir modificaciones importantes en el reacutegimen de flujo durante los

periacuteodos criacuteticos de estiaje y crecientes

Cuando el riacuteo 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 inundacioacuten Las cotas maacuteximas de agua en condiciones

de creciente se calculan por medio de foacutermulas de flujo variado en canales de

seccioacuten compuesta Las cotas calculadas maacutes el borde libre permiten definir

sobre la cartografiacutea de la zona la magnitud de la zona inundable para diferentes

niveles de probabilidad en condiciones de desborde no controlado

9

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 concentracioacuten

de la carga de sedimentos en suspensioacuten y en menor escala de la temperatura

En cauces limpios o sea aquellos en los que la concentracioacuten de sedimentos es

menor del 10 en volumen el agua se puede considerar como de baja

viscosidad A la temperatura de 20ordmC la viscosidad absoluta es del orden de 1

centipoise

En el caso extremo cuando se conforman flujos de lodo donde la proporcioacuten

volumeacutetrica entre el sedimento y el liacutequido sobrepasa el 80 la viscosidad

aumenta significativamente y puede llegar hasta los 4000 poises Teniendo en cuenta que las foacutermulas empiacutericas de flujo en corrientes naturales

se han desarrollado para corrientes de agua limpia es claro que las velocidades

que se calculan con estas foacutermulas resultan maacutes 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 conformacioacuten trenzada con cauce divagante

Ademaacutes el material que se deposita eleva el fondo del cauce y disminuye su

capacidad a cauce lleno

10

3 COMPONENTES DE LA SOCAVACION

La socavacioacuten se clasifica como socavacioacuten general y socavacioacuten local

31 Socavacioacuten general

Es la que se produce en lechos aluviales o cohesivos por efecto de la dinaacutemica

de la corriente y estaacute relacionada con la conformacioacuten del nivel de base Es un

fenoacutemeno a largo plazo aun cuando eventos catastroacuteficos pueden acelerarlo

La socavacioacuten general comprende deposito o remocioacuten de los materiales de

lecho- cambios a largo plazo en las elevaciones del lecho del rioacute - y la

socavacioacuten por contraccioacuten

diams El depoacutesito de materiales sube el nivel del lecho

diams La remocioacuten o degradacioacuten del lecho socava o disminuye el nivel del lecho

del rioacute

11

diams La socavacioacuten por contraccioacuten involucra la remocioacuten de materiales de lecho

en todo el ancho del canal causado por

bull Contraccioacuten natural del rioacute

bull Contraccioacuten del flujo por el puente o estructuras de aproximacioacuten

bull Islas bancos de arena bermas hielo desechos o vegetacioacuten

bull Cambios en el control aguas abajo

bull Recodos

32 Socavacioacuten local

La socavacioacuten local se presenta en sitios particulares de la corriente y es

ocasionada por el paso de crecientes y por la accioacuten de obras civiles como

obras de encauzamiento bancos guiacuteas puentes con pilas o estribos dentro del

cauce obras transversales de control etc

Para calcular la primera existe un sin nuacutemero de foacutermulas que son modificadas

continuamente por sus autores a medida que se avanza en la experimentacioacuten

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 caacutelculo de la socavacioacuten 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 foacutermulas empiacutericas que

se han desarrollado

12

33 Socavacioacuten total

La socavacioacuten total en un tramo de una corriente natural es la suma de las dos

componentes la socavacioacuten general y la socavacioacuten local

4 TIPOS DE SOCAVACION

Existen dos tipos de socavacioacuten en puentes de agua clara y de cama viva (o

lecho vivo)

41 Socavacioacuten 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 socavacioacuten Se da en cauces de

reacutegimen torrencial

Los puentes sobre lechos de material grueso generalmente presentan

socavacioacuten de agua clara en la parte inicial de una hidrografiacutea luego socavaron

de cama viva para caudales altos y finalmente una socavacioacuten de cama de

agua clara cuando lo caudales van disminuyendo

42 Socavacioacuten de agua clara

Ocurre cuando el flujo que esta causando socavacioacuten no contiene material de

lecho Esto no implica que alguacuten sedimento fino no pueda estar en movimiento

como carga lavada Se da en un cauce de reacutegimen tranquilo

Esto se ve maacutes en lechos de materiales gruesos o en zonas de inundacioacuten con

vegetacioacuten

13

Esto no indica que el agua no transporta material sino que la cantidad de

sedimentos en suspensioacuten es menor que la capacidad de transporte de

sedimentos del flujo

La socavacioacuten maacutexima de agua clara en la pila es de alrededor de un 10

mayor que la socavacioacuten de equilibrio de cama viva en esta

5 DISENtildeO DE PUENTES QUE RESISTAN LA SOCAVACIOacuteN

51 Filosofiacutea de disentildeo

a) Disentildear para que la estructura resista los efectos de una ldquosuacuteper

inundacioacutenrdquo (que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos)

b) Las fundaciones deben ser disentildeadas por un equipo

interdisciplinario que incluya ingenieros estructurales hidraacuteulicos y

geoteacutecnicos

14

c) Los estudios hidraacuteulicos son necesarios como parte del estudio

preliminar (socavacioacuten y condiciones del flujo)

d) Usar el ldquojuicio de ingenieriacuteardquo para resolver las limitaciones en

conocimientos existentes

e) Compara los resultados con la informacioacuten disponible incluyendo

bull Comportamiento de estructuras existentes en

inundaciones del pasado

bull Efectos de la regulacioacuten y control de caudales

bull Caracteriacutesticas hidroloacutegicas e historia de avenidas

de la cuenca

f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundacioacuten que tenga

una muy pequentildea probabilidad de falla por un evento extremo

52 Procedimientos general de disentildeo para controlar la socavacioacuten - Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten (TTampL)

Paso 1 Seleccionar las avenidas con periacuteodos de retorno de 100 antildeos o

menos que se espera produzcan las condiciones maacutes severas de

socavacioacuten

Paso 2 Obtener los perfiles hidraacuteulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1

para un rango de caudales

Paso 3 Estimar las profundidades de socavacioacuten total para las condiciones

maacutes criacuteticas

15

Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten

transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del

puente

Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable

Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de

socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario

a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo

b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizado

para estimar la socavacioacuten

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 socavacioacuten

Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base

de que ha ocurrido una socavacioacuten 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 degradacioacuten de

largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por

los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La

base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de

socavacioacuten total

16

b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente

el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de

roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como

soporte lateral)

c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca

erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad

de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten 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

excavacioacuten 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 degradacioacuten esto para

minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten

local resultante

Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo

a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos

b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17

veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta

informacioacuten)

c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el

Paso 7

17

d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la

socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento

extremo)

e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor

miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones

extremas

53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo

a) General

bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encima

de la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea

posible

bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un

miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando

el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos

riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos

bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien

ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el

hielo)

bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces

simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten

(redundancia)

bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben

traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede

se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos

18

praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de

socavacioacuten

bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a

socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la

solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las

condiciones del suelo

b) Pilas (Pilastras)

bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie

de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce

principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse

bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten

Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable

bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar

el hielo y materiales flotantes

bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro

particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos

grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la

estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de

pilas

c) Bastiones (Estribos)

bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las

teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe

ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones

Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas

19

medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para

resistir la socavacioacuten calculada

bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos

guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones

bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de

los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo

suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal

bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de

la que puede ocurrir en bastiones verticales

6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION

61 Metodologiacutea General-

Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es

necesario

bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal

bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales

bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a

largo plazo

bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente

en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por

degradacioacuten a largo plazo

bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variables

hidraacuteulicas

bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros

hidraacuteulicos de lecho constante ajustados

bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado

20

bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la

socavacioacuten local

62 Socavacioacuten por contraccioacuten-

Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal

principal mediante diques de aproximacioacuten al puente

a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se

encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona

mas angosta del riacuteo

b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de

inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de

aproximacioacuten 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

inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de

aproximacioacuten

21

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 Caso 2B Los bastiones restringen

en la seccioacuten del puente el paso del flujo

22

Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten

material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)

Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de

inundacioacuten el cual transporta material de lecho

a) Existen dos ecuaciones

bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)

bull Para una condicioacuten 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 partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo

Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara

Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva

ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten

Vc = 619 Y 16 D5013

Donde

Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]

Y = Profundidad del flujo [m]

D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]

23

b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-

bull Condicioacuten de cama viva_

Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)

Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)

Donde

Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]

Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]

Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]

W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]

W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el

ancho de las pilas) [m]

Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)

Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]

K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla

1

2

176

1

2

1

2

k

WW

QQ

yy

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE

DE SEDIMENTOS

lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO

05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION

gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN

SUSPENSION

24

Donde

V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)

W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]

g = Constante gravitacional (981 ms2)

S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm

t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)

r = Densidad del agua (1000 Kg m3)

1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No

es el total para el caso 1C

2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los

flujos en la planicie de inundacioacuten)

3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el

ancho de las pilas

25

4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse

disminuida por el acorazamiento del lecho

5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la

socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva

y agua clara escogiendo la mayor profundidad

6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente

si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora

disponible

bull Condicioacuten de agua clara_

Ecuacioacuten de Laursen

YS = Y2 ndash Y0

Donde

Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m

Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir

la socavacioacuten por contraccioacuten m

Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m

Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten

asociado en el ancho W m3s

D50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m

Dm = 125 D50 m

W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m

Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material

73

232

2

20250

⎟⎟

⎜⎜

⎛=

WD

QYm

26

Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse

el nivel mas bajo para los caacutelculos

En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipo

interdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc

63 Socavacioacuten En Pilas-

a) Socavacioacuten Local

bull Mecanismo de la socavacioacuten-

El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente

y a los lados de la pila)

Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado

hacia aguas abajo

Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila

ciliacutendrica

27

bull Caracteriacutestica del Flujo-

a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la

profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor

profundidad de socavacioacutenrdquo

b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente

a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede

afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten

c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con

el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se forma

un aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide

en la profundidad de socavacioacuten

d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del

puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila

a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la

Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo

con la pila

b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay

aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute

afecta la profundidad de socavacioacuten

c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la

direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y

28

remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo

sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales

Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la

profundidad de socavacioacuten

Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad

de socavacioacuten

Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor

socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene

aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas

El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de

socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo

Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho

Longitud Idem a la

Espesor Geometriacutea

Elevacioacuten con respecto de la pila

A sup Del lecho

bull Material de Lecho-

Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad

a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de

Socavacioacuten

29

b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a

la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el

tiempo de Socavacioacuten

c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de

Socavacioacuten

b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas- Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se

cuenta con un limitado registro de datos de campo

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten 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 ecuacioacuten De Laursen

El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una

caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)

En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las

partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto

de la socavacioacuten

En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se

incluye en las formulas recomendadas

30

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 2: 74061463 Socavacion en Puentes

1 INTRODUCCION

La socavacioacuten ocurre cuando

La cantidad de material que puede ser transportado en la seccioacuten 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

2

2 GENERALIDADES La socavacioacuten es un problema del traacutensito de sedimentos ya que es el

resultado de la erosioacuten causada por el agua excavando y transportando material

del lecho y de los bancos de los riacuteos

La magnitud y frecuencia de estos eventos dependen de las caracteriacutesticas de la lluvia

y de la cuenca la erosioacuten pluvial y la dinaacutemica de los cauces

21 Caracteriacutesticas de la lluvia

bull Intensidad bull Duracioacuten bull Frecuencia bull Distribucioacuten temporal

22 Caracteriacutesticas de la cuenca

bull Morfometriacutea Aacuterea Longitud Pendiente Elevacioacuten media entre otras

bull Capacidad de almacenamiento Concentrado en depoacutesitos puntuales

o Distribuido sobre el aacuterea bull Clase y uso del suelo

bull Densidad del suelo

23 Erosioacuten pluvial

La magnitud de la erosioacuten pluvial depende del reacutegimen de lluvias y de la

geomorfologiacutea de la hoya vertiente La erosioacuten se cuantifica por medio del

paraacutemetro denominado peacuterdida de suelo Esta peacuterdida de suelo representa un

potencial medio de erosioacuten anual y se expresa en miliacutemetros de suelo por antildeo

(mmantildeo) Solamente una parte de este volumen llega hasta los cauces

naturales y alimenta la carga de sedimentos en suspensioacuten que transporta la

corriente

3

Los siguientes son los factores que intervienen en el caacutelculo de la Peacuterdida de

Suelo

bull Nuacutemero de aguaceros fuertes en el antildeo intensidades de los

aguaceros tamantildeo y altura de caiacuteda de las gotas de agua bull Erodabilidad del suelo bull Distribucioacuten de los cultivos bull Mantenimiento y proteccioacuten de los suelos bull Caracteriacutesticas fiacutesicas de la zona Aacuterea Longitud y Pendiente

24 Dinaacutemica de los cauces

La dinaacutemica de los cauces depende de su caracterizacioacuten hidraacuteulica la cual se

basa en los siguientes aspectos

a) Geometriacutea del cauce

Estaacute representada por la pendiente longitudinal y por las caracteriacutesticas de la

seccioacuten transversal

bull Pendiente longitudinal

En cauces naturales la pendiente longitudinal se mide a lo largo de la liacutenea del

agua debido a que el fondo no es una buena referencia tanto por su

inestabilidad como por sus irregularidades La pendiente de la liacutenea del agua

variacutea con la magnitud del caudal y esa variacioacuten es importante cuando se

presentan cambios grandes del caudal en tiempos cortos por ejemplo al paso

de crecientes

En los periacuteodos que tienen un caudal maacutes o menos estable es posible

relacionar las pendientes con los caudales utilizando registros de aforos

4

bull Seccioacuten transversal

En los cauces naturales las secciones transversales son irregulares y la

medicioacuten de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas se realiza con levantamientos

batimeacutetricos

La liacutenea que une los puntos maacutes profundos de las secciones transversales a lo

largo de la corriente se denomina thalweg En las corrientes de lecho aluvial se

observan continuacuteas variaciones en las secciones transversales y en la liacutenea del

thalweg

Las magnitudes y frecuencias de estas variaciones dependen del reacutegimen de

caudales la capacidad de transporte de sedimentos y el grado de estabilidad

del cauce

5

Capacidad de transporte-

En una corriente natural el transporte de los sedimentos se compone de carga

de fondo carga en suspensioacuten y carga en saltacioacuten la uacuteltima componente es

una combinacioacuten 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 estaacute

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

diaacutemetros mayores de 5 centiacutemetros ademaacutes de los soacutelidos que ruedan por

desequilibrio gracias al efecto de lubricacioacuten producido por el agua

Reacutegimen de flujo-

El reacutegimen de flujo en un tramo particular de una corriente natural se clasifica

en funcioacuten del Nuacutemero de Froude NF el cual es una relacioacuten adimensional

entre fuerzas de inercia y de gravedad

En el reacutegimen supercriacutetico (NF gt 1) el flujo es de alta velocidad propio de

cauces de gran pendiente o riacuteos de montantildea El flujo subcriacutetico (NF lt1)

corresponde a un reacutegimen de llanura con baja velocidad El flujo criacutetico (NF = 1)

es un estado teoacuterico en corrientes naturales y representa el punto de transicioacuten

entre los regiacutemenes subcriacutetico y supercriacutetico

6

rarr Reacutegimen torrencial o de montantildea se presentan principalmente fenoacutemenos

de socavacioacuten de fondo y erosioacuten de maacutergenes El reacutegimen torrencial se

caracteriza porque el flujo tiene una velocidad alta el nuacutemero de Froude es

mayor que 1 y la liacutenea del agua se ve afectada por la formacioacuten 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

conformacioacuten del fondo y de la potencialidad de la fuente que produce los

sedimentos El lecho del riacuteo puede ser rocoso aluvial o de material cohesivo

En el primer caso la seccioacuten 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 cohesioacuten es un factor que reduce la posibilidad de

movimiento del material de fondo en comparacioacuten con el material aluvial del

mismo tamantildeo

Debido a su gran capacidad de transporte de sedimentos los cauces de

reacutegimen torrencial presentan a lo largo de sus trayectorias fenoacutemenos de

socavacioacuten y agradacioacuten la segunda como consecuencia de la primera

7

Antes de disentildear obras para tratamiento de cauces es necesario conocer la

magnitud de la socavacioacuten Para determinar la magnitud de la socavacioacuten

general se deben realizar anaacutelisis geomorfoloacutegicos entre puntos de control o

sea entre secciones estables Estos anaacutelisis se basan en el estudio de

fotografiacuteas aeacutereas y cartografiacutea de diferentes eacutepocas y en los cambios que se

aprecien en observaciones de campo y en levantamientos topograacuteficos

rarr Reacutegimen tranquilo tambieacuten denominados de llanura las aguas se

desbordan cuando los caudales de creciente superan la capacidad a cauce

lleno Cuando la pendiente del cauce es pequentildea o cuando el flujo en el tramo

que se considera en el estudio estaacute regulado por una curva de remanso el

reacutegimen es tranquilo generalmente subcriacutetico En este caso la capacidad de

transporte de sedimentos es baja y el riacuteo puede comenzar a depositar parte de

los sedimentos de suspensioacuten y de fondo que trae desde zonas de mayor

capacidad de transporte La metodologiacutea que se utiliza para determinar las

tasas de transporte utiliza las mismas foacutermulas que se han descrito para los

tramos de reacutegimen torrencial

8

El fenoacutemeno principal que se presenta en los tramos de baja pendiente y

reacutegimen tranquilo es de agradacioacuten La magnitud de este fenoacutemeno puede

calcularse mediante controles perioacutedicos de los cambios que se producen en la

geometriacutea del cauce o con realizacioacuten de balances en tramos determinados

Para realizar los balances deben medirse los voluacutemenes de sedimentos que

entran y salen del tramo Los fenoacutemenos combinados de erosioacuten y agradacioacuten

generan cambios en la configuracioacuten del fondo y formacioacuten de brazos e islas

Estos cambios seraacuten maacutes grandes entre mayores sean las tasas de transporte

y pueden producir modificaciones importantes en el reacutegimen de flujo durante los

periacuteodos criacuteticos de estiaje y crecientes

Cuando el riacuteo 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 inundacioacuten Las cotas maacuteximas de agua en condiciones

de creciente se calculan por medio de foacutermulas de flujo variado en canales de

seccioacuten compuesta Las cotas calculadas maacutes el borde libre permiten definir

sobre la cartografiacutea de la zona la magnitud de la zona inundable para diferentes

niveles de probabilidad en condiciones de desborde no controlado

9

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 concentracioacuten

de la carga de sedimentos en suspensioacuten y en menor escala de la temperatura

En cauces limpios o sea aquellos en los que la concentracioacuten de sedimentos es

menor del 10 en volumen el agua se puede considerar como de baja

viscosidad A la temperatura de 20ordmC la viscosidad absoluta es del orden de 1

centipoise

En el caso extremo cuando se conforman flujos de lodo donde la proporcioacuten

volumeacutetrica entre el sedimento y el liacutequido sobrepasa el 80 la viscosidad

aumenta significativamente y puede llegar hasta los 4000 poises Teniendo en cuenta que las foacutermulas empiacutericas de flujo en corrientes naturales

se han desarrollado para corrientes de agua limpia es claro que las velocidades

que se calculan con estas foacutermulas resultan maacutes 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 conformacioacuten trenzada con cauce divagante

Ademaacutes el material que se deposita eleva el fondo del cauce y disminuye su

capacidad a cauce lleno

10

3 COMPONENTES DE LA SOCAVACION

La socavacioacuten se clasifica como socavacioacuten general y socavacioacuten local

31 Socavacioacuten general

Es la que se produce en lechos aluviales o cohesivos por efecto de la dinaacutemica

de la corriente y estaacute relacionada con la conformacioacuten del nivel de base Es un

fenoacutemeno a largo plazo aun cuando eventos catastroacuteficos pueden acelerarlo

La socavacioacuten general comprende deposito o remocioacuten de los materiales de

lecho- cambios a largo plazo en las elevaciones del lecho del rioacute - y la

socavacioacuten por contraccioacuten

diams El depoacutesito de materiales sube el nivel del lecho

diams La remocioacuten o degradacioacuten del lecho socava o disminuye el nivel del lecho

del rioacute

11

diams La socavacioacuten por contraccioacuten involucra la remocioacuten de materiales de lecho

en todo el ancho del canal causado por

bull Contraccioacuten natural del rioacute

bull Contraccioacuten del flujo por el puente o estructuras de aproximacioacuten

bull Islas bancos de arena bermas hielo desechos o vegetacioacuten

bull Cambios en el control aguas abajo

bull Recodos

32 Socavacioacuten local

La socavacioacuten local se presenta en sitios particulares de la corriente y es

ocasionada por el paso de crecientes y por la accioacuten de obras civiles como

obras de encauzamiento bancos guiacuteas puentes con pilas o estribos dentro del

cauce obras transversales de control etc

Para calcular la primera existe un sin nuacutemero de foacutermulas que son modificadas

continuamente por sus autores a medida que se avanza en la experimentacioacuten

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 caacutelculo de la socavacioacuten 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 foacutermulas empiacutericas que

se han desarrollado

12

33 Socavacioacuten total

La socavacioacuten total en un tramo de una corriente natural es la suma de las dos

componentes la socavacioacuten general y la socavacioacuten local

4 TIPOS DE SOCAVACION

Existen dos tipos de socavacioacuten en puentes de agua clara y de cama viva (o

lecho vivo)

41 Socavacioacuten 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 socavacioacuten Se da en cauces de

reacutegimen torrencial

Los puentes sobre lechos de material grueso generalmente presentan

socavacioacuten de agua clara en la parte inicial de una hidrografiacutea luego socavaron

de cama viva para caudales altos y finalmente una socavacioacuten de cama de

agua clara cuando lo caudales van disminuyendo

42 Socavacioacuten de agua clara

Ocurre cuando el flujo que esta causando socavacioacuten no contiene material de

lecho Esto no implica que alguacuten sedimento fino no pueda estar en movimiento

como carga lavada Se da en un cauce de reacutegimen tranquilo

Esto se ve maacutes en lechos de materiales gruesos o en zonas de inundacioacuten con

vegetacioacuten

13

Esto no indica que el agua no transporta material sino que la cantidad de

sedimentos en suspensioacuten es menor que la capacidad de transporte de

sedimentos del flujo

La socavacioacuten maacutexima de agua clara en la pila es de alrededor de un 10

mayor que la socavacioacuten de equilibrio de cama viva en esta

5 DISENtildeO DE PUENTES QUE RESISTAN LA SOCAVACIOacuteN

51 Filosofiacutea de disentildeo

a) Disentildear para que la estructura resista los efectos de una ldquosuacuteper

inundacioacutenrdquo (que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos)

b) Las fundaciones deben ser disentildeadas por un equipo

interdisciplinario que incluya ingenieros estructurales hidraacuteulicos y

geoteacutecnicos

14

c) Los estudios hidraacuteulicos son necesarios como parte del estudio

preliminar (socavacioacuten y condiciones del flujo)

d) Usar el ldquojuicio de ingenieriacuteardquo para resolver las limitaciones en

conocimientos existentes

e) Compara los resultados con la informacioacuten disponible incluyendo

bull Comportamiento de estructuras existentes en

inundaciones del pasado

bull Efectos de la regulacioacuten y control de caudales

bull Caracteriacutesticas hidroloacutegicas e historia de avenidas

de la cuenca

f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundacioacuten que tenga

una muy pequentildea probabilidad de falla por un evento extremo

52 Procedimientos general de disentildeo para controlar la socavacioacuten - Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten (TTampL)

Paso 1 Seleccionar las avenidas con periacuteodos de retorno de 100 antildeos o

menos que se espera produzcan las condiciones maacutes severas de

socavacioacuten

Paso 2 Obtener los perfiles hidraacuteulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1

para un rango de caudales

Paso 3 Estimar las profundidades de socavacioacuten total para las condiciones

maacutes criacuteticas

15

Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten

transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del

puente

Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable

Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de

socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario

a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo

b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizado

para estimar la socavacioacuten

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 socavacioacuten

Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base

de que ha ocurrido una socavacioacuten 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 degradacioacuten de

largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por

los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La

base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de

socavacioacuten total

16

b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente

el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de

roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como

soporte lateral)

c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca

erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad

de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten 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

excavacioacuten 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 degradacioacuten esto para

minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten

local resultante

Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo

a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos

b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17

veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta

informacioacuten)

c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el

Paso 7

17

d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la

socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento

extremo)

e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor

miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones

extremas

53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo

a) General

bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encima

de la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea

posible

bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un

miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando

el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos

riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos

bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien

ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el

hielo)

bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces

simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten

(redundancia)

bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben

traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede

se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos

18

praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de

socavacioacuten

bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a

socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la

solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las

condiciones del suelo

b) Pilas (Pilastras)

bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie

de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce

principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse

bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten

Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable

bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar

el hielo y materiales flotantes

bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro

particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos

grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la

estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de

pilas

c) Bastiones (Estribos)

bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las

teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe

ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones

Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas

19

medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para

resistir la socavacioacuten calculada

bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos

guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones

bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de

los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo

suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal

bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de

la que puede ocurrir en bastiones verticales

6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION

61 Metodologiacutea General-

Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es

necesario

bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal

bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales

bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a

largo plazo

bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente

en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por

degradacioacuten a largo plazo

bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variables

hidraacuteulicas

bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros

hidraacuteulicos de lecho constante ajustados

bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado

20

bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la

socavacioacuten local

62 Socavacioacuten por contraccioacuten-

Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal

principal mediante diques de aproximacioacuten al puente

a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se

encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona

mas angosta del riacuteo

b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de

inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de

aproximacioacuten 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

inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de

aproximacioacuten

21

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 Caso 2B Los bastiones restringen

en la seccioacuten del puente el paso del flujo

22

Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten

material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)

Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de

inundacioacuten el cual transporta material de lecho

a) Existen dos ecuaciones

bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)

bull Para una condicioacuten 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 partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo

Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara

Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva

ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten

Vc = 619 Y 16 D5013

Donde

Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]

Y = Profundidad del flujo [m]

D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]

23

b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-

bull Condicioacuten de cama viva_

Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)

Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)

Donde

Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]

Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]

Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]

W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]

W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el

ancho de las pilas) [m]

Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)

Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]

K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla

1

2

176

1

2

1

2

k

WW

QQ

yy

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE

DE SEDIMENTOS

lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO

05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION

gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN

SUSPENSION

24

Donde

V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)

W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]

g = Constante gravitacional (981 ms2)

S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm

t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)

r = Densidad del agua (1000 Kg m3)

1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No

es el total para el caso 1C

2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los

flujos en la planicie de inundacioacuten)

3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el

ancho de las pilas

25

4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse

disminuida por el acorazamiento del lecho

5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la

socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva

y agua clara escogiendo la mayor profundidad

6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente

si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora

disponible

bull Condicioacuten de agua clara_

Ecuacioacuten de Laursen

YS = Y2 ndash Y0

Donde

Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m

Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir

la socavacioacuten por contraccioacuten m

Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m

Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten

asociado en el ancho W m3s

D50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m

Dm = 125 D50 m

W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m

Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material

73

232

2

20250

⎟⎟

⎜⎜

⎛=

WD

QYm

26

Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse

el nivel mas bajo para los caacutelculos

En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipo

interdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc

63 Socavacioacuten En Pilas-

a) Socavacioacuten Local

bull Mecanismo de la socavacioacuten-

El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente

y a los lados de la pila)

Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado

hacia aguas abajo

Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila

ciliacutendrica

27

bull Caracteriacutestica del Flujo-

a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la

profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor

profundidad de socavacioacutenrdquo

b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente

a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede

afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten

c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con

el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se forma

un aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide

en la profundidad de socavacioacuten

d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del

puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila

a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la

Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo

con la pila

b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay

aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute

afecta la profundidad de socavacioacuten

c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la

direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y

28

remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo

sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales

Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la

profundidad de socavacioacuten

Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad

de socavacioacuten

Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor

socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene

aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas

El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de

socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo

Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho

Longitud Idem a la

Espesor Geometriacutea

Elevacioacuten con respecto de la pila

A sup Del lecho

bull Material de Lecho-

Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad

a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de

Socavacioacuten

29

b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a

la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el

tiempo de Socavacioacuten

c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de

Socavacioacuten

b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas- Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se

cuenta con un limitado registro de datos de campo

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten 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 ecuacioacuten De Laursen

El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una

caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)

En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las

partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto

de la socavacioacuten

En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se

incluye en las formulas recomendadas

30

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 3: 74061463 Socavacion en Puentes

2 GENERALIDADES La socavacioacuten es un problema del traacutensito de sedimentos ya que es el

resultado de la erosioacuten causada por el agua excavando y transportando material

del lecho y de los bancos de los riacuteos

La magnitud y frecuencia de estos eventos dependen de las caracteriacutesticas de la lluvia

y de la cuenca la erosioacuten pluvial y la dinaacutemica de los cauces

21 Caracteriacutesticas de la lluvia

bull Intensidad bull Duracioacuten bull Frecuencia bull Distribucioacuten temporal

22 Caracteriacutesticas de la cuenca

bull Morfometriacutea Aacuterea Longitud Pendiente Elevacioacuten media entre otras

bull Capacidad de almacenamiento Concentrado en depoacutesitos puntuales

o Distribuido sobre el aacuterea bull Clase y uso del suelo

bull Densidad del suelo

23 Erosioacuten pluvial

La magnitud de la erosioacuten pluvial depende del reacutegimen de lluvias y de la

geomorfologiacutea de la hoya vertiente La erosioacuten se cuantifica por medio del

paraacutemetro denominado peacuterdida de suelo Esta peacuterdida de suelo representa un

potencial medio de erosioacuten anual y se expresa en miliacutemetros de suelo por antildeo

(mmantildeo) Solamente una parte de este volumen llega hasta los cauces

naturales y alimenta la carga de sedimentos en suspensioacuten que transporta la

corriente

3

Los siguientes son los factores que intervienen en el caacutelculo de la Peacuterdida de

Suelo

bull Nuacutemero de aguaceros fuertes en el antildeo intensidades de los

aguaceros tamantildeo y altura de caiacuteda de las gotas de agua bull Erodabilidad del suelo bull Distribucioacuten de los cultivos bull Mantenimiento y proteccioacuten de los suelos bull Caracteriacutesticas fiacutesicas de la zona Aacuterea Longitud y Pendiente

24 Dinaacutemica de los cauces

La dinaacutemica de los cauces depende de su caracterizacioacuten hidraacuteulica la cual se

basa en los siguientes aspectos

a) Geometriacutea del cauce

Estaacute representada por la pendiente longitudinal y por las caracteriacutesticas de la

seccioacuten transversal

bull Pendiente longitudinal

En cauces naturales la pendiente longitudinal se mide a lo largo de la liacutenea del

agua debido a que el fondo no es una buena referencia tanto por su

inestabilidad como por sus irregularidades La pendiente de la liacutenea del agua

variacutea con la magnitud del caudal y esa variacioacuten es importante cuando se

presentan cambios grandes del caudal en tiempos cortos por ejemplo al paso

de crecientes

En los periacuteodos que tienen un caudal maacutes o menos estable es posible

relacionar las pendientes con los caudales utilizando registros de aforos

4

bull Seccioacuten transversal

En los cauces naturales las secciones transversales son irregulares y la

medicioacuten de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas se realiza con levantamientos

batimeacutetricos

La liacutenea que une los puntos maacutes profundos de las secciones transversales a lo

largo de la corriente se denomina thalweg En las corrientes de lecho aluvial se

observan continuacuteas variaciones en las secciones transversales y en la liacutenea del

thalweg

Las magnitudes y frecuencias de estas variaciones dependen del reacutegimen de

caudales la capacidad de transporte de sedimentos y el grado de estabilidad

del cauce

5

Capacidad de transporte-

En una corriente natural el transporte de los sedimentos se compone de carga

de fondo carga en suspensioacuten y carga en saltacioacuten la uacuteltima componente es

una combinacioacuten 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 estaacute

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

diaacutemetros mayores de 5 centiacutemetros ademaacutes de los soacutelidos que ruedan por

desequilibrio gracias al efecto de lubricacioacuten producido por el agua

Reacutegimen de flujo-

El reacutegimen de flujo en un tramo particular de una corriente natural se clasifica

en funcioacuten del Nuacutemero de Froude NF el cual es una relacioacuten adimensional

entre fuerzas de inercia y de gravedad

En el reacutegimen supercriacutetico (NF gt 1) el flujo es de alta velocidad propio de

cauces de gran pendiente o riacuteos de montantildea El flujo subcriacutetico (NF lt1)

corresponde a un reacutegimen de llanura con baja velocidad El flujo criacutetico (NF = 1)

es un estado teoacuterico en corrientes naturales y representa el punto de transicioacuten

entre los regiacutemenes subcriacutetico y supercriacutetico

6

rarr Reacutegimen torrencial o de montantildea se presentan principalmente fenoacutemenos

de socavacioacuten de fondo y erosioacuten de maacutergenes El reacutegimen torrencial se

caracteriza porque el flujo tiene una velocidad alta el nuacutemero de Froude es

mayor que 1 y la liacutenea del agua se ve afectada por la formacioacuten 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

conformacioacuten del fondo y de la potencialidad de la fuente que produce los

sedimentos El lecho del riacuteo puede ser rocoso aluvial o de material cohesivo

En el primer caso la seccioacuten 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 cohesioacuten es un factor que reduce la posibilidad de

movimiento del material de fondo en comparacioacuten con el material aluvial del

mismo tamantildeo

Debido a su gran capacidad de transporte de sedimentos los cauces de

reacutegimen torrencial presentan a lo largo de sus trayectorias fenoacutemenos de

socavacioacuten y agradacioacuten la segunda como consecuencia de la primera

7

Antes de disentildear obras para tratamiento de cauces es necesario conocer la

magnitud de la socavacioacuten Para determinar la magnitud de la socavacioacuten

general se deben realizar anaacutelisis geomorfoloacutegicos entre puntos de control o

sea entre secciones estables Estos anaacutelisis se basan en el estudio de

fotografiacuteas aeacutereas y cartografiacutea de diferentes eacutepocas y en los cambios que se

aprecien en observaciones de campo y en levantamientos topograacuteficos

rarr Reacutegimen tranquilo tambieacuten denominados de llanura las aguas se

desbordan cuando los caudales de creciente superan la capacidad a cauce

lleno Cuando la pendiente del cauce es pequentildea o cuando el flujo en el tramo

que se considera en el estudio estaacute regulado por una curva de remanso el

reacutegimen es tranquilo generalmente subcriacutetico En este caso la capacidad de

transporte de sedimentos es baja y el riacuteo puede comenzar a depositar parte de

los sedimentos de suspensioacuten y de fondo que trae desde zonas de mayor

capacidad de transporte La metodologiacutea que se utiliza para determinar las

tasas de transporte utiliza las mismas foacutermulas que se han descrito para los

tramos de reacutegimen torrencial

8

El fenoacutemeno principal que se presenta en los tramos de baja pendiente y

reacutegimen tranquilo es de agradacioacuten La magnitud de este fenoacutemeno puede

calcularse mediante controles perioacutedicos de los cambios que se producen en la

geometriacutea del cauce o con realizacioacuten de balances en tramos determinados

Para realizar los balances deben medirse los voluacutemenes de sedimentos que

entran y salen del tramo Los fenoacutemenos combinados de erosioacuten y agradacioacuten

generan cambios en la configuracioacuten del fondo y formacioacuten de brazos e islas

Estos cambios seraacuten maacutes grandes entre mayores sean las tasas de transporte

y pueden producir modificaciones importantes en el reacutegimen de flujo durante los

periacuteodos criacuteticos de estiaje y crecientes

Cuando el riacuteo 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 inundacioacuten Las cotas maacuteximas de agua en condiciones

de creciente se calculan por medio de foacutermulas de flujo variado en canales de

seccioacuten compuesta Las cotas calculadas maacutes el borde libre permiten definir

sobre la cartografiacutea de la zona la magnitud de la zona inundable para diferentes

niveles de probabilidad en condiciones de desborde no controlado

9

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 concentracioacuten

de la carga de sedimentos en suspensioacuten y en menor escala de la temperatura

En cauces limpios o sea aquellos en los que la concentracioacuten de sedimentos es

menor del 10 en volumen el agua se puede considerar como de baja

viscosidad A la temperatura de 20ordmC la viscosidad absoluta es del orden de 1

centipoise

En el caso extremo cuando se conforman flujos de lodo donde la proporcioacuten

volumeacutetrica entre el sedimento y el liacutequido sobrepasa el 80 la viscosidad

aumenta significativamente y puede llegar hasta los 4000 poises Teniendo en cuenta que las foacutermulas empiacutericas de flujo en corrientes naturales

se han desarrollado para corrientes de agua limpia es claro que las velocidades

que se calculan con estas foacutermulas resultan maacutes 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 conformacioacuten trenzada con cauce divagante

Ademaacutes el material que se deposita eleva el fondo del cauce y disminuye su

capacidad a cauce lleno

10

3 COMPONENTES DE LA SOCAVACION

La socavacioacuten se clasifica como socavacioacuten general y socavacioacuten local

31 Socavacioacuten general

Es la que se produce en lechos aluviales o cohesivos por efecto de la dinaacutemica

de la corriente y estaacute relacionada con la conformacioacuten del nivel de base Es un

fenoacutemeno a largo plazo aun cuando eventos catastroacuteficos pueden acelerarlo

La socavacioacuten general comprende deposito o remocioacuten de los materiales de

lecho- cambios a largo plazo en las elevaciones del lecho del rioacute - y la

socavacioacuten por contraccioacuten

diams El depoacutesito de materiales sube el nivel del lecho

diams La remocioacuten o degradacioacuten del lecho socava o disminuye el nivel del lecho

del rioacute

11

diams La socavacioacuten por contraccioacuten involucra la remocioacuten de materiales de lecho

en todo el ancho del canal causado por

bull Contraccioacuten natural del rioacute

bull Contraccioacuten del flujo por el puente o estructuras de aproximacioacuten

bull Islas bancos de arena bermas hielo desechos o vegetacioacuten

bull Cambios en el control aguas abajo

bull Recodos

32 Socavacioacuten local

La socavacioacuten local se presenta en sitios particulares de la corriente y es

ocasionada por el paso de crecientes y por la accioacuten de obras civiles como

obras de encauzamiento bancos guiacuteas puentes con pilas o estribos dentro del

cauce obras transversales de control etc

Para calcular la primera existe un sin nuacutemero de foacutermulas que son modificadas

continuamente por sus autores a medida que se avanza en la experimentacioacuten

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 caacutelculo de la socavacioacuten 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 foacutermulas empiacutericas que

se han desarrollado

12

33 Socavacioacuten total

La socavacioacuten total en un tramo de una corriente natural es la suma de las dos

componentes la socavacioacuten general y la socavacioacuten local

4 TIPOS DE SOCAVACION

Existen dos tipos de socavacioacuten en puentes de agua clara y de cama viva (o

lecho vivo)

41 Socavacioacuten 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 socavacioacuten Se da en cauces de

reacutegimen torrencial

Los puentes sobre lechos de material grueso generalmente presentan

socavacioacuten de agua clara en la parte inicial de una hidrografiacutea luego socavaron

de cama viva para caudales altos y finalmente una socavacioacuten de cama de

agua clara cuando lo caudales van disminuyendo

42 Socavacioacuten de agua clara

Ocurre cuando el flujo que esta causando socavacioacuten no contiene material de

lecho Esto no implica que alguacuten sedimento fino no pueda estar en movimiento

como carga lavada Se da en un cauce de reacutegimen tranquilo

Esto se ve maacutes en lechos de materiales gruesos o en zonas de inundacioacuten con

vegetacioacuten

13

Esto no indica que el agua no transporta material sino que la cantidad de

sedimentos en suspensioacuten es menor que la capacidad de transporte de

sedimentos del flujo

La socavacioacuten maacutexima de agua clara en la pila es de alrededor de un 10

mayor que la socavacioacuten de equilibrio de cama viva en esta

5 DISENtildeO DE PUENTES QUE RESISTAN LA SOCAVACIOacuteN

51 Filosofiacutea de disentildeo

a) Disentildear para que la estructura resista los efectos de una ldquosuacuteper

inundacioacutenrdquo (que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos)

b) Las fundaciones deben ser disentildeadas por un equipo

interdisciplinario que incluya ingenieros estructurales hidraacuteulicos y

geoteacutecnicos

14

c) Los estudios hidraacuteulicos son necesarios como parte del estudio

preliminar (socavacioacuten y condiciones del flujo)

d) Usar el ldquojuicio de ingenieriacuteardquo para resolver las limitaciones en

conocimientos existentes

e) Compara los resultados con la informacioacuten disponible incluyendo

bull Comportamiento de estructuras existentes en

inundaciones del pasado

bull Efectos de la regulacioacuten y control de caudales

bull Caracteriacutesticas hidroloacutegicas e historia de avenidas

de la cuenca

f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundacioacuten que tenga

una muy pequentildea probabilidad de falla por un evento extremo

52 Procedimientos general de disentildeo para controlar la socavacioacuten - Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten (TTampL)

Paso 1 Seleccionar las avenidas con periacuteodos de retorno de 100 antildeos o

menos que se espera produzcan las condiciones maacutes severas de

socavacioacuten

Paso 2 Obtener los perfiles hidraacuteulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1

para un rango de caudales

Paso 3 Estimar las profundidades de socavacioacuten total para las condiciones

maacutes criacuteticas

15

Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten

transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del

puente

Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable

Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de

socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario

a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo

b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizado

para estimar la socavacioacuten

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 socavacioacuten

Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base

de que ha ocurrido una socavacioacuten 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 degradacioacuten de

largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por

los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La

base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de

socavacioacuten total

16

b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente

el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de

roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como

soporte lateral)

c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca

erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad

de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten 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

excavacioacuten 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 degradacioacuten esto para

minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten

local resultante

Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo

a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos

b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17

veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta

informacioacuten)

c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el

Paso 7

17

d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la

socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento

extremo)

e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor

miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones

extremas

53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo

a) General

bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encima

de la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea

posible

bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un

miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando

el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos

riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos

bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien

ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el

hielo)

bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces

simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten

(redundancia)

bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben

traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede

se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos

18

praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de

socavacioacuten

bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a

socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la

solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las

condiciones del suelo

b) Pilas (Pilastras)

bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie

de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce

principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse

bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten

Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable

bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar

el hielo y materiales flotantes

bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro

particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos

grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la

estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de

pilas

c) Bastiones (Estribos)

bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las

teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe

ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones

Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas

19

medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para

resistir la socavacioacuten calculada

bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos

guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones

bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de

los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo

suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal

bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de

la que puede ocurrir en bastiones verticales

6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION

61 Metodologiacutea General-

Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es

necesario

bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal

bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales

bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a

largo plazo

bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente

en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por

degradacioacuten a largo plazo

bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variables

hidraacuteulicas

bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros

hidraacuteulicos de lecho constante ajustados

bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado

20

bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la

socavacioacuten local

62 Socavacioacuten por contraccioacuten-

Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal

principal mediante diques de aproximacioacuten al puente

a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se

encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona

mas angosta del riacuteo

b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de

inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de

aproximacioacuten 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

inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de

aproximacioacuten

21

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 Caso 2B Los bastiones restringen

en la seccioacuten del puente el paso del flujo

22

Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten

material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)

Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de

inundacioacuten el cual transporta material de lecho

a) Existen dos ecuaciones

bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)

bull Para una condicioacuten 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 partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo

Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara

Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva

ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten

Vc = 619 Y 16 D5013

Donde

Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]

Y = Profundidad del flujo [m]

D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]

23

b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-

bull Condicioacuten de cama viva_

Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)

Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)

Donde

Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]

Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]

Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]

W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]

W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el

ancho de las pilas) [m]

Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)

Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]

K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla

1

2

176

1

2

1

2

k

WW

QQ

yy

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE

DE SEDIMENTOS

lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO

05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION

gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN

SUSPENSION

24

Donde

V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)

W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]

g = Constante gravitacional (981 ms2)

S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm

t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)

r = Densidad del agua (1000 Kg m3)

1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No

es el total para el caso 1C

2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los

flujos en la planicie de inundacioacuten)

3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el

ancho de las pilas

25

4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse

disminuida por el acorazamiento del lecho

5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la

socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva

y agua clara escogiendo la mayor profundidad

6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente

si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora

disponible

bull Condicioacuten de agua clara_

Ecuacioacuten de Laursen

YS = Y2 ndash Y0

Donde

Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m

Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir

la socavacioacuten por contraccioacuten m

Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m

Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten

asociado en el ancho W m3s

D50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m

Dm = 125 D50 m

W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m

Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material

73

232

2

20250

⎟⎟

⎜⎜

⎛=

WD

QYm

26

Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse

el nivel mas bajo para los caacutelculos

En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipo

interdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc

63 Socavacioacuten En Pilas-

a) Socavacioacuten Local

bull Mecanismo de la socavacioacuten-

El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente

y a los lados de la pila)

Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado

hacia aguas abajo

Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila

ciliacutendrica

27

bull Caracteriacutestica del Flujo-

a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la

profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor

profundidad de socavacioacutenrdquo

b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente

a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede

afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten

c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con

el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se forma

un aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide

en la profundidad de socavacioacuten

d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del

puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila

a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la

Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo

con la pila

b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay

aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute

afecta la profundidad de socavacioacuten

c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la

direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y

28

remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo

sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales

Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la

profundidad de socavacioacuten

Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad

de socavacioacuten

Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor

socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene

aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas

El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de

socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo

Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho

Longitud Idem a la

Espesor Geometriacutea

Elevacioacuten con respecto de la pila

A sup Del lecho

bull Material de Lecho-

Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad

a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de

Socavacioacuten

29

b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a

la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el

tiempo de Socavacioacuten

c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de

Socavacioacuten

b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas- Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se

cuenta con un limitado registro de datos de campo

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten 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 ecuacioacuten De Laursen

El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una

caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)

En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las

partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto

de la socavacioacuten

En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se

incluye en las formulas recomendadas

30

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 4: 74061463 Socavacion en Puentes

Los siguientes son los factores que intervienen en el caacutelculo de la Peacuterdida de

Suelo

bull Nuacutemero de aguaceros fuertes en el antildeo intensidades de los

aguaceros tamantildeo y altura de caiacuteda de las gotas de agua bull Erodabilidad del suelo bull Distribucioacuten de los cultivos bull Mantenimiento y proteccioacuten de los suelos bull Caracteriacutesticas fiacutesicas de la zona Aacuterea Longitud y Pendiente

24 Dinaacutemica de los cauces

La dinaacutemica de los cauces depende de su caracterizacioacuten hidraacuteulica la cual se

basa en los siguientes aspectos

a) Geometriacutea del cauce

Estaacute representada por la pendiente longitudinal y por las caracteriacutesticas de la

seccioacuten transversal

bull Pendiente longitudinal

En cauces naturales la pendiente longitudinal se mide a lo largo de la liacutenea del

agua debido a que el fondo no es una buena referencia tanto por su

inestabilidad como por sus irregularidades La pendiente de la liacutenea del agua

variacutea con la magnitud del caudal y esa variacioacuten es importante cuando se

presentan cambios grandes del caudal en tiempos cortos por ejemplo al paso

de crecientes

En los periacuteodos que tienen un caudal maacutes o menos estable es posible

relacionar las pendientes con los caudales utilizando registros de aforos

4

bull Seccioacuten transversal

En los cauces naturales las secciones transversales son irregulares y la

medicioacuten de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas se realiza con levantamientos

batimeacutetricos

La liacutenea que une los puntos maacutes profundos de las secciones transversales a lo

largo de la corriente se denomina thalweg En las corrientes de lecho aluvial se

observan continuacuteas variaciones en las secciones transversales y en la liacutenea del

thalweg

Las magnitudes y frecuencias de estas variaciones dependen del reacutegimen de

caudales la capacidad de transporte de sedimentos y el grado de estabilidad

del cauce

5

Capacidad de transporte-

En una corriente natural el transporte de los sedimentos se compone de carga

de fondo carga en suspensioacuten y carga en saltacioacuten la uacuteltima componente es

una combinacioacuten 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 estaacute

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

diaacutemetros mayores de 5 centiacutemetros ademaacutes de los soacutelidos que ruedan por

desequilibrio gracias al efecto de lubricacioacuten producido por el agua

Reacutegimen de flujo-

El reacutegimen de flujo en un tramo particular de una corriente natural se clasifica

en funcioacuten del Nuacutemero de Froude NF el cual es una relacioacuten adimensional

entre fuerzas de inercia y de gravedad

En el reacutegimen supercriacutetico (NF gt 1) el flujo es de alta velocidad propio de

cauces de gran pendiente o riacuteos de montantildea El flujo subcriacutetico (NF lt1)

corresponde a un reacutegimen de llanura con baja velocidad El flujo criacutetico (NF = 1)

es un estado teoacuterico en corrientes naturales y representa el punto de transicioacuten

entre los regiacutemenes subcriacutetico y supercriacutetico

6

rarr Reacutegimen torrencial o de montantildea se presentan principalmente fenoacutemenos

de socavacioacuten de fondo y erosioacuten de maacutergenes El reacutegimen torrencial se

caracteriza porque el flujo tiene una velocidad alta el nuacutemero de Froude es

mayor que 1 y la liacutenea del agua se ve afectada por la formacioacuten 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

conformacioacuten del fondo y de la potencialidad de la fuente que produce los

sedimentos El lecho del riacuteo puede ser rocoso aluvial o de material cohesivo

En el primer caso la seccioacuten 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 cohesioacuten es un factor que reduce la posibilidad de

movimiento del material de fondo en comparacioacuten con el material aluvial del

mismo tamantildeo

Debido a su gran capacidad de transporte de sedimentos los cauces de

reacutegimen torrencial presentan a lo largo de sus trayectorias fenoacutemenos de

socavacioacuten y agradacioacuten la segunda como consecuencia de la primera

7

Antes de disentildear obras para tratamiento de cauces es necesario conocer la

magnitud de la socavacioacuten Para determinar la magnitud de la socavacioacuten

general se deben realizar anaacutelisis geomorfoloacutegicos entre puntos de control o

sea entre secciones estables Estos anaacutelisis se basan en el estudio de

fotografiacuteas aeacutereas y cartografiacutea de diferentes eacutepocas y en los cambios que se

aprecien en observaciones de campo y en levantamientos topograacuteficos

rarr Reacutegimen tranquilo tambieacuten denominados de llanura las aguas se

desbordan cuando los caudales de creciente superan la capacidad a cauce

lleno Cuando la pendiente del cauce es pequentildea o cuando el flujo en el tramo

que se considera en el estudio estaacute regulado por una curva de remanso el

reacutegimen es tranquilo generalmente subcriacutetico En este caso la capacidad de

transporte de sedimentos es baja y el riacuteo puede comenzar a depositar parte de

los sedimentos de suspensioacuten y de fondo que trae desde zonas de mayor

capacidad de transporte La metodologiacutea que se utiliza para determinar las

tasas de transporte utiliza las mismas foacutermulas que se han descrito para los

tramos de reacutegimen torrencial

8

El fenoacutemeno principal que se presenta en los tramos de baja pendiente y

reacutegimen tranquilo es de agradacioacuten La magnitud de este fenoacutemeno puede

calcularse mediante controles perioacutedicos de los cambios que se producen en la

geometriacutea del cauce o con realizacioacuten de balances en tramos determinados

Para realizar los balances deben medirse los voluacutemenes de sedimentos que

entran y salen del tramo Los fenoacutemenos combinados de erosioacuten y agradacioacuten

generan cambios en la configuracioacuten del fondo y formacioacuten de brazos e islas

Estos cambios seraacuten maacutes grandes entre mayores sean las tasas de transporte

y pueden producir modificaciones importantes en el reacutegimen de flujo durante los

periacuteodos criacuteticos de estiaje y crecientes

Cuando el riacuteo 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 inundacioacuten Las cotas maacuteximas de agua en condiciones

de creciente se calculan por medio de foacutermulas de flujo variado en canales de

seccioacuten compuesta Las cotas calculadas maacutes el borde libre permiten definir

sobre la cartografiacutea de la zona la magnitud de la zona inundable para diferentes

niveles de probabilidad en condiciones de desborde no controlado

9

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 concentracioacuten

de la carga de sedimentos en suspensioacuten y en menor escala de la temperatura

En cauces limpios o sea aquellos en los que la concentracioacuten de sedimentos es

menor del 10 en volumen el agua se puede considerar como de baja

viscosidad A la temperatura de 20ordmC la viscosidad absoluta es del orden de 1

centipoise

En el caso extremo cuando se conforman flujos de lodo donde la proporcioacuten

volumeacutetrica entre el sedimento y el liacutequido sobrepasa el 80 la viscosidad

aumenta significativamente y puede llegar hasta los 4000 poises Teniendo en cuenta que las foacutermulas empiacutericas de flujo en corrientes naturales

se han desarrollado para corrientes de agua limpia es claro que las velocidades

que se calculan con estas foacutermulas resultan maacutes 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 conformacioacuten trenzada con cauce divagante

Ademaacutes el material que se deposita eleva el fondo del cauce y disminuye su

capacidad a cauce lleno

10

3 COMPONENTES DE LA SOCAVACION

La socavacioacuten se clasifica como socavacioacuten general y socavacioacuten local

31 Socavacioacuten general

Es la que se produce en lechos aluviales o cohesivos por efecto de la dinaacutemica

de la corriente y estaacute relacionada con la conformacioacuten del nivel de base Es un

fenoacutemeno a largo plazo aun cuando eventos catastroacuteficos pueden acelerarlo

La socavacioacuten general comprende deposito o remocioacuten de los materiales de

lecho- cambios a largo plazo en las elevaciones del lecho del rioacute - y la

socavacioacuten por contraccioacuten

diams El depoacutesito de materiales sube el nivel del lecho

diams La remocioacuten o degradacioacuten del lecho socava o disminuye el nivel del lecho

del rioacute

11

diams La socavacioacuten por contraccioacuten involucra la remocioacuten de materiales de lecho

en todo el ancho del canal causado por

bull Contraccioacuten natural del rioacute

bull Contraccioacuten del flujo por el puente o estructuras de aproximacioacuten

bull Islas bancos de arena bermas hielo desechos o vegetacioacuten

bull Cambios en el control aguas abajo

bull Recodos

32 Socavacioacuten local

La socavacioacuten local se presenta en sitios particulares de la corriente y es

ocasionada por el paso de crecientes y por la accioacuten de obras civiles como

obras de encauzamiento bancos guiacuteas puentes con pilas o estribos dentro del

cauce obras transversales de control etc

Para calcular la primera existe un sin nuacutemero de foacutermulas que son modificadas

continuamente por sus autores a medida que se avanza en la experimentacioacuten

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 caacutelculo de la socavacioacuten 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 foacutermulas empiacutericas que

se han desarrollado

12

33 Socavacioacuten total

La socavacioacuten total en un tramo de una corriente natural es la suma de las dos

componentes la socavacioacuten general y la socavacioacuten local

4 TIPOS DE SOCAVACION

Existen dos tipos de socavacioacuten en puentes de agua clara y de cama viva (o

lecho vivo)

41 Socavacioacuten 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 socavacioacuten Se da en cauces de

reacutegimen torrencial

Los puentes sobre lechos de material grueso generalmente presentan

socavacioacuten de agua clara en la parte inicial de una hidrografiacutea luego socavaron

de cama viva para caudales altos y finalmente una socavacioacuten de cama de

agua clara cuando lo caudales van disminuyendo

42 Socavacioacuten de agua clara

Ocurre cuando el flujo que esta causando socavacioacuten no contiene material de

lecho Esto no implica que alguacuten sedimento fino no pueda estar en movimiento

como carga lavada Se da en un cauce de reacutegimen tranquilo

Esto se ve maacutes en lechos de materiales gruesos o en zonas de inundacioacuten con

vegetacioacuten

13

Esto no indica que el agua no transporta material sino que la cantidad de

sedimentos en suspensioacuten es menor que la capacidad de transporte de

sedimentos del flujo

La socavacioacuten maacutexima de agua clara en la pila es de alrededor de un 10

mayor que la socavacioacuten de equilibrio de cama viva en esta

5 DISENtildeO DE PUENTES QUE RESISTAN LA SOCAVACIOacuteN

51 Filosofiacutea de disentildeo

a) Disentildear para que la estructura resista los efectos de una ldquosuacuteper

inundacioacutenrdquo (que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos)

b) Las fundaciones deben ser disentildeadas por un equipo

interdisciplinario que incluya ingenieros estructurales hidraacuteulicos y

geoteacutecnicos

14

c) Los estudios hidraacuteulicos son necesarios como parte del estudio

preliminar (socavacioacuten y condiciones del flujo)

d) Usar el ldquojuicio de ingenieriacuteardquo para resolver las limitaciones en

conocimientos existentes

e) Compara los resultados con la informacioacuten disponible incluyendo

bull Comportamiento de estructuras existentes en

inundaciones del pasado

bull Efectos de la regulacioacuten y control de caudales

bull Caracteriacutesticas hidroloacutegicas e historia de avenidas

de la cuenca

f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundacioacuten que tenga

una muy pequentildea probabilidad de falla por un evento extremo

52 Procedimientos general de disentildeo para controlar la socavacioacuten - Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten (TTampL)

Paso 1 Seleccionar las avenidas con periacuteodos de retorno de 100 antildeos o

menos que se espera produzcan las condiciones maacutes severas de

socavacioacuten

Paso 2 Obtener los perfiles hidraacuteulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1

para un rango de caudales

Paso 3 Estimar las profundidades de socavacioacuten total para las condiciones

maacutes criacuteticas

15

Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten

transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del

puente

Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable

Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de

socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario

a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo

b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizado

para estimar la socavacioacuten

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 socavacioacuten

Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base

de que ha ocurrido una socavacioacuten 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 degradacioacuten de

largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por

los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La

base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de

socavacioacuten total

16

b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente

el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de

roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como

soporte lateral)

c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca

erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad

de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten 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

excavacioacuten 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 degradacioacuten esto para

minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten

local resultante

Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo

a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos

b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17

veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta

informacioacuten)

c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el

Paso 7

17

d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la

socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento

extremo)

e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor

miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones

extremas

53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo

a) General

bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encima

de la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea

posible

bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un

miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando

el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos

riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos

bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien

ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el

hielo)

bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces

simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten

(redundancia)

bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben

traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede

se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos

18

praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de

socavacioacuten

bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a

socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la

solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las

condiciones del suelo

b) Pilas (Pilastras)

bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie

de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce

principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse

bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten

Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable

bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar

el hielo y materiales flotantes

bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro

particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos

grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la

estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de

pilas

c) Bastiones (Estribos)

bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las

teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe

ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones

Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas

19

medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para

resistir la socavacioacuten calculada

bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos

guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones

bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de

los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo

suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal

bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de

la que puede ocurrir en bastiones verticales

6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION

61 Metodologiacutea General-

Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es

necesario

bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal

bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales

bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a

largo plazo

bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente

en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por

degradacioacuten a largo plazo

bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variables

hidraacuteulicas

bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros

hidraacuteulicos de lecho constante ajustados

bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado

20

bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la

socavacioacuten local

62 Socavacioacuten por contraccioacuten-

Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal

principal mediante diques de aproximacioacuten al puente

a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se

encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona

mas angosta del riacuteo

b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de

inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de

aproximacioacuten 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

inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de

aproximacioacuten

21

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 Caso 2B Los bastiones restringen

en la seccioacuten del puente el paso del flujo

22

Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten

material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)

Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de

inundacioacuten el cual transporta material de lecho

a) Existen dos ecuaciones

bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)

bull Para una condicioacuten 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 partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo

Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara

Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva

ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten

Vc = 619 Y 16 D5013

Donde

Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]

Y = Profundidad del flujo [m]

D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]

23

b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-

bull Condicioacuten de cama viva_

Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)

Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)

Donde

Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]

Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]

Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]

W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]

W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el

ancho de las pilas) [m]

Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)

Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]

K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla

1

2

176

1

2

1

2

k

WW

QQ

yy

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE

DE SEDIMENTOS

lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO

05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION

gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN

SUSPENSION

24

Donde

V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)

W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]

g = Constante gravitacional (981 ms2)

S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm

t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)

r = Densidad del agua (1000 Kg m3)

1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No

es el total para el caso 1C

2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los

flujos en la planicie de inundacioacuten)

3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el

ancho de las pilas

25

4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse

disminuida por el acorazamiento del lecho

5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la

socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva

y agua clara escogiendo la mayor profundidad

6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente

si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora

disponible

bull Condicioacuten de agua clara_

Ecuacioacuten de Laursen

YS = Y2 ndash Y0

Donde

Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m

Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir

la socavacioacuten por contraccioacuten m

Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m

Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten

asociado en el ancho W m3s

D50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m

Dm = 125 D50 m

W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m

Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material

73

232

2

20250

⎟⎟

⎜⎜

⎛=

WD

QYm

26

Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse

el nivel mas bajo para los caacutelculos

En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipo

interdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc

63 Socavacioacuten En Pilas-

a) Socavacioacuten Local

bull Mecanismo de la socavacioacuten-

El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente

y a los lados de la pila)

Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado

hacia aguas abajo

Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila

ciliacutendrica

27

bull Caracteriacutestica del Flujo-

a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la

profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor

profundidad de socavacioacutenrdquo

b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente

a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede

afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten

c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con

el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se forma

un aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide

en la profundidad de socavacioacuten

d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del

puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila

a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la

Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo

con la pila

b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay

aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute

afecta la profundidad de socavacioacuten

c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la

direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y

28

remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo

sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales

Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la

profundidad de socavacioacuten

Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad

de socavacioacuten

Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor

socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene

aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas

El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de

socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo

Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho

Longitud Idem a la

Espesor Geometriacutea

Elevacioacuten con respecto de la pila

A sup Del lecho

bull Material de Lecho-

Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad

a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de

Socavacioacuten

29

b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a

la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el

tiempo de Socavacioacuten

c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de

Socavacioacuten

b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas- Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se

cuenta con un limitado registro de datos de campo

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten 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 ecuacioacuten De Laursen

El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una

caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)

En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las

partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto

de la socavacioacuten

En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se

incluye en las formulas recomendadas

30

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 5: 74061463 Socavacion en Puentes

bull Seccioacuten transversal

En los cauces naturales las secciones transversales son irregulares y la

medicioacuten de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas se realiza con levantamientos

batimeacutetricos

La liacutenea que une los puntos maacutes profundos de las secciones transversales a lo

largo de la corriente se denomina thalweg En las corrientes de lecho aluvial se

observan continuacuteas variaciones en las secciones transversales y en la liacutenea del

thalweg

Las magnitudes y frecuencias de estas variaciones dependen del reacutegimen de

caudales la capacidad de transporte de sedimentos y el grado de estabilidad

del cauce

5

Capacidad de transporte-

En una corriente natural el transporte de los sedimentos se compone de carga

de fondo carga en suspensioacuten y carga en saltacioacuten la uacuteltima componente es

una combinacioacuten 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 estaacute

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

diaacutemetros mayores de 5 centiacutemetros ademaacutes de los soacutelidos que ruedan por

desequilibrio gracias al efecto de lubricacioacuten producido por el agua

Reacutegimen de flujo-

El reacutegimen de flujo en un tramo particular de una corriente natural se clasifica

en funcioacuten del Nuacutemero de Froude NF el cual es una relacioacuten adimensional

entre fuerzas de inercia y de gravedad

En el reacutegimen supercriacutetico (NF gt 1) el flujo es de alta velocidad propio de

cauces de gran pendiente o riacuteos de montantildea El flujo subcriacutetico (NF lt1)

corresponde a un reacutegimen de llanura con baja velocidad El flujo criacutetico (NF = 1)

es un estado teoacuterico en corrientes naturales y representa el punto de transicioacuten

entre los regiacutemenes subcriacutetico y supercriacutetico

6

rarr Reacutegimen torrencial o de montantildea se presentan principalmente fenoacutemenos

de socavacioacuten de fondo y erosioacuten de maacutergenes El reacutegimen torrencial se

caracteriza porque el flujo tiene una velocidad alta el nuacutemero de Froude es

mayor que 1 y la liacutenea del agua se ve afectada por la formacioacuten 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

conformacioacuten del fondo y de la potencialidad de la fuente que produce los

sedimentos El lecho del riacuteo puede ser rocoso aluvial o de material cohesivo

En el primer caso la seccioacuten 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 cohesioacuten es un factor que reduce la posibilidad de

movimiento del material de fondo en comparacioacuten con el material aluvial del

mismo tamantildeo

Debido a su gran capacidad de transporte de sedimentos los cauces de

reacutegimen torrencial presentan a lo largo de sus trayectorias fenoacutemenos de

socavacioacuten y agradacioacuten la segunda como consecuencia de la primera

7

Antes de disentildear obras para tratamiento de cauces es necesario conocer la

magnitud de la socavacioacuten Para determinar la magnitud de la socavacioacuten

general se deben realizar anaacutelisis geomorfoloacutegicos entre puntos de control o

sea entre secciones estables Estos anaacutelisis se basan en el estudio de

fotografiacuteas aeacutereas y cartografiacutea de diferentes eacutepocas y en los cambios que se

aprecien en observaciones de campo y en levantamientos topograacuteficos

rarr Reacutegimen tranquilo tambieacuten denominados de llanura las aguas se

desbordan cuando los caudales de creciente superan la capacidad a cauce

lleno Cuando la pendiente del cauce es pequentildea o cuando el flujo en el tramo

que se considera en el estudio estaacute regulado por una curva de remanso el

reacutegimen es tranquilo generalmente subcriacutetico En este caso la capacidad de

transporte de sedimentos es baja y el riacuteo puede comenzar a depositar parte de

los sedimentos de suspensioacuten y de fondo que trae desde zonas de mayor

capacidad de transporte La metodologiacutea que se utiliza para determinar las

tasas de transporte utiliza las mismas foacutermulas que se han descrito para los

tramos de reacutegimen torrencial

8

El fenoacutemeno principal que se presenta en los tramos de baja pendiente y

reacutegimen tranquilo es de agradacioacuten La magnitud de este fenoacutemeno puede

calcularse mediante controles perioacutedicos de los cambios que se producen en la

geometriacutea del cauce o con realizacioacuten de balances en tramos determinados

Para realizar los balances deben medirse los voluacutemenes de sedimentos que

entran y salen del tramo Los fenoacutemenos combinados de erosioacuten y agradacioacuten

generan cambios en la configuracioacuten del fondo y formacioacuten de brazos e islas

Estos cambios seraacuten maacutes grandes entre mayores sean las tasas de transporte

y pueden producir modificaciones importantes en el reacutegimen de flujo durante los

periacuteodos criacuteticos de estiaje y crecientes

Cuando el riacuteo 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 inundacioacuten Las cotas maacuteximas de agua en condiciones

de creciente se calculan por medio de foacutermulas de flujo variado en canales de

seccioacuten compuesta Las cotas calculadas maacutes el borde libre permiten definir

sobre la cartografiacutea de la zona la magnitud de la zona inundable para diferentes

niveles de probabilidad en condiciones de desborde no controlado

9

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 concentracioacuten

de la carga de sedimentos en suspensioacuten y en menor escala de la temperatura

En cauces limpios o sea aquellos en los que la concentracioacuten de sedimentos es

menor del 10 en volumen el agua se puede considerar como de baja

viscosidad A la temperatura de 20ordmC la viscosidad absoluta es del orden de 1

centipoise

En el caso extremo cuando se conforman flujos de lodo donde la proporcioacuten

volumeacutetrica entre el sedimento y el liacutequido sobrepasa el 80 la viscosidad

aumenta significativamente y puede llegar hasta los 4000 poises Teniendo en cuenta que las foacutermulas empiacutericas de flujo en corrientes naturales

se han desarrollado para corrientes de agua limpia es claro que las velocidades

que se calculan con estas foacutermulas resultan maacutes 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 conformacioacuten trenzada con cauce divagante

Ademaacutes el material que se deposita eleva el fondo del cauce y disminuye su

capacidad a cauce lleno

10

3 COMPONENTES DE LA SOCAVACION

La socavacioacuten se clasifica como socavacioacuten general y socavacioacuten local

31 Socavacioacuten general

Es la que se produce en lechos aluviales o cohesivos por efecto de la dinaacutemica

de la corriente y estaacute relacionada con la conformacioacuten del nivel de base Es un

fenoacutemeno a largo plazo aun cuando eventos catastroacuteficos pueden acelerarlo

La socavacioacuten general comprende deposito o remocioacuten de los materiales de

lecho- cambios a largo plazo en las elevaciones del lecho del rioacute - y la

socavacioacuten por contraccioacuten

diams El depoacutesito de materiales sube el nivel del lecho

diams La remocioacuten o degradacioacuten del lecho socava o disminuye el nivel del lecho

del rioacute

11

diams La socavacioacuten por contraccioacuten involucra la remocioacuten de materiales de lecho

en todo el ancho del canal causado por

bull Contraccioacuten natural del rioacute

bull Contraccioacuten del flujo por el puente o estructuras de aproximacioacuten

bull Islas bancos de arena bermas hielo desechos o vegetacioacuten

bull Cambios en el control aguas abajo

bull Recodos

32 Socavacioacuten local

La socavacioacuten local se presenta en sitios particulares de la corriente y es

ocasionada por el paso de crecientes y por la accioacuten de obras civiles como

obras de encauzamiento bancos guiacuteas puentes con pilas o estribos dentro del

cauce obras transversales de control etc

Para calcular la primera existe un sin nuacutemero de foacutermulas que son modificadas

continuamente por sus autores a medida que se avanza en la experimentacioacuten

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 caacutelculo de la socavacioacuten 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 foacutermulas empiacutericas que

se han desarrollado

12

33 Socavacioacuten total

La socavacioacuten total en un tramo de una corriente natural es la suma de las dos

componentes la socavacioacuten general y la socavacioacuten local

4 TIPOS DE SOCAVACION

Existen dos tipos de socavacioacuten en puentes de agua clara y de cama viva (o

lecho vivo)

41 Socavacioacuten 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 socavacioacuten Se da en cauces de

reacutegimen torrencial

Los puentes sobre lechos de material grueso generalmente presentan

socavacioacuten de agua clara en la parte inicial de una hidrografiacutea luego socavaron

de cama viva para caudales altos y finalmente una socavacioacuten de cama de

agua clara cuando lo caudales van disminuyendo

42 Socavacioacuten de agua clara

Ocurre cuando el flujo que esta causando socavacioacuten no contiene material de

lecho Esto no implica que alguacuten sedimento fino no pueda estar en movimiento

como carga lavada Se da en un cauce de reacutegimen tranquilo

Esto se ve maacutes en lechos de materiales gruesos o en zonas de inundacioacuten con

vegetacioacuten

13

Esto no indica que el agua no transporta material sino que la cantidad de

sedimentos en suspensioacuten es menor que la capacidad de transporte de

sedimentos del flujo

La socavacioacuten maacutexima de agua clara en la pila es de alrededor de un 10

mayor que la socavacioacuten de equilibrio de cama viva en esta

5 DISENtildeO DE PUENTES QUE RESISTAN LA SOCAVACIOacuteN

51 Filosofiacutea de disentildeo

a) Disentildear para que la estructura resista los efectos de una ldquosuacuteper

inundacioacutenrdquo (que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos)

b) Las fundaciones deben ser disentildeadas por un equipo

interdisciplinario que incluya ingenieros estructurales hidraacuteulicos y

geoteacutecnicos

14

c) Los estudios hidraacuteulicos son necesarios como parte del estudio

preliminar (socavacioacuten y condiciones del flujo)

d) Usar el ldquojuicio de ingenieriacuteardquo para resolver las limitaciones en

conocimientos existentes

e) Compara los resultados con la informacioacuten disponible incluyendo

bull Comportamiento de estructuras existentes en

inundaciones del pasado

bull Efectos de la regulacioacuten y control de caudales

bull Caracteriacutesticas hidroloacutegicas e historia de avenidas

de la cuenca

f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundacioacuten que tenga

una muy pequentildea probabilidad de falla por un evento extremo

52 Procedimientos general de disentildeo para controlar la socavacioacuten - Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten (TTampL)

Paso 1 Seleccionar las avenidas con periacuteodos de retorno de 100 antildeos o

menos que se espera produzcan las condiciones maacutes severas de

socavacioacuten

Paso 2 Obtener los perfiles hidraacuteulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1

para un rango de caudales

Paso 3 Estimar las profundidades de socavacioacuten total para las condiciones

maacutes criacuteticas

15

Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten

transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del

puente

Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable

Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de

socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario

a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo

b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizado

para estimar la socavacioacuten

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 socavacioacuten

Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base

de que ha ocurrido una socavacioacuten 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 degradacioacuten de

largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por

los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La

base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de

socavacioacuten total

16

b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente

el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de

roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como

soporte lateral)

c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca

erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad

de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten 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

excavacioacuten 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 degradacioacuten esto para

minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten

local resultante

Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo

a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos

b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17

veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta

informacioacuten)

c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el

Paso 7

17

d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la

socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento

extremo)

e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor

miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones

extremas

53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo

a) General

bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encima

de la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea

posible

bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un

miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando

el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos

riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos

bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien

ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el

hielo)

bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces

simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten

(redundancia)

bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben

traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede

se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos

18

praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de

socavacioacuten

bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a

socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la

solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las

condiciones del suelo

b) Pilas (Pilastras)

bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie

de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce

principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse

bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten

Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable

bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar

el hielo y materiales flotantes

bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro

particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos

grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la

estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de

pilas

c) Bastiones (Estribos)

bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las

teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe

ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones

Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas

19

medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para

resistir la socavacioacuten calculada

bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos

guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones

bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de

los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo

suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal

bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de

la que puede ocurrir en bastiones verticales

6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION

61 Metodologiacutea General-

Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es

necesario

bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal

bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales

bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a

largo plazo

bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente

en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por

degradacioacuten a largo plazo

bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variables

hidraacuteulicas

bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros

hidraacuteulicos de lecho constante ajustados

bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado

20

bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la

socavacioacuten local

62 Socavacioacuten por contraccioacuten-

Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal

principal mediante diques de aproximacioacuten al puente

a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se

encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona

mas angosta del riacuteo

b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de

inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de

aproximacioacuten 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

inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de

aproximacioacuten

21

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 Caso 2B Los bastiones restringen

en la seccioacuten del puente el paso del flujo

22

Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten

material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)

Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de

inundacioacuten el cual transporta material de lecho

a) Existen dos ecuaciones

bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)

bull Para una condicioacuten 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 partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo

Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara

Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva

ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten

Vc = 619 Y 16 D5013

Donde

Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]

Y = Profundidad del flujo [m]

D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]

23

b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-

bull Condicioacuten de cama viva_

Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)

Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)

Donde

Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]

Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]

Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]

W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]

W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el

ancho de las pilas) [m]

Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)

Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]

K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla

1

2

176

1

2

1

2

k

WW

QQ

yy

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE

DE SEDIMENTOS

lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO

05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION

gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN

SUSPENSION

24

Donde

V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)

W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]

g = Constante gravitacional (981 ms2)

S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm

t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)

r = Densidad del agua (1000 Kg m3)

1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No

es el total para el caso 1C

2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los

flujos en la planicie de inundacioacuten)

3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el

ancho de las pilas

25

4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse

disminuida por el acorazamiento del lecho

5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la

socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva

y agua clara escogiendo la mayor profundidad

6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente

si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora

disponible

bull Condicioacuten de agua clara_

Ecuacioacuten de Laursen

YS = Y2 ndash Y0

Donde

Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m

Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir

la socavacioacuten por contraccioacuten m

Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m

Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten

asociado en el ancho W m3s

D50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m

Dm = 125 D50 m

W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m

Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material

73

232

2

20250

⎟⎟

⎜⎜

⎛=

WD

QYm

26

Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse

el nivel mas bajo para los caacutelculos

En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipo

interdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc

63 Socavacioacuten En Pilas-

a) Socavacioacuten Local

bull Mecanismo de la socavacioacuten-

El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente

y a los lados de la pila)

Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado

hacia aguas abajo

Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila

ciliacutendrica

27

bull Caracteriacutestica del Flujo-

a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la

profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor

profundidad de socavacioacutenrdquo

b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente

a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede

afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten

c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con

el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se forma

un aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide

en la profundidad de socavacioacuten

d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del

puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila

a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la

Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo

con la pila

b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay

aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute

afecta la profundidad de socavacioacuten

c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la

direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y

28

remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo

sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales

Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la

profundidad de socavacioacuten

Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad

de socavacioacuten

Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor

socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene

aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas

El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de

socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo

Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho

Longitud Idem a la

Espesor Geometriacutea

Elevacioacuten con respecto de la pila

A sup Del lecho

bull Material de Lecho-

Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad

a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de

Socavacioacuten

29

b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a

la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el

tiempo de Socavacioacuten

c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de

Socavacioacuten

b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas- Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se

cuenta con un limitado registro de datos de campo

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten 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 ecuacioacuten De Laursen

El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una

caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)

En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las

partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto

de la socavacioacuten

En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se

incluye en las formulas recomendadas

30

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 6: 74061463 Socavacion en Puentes

Capacidad de transporte-

En una corriente natural el transporte de los sedimentos se compone de carga

de fondo carga en suspensioacuten y carga en saltacioacuten la uacuteltima componente es

una combinacioacuten 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 estaacute

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

diaacutemetros mayores de 5 centiacutemetros ademaacutes de los soacutelidos que ruedan por

desequilibrio gracias al efecto de lubricacioacuten producido por el agua

Reacutegimen de flujo-

El reacutegimen de flujo en un tramo particular de una corriente natural se clasifica

en funcioacuten del Nuacutemero de Froude NF el cual es una relacioacuten adimensional

entre fuerzas de inercia y de gravedad

En el reacutegimen supercriacutetico (NF gt 1) el flujo es de alta velocidad propio de

cauces de gran pendiente o riacuteos de montantildea El flujo subcriacutetico (NF lt1)

corresponde a un reacutegimen de llanura con baja velocidad El flujo criacutetico (NF = 1)

es un estado teoacuterico en corrientes naturales y representa el punto de transicioacuten

entre los regiacutemenes subcriacutetico y supercriacutetico

6

rarr Reacutegimen torrencial o de montantildea se presentan principalmente fenoacutemenos

de socavacioacuten de fondo y erosioacuten de maacutergenes El reacutegimen torrencial se

caracteriza porque el flujo tiene una velocidad alta el nuacutemero de Froude es

mayor que 1 y la liacutenea del agua se ve afectada por la formacioacuten 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

conformacioacuten del fondo y de la potencialidad de la fuente que produce los

sedimentos El lecho del riacuteo puede ser rocoso aluvial o de material cohesivo

En el primer caso la seccioacuten 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 cohesioacuten es un factor que reduce la posibilidad de

movimiento del material de fondo en comparacioacuten con el material aluvial del

mismo tamantildeo

Debido a su gran capacidad de transporte de sedimentos los cauces de

reacutegimen torrencial presentan a lo largo de sus trayectorias fenoacutemenos de

socavacioacuten y agradacioacuten la segunda como consecuencia de la primera

7

Antes de disentildear obras para tratamiento de cauces es necesario conocer la

magnitud de la socavacioacuten Para determinar la magnitud de la socavacioacuten

general se deben realizar anaacutelisis geomorfoloacutegicos entre puntos de control o

sea entre secciones estables Estos anaacutelisis se basan en el estudio de

fotografiacuteas aeacutereas y cartografiacutea de diferentes eacutepocas y en los cambios que se

aprecien en observaciones de campo y en levantamientos topograacuteficos

rarr Reacutegimen tranquilo tambieacuten denominados de llanura las aguas se

desbordan cuando los caudales de creciente superan la capacidad a cauce

lleno Cuando la pendiente del cauce es pequentildea o cuando el flujo en el tramo

que se considera en el estudio estaacute regulado por una curva de remanso el

reacutegimen es tranquilo generalmente subcriacutetico En este caso la capacidad de

transporte de sedimentos es baja y el riacuteo puede comenzar a depositar parte de

los sedimentos de suspensioacuten y de fondo que trae desde zonas de mayor

capacidad de transporte La metodologiacutea que se utiliza para determinar las

tasas de transporte utiliza las mismas foacutermulas que se han descrito para los

tramos de reacutegimen torrencial

8

El fenoacutemeno principal que se presenta en los tramos de baja pendiente y

reacutegimen tranquilo es de agradacioacuten La magnitud de este fenoacutemeno puede

calcularse mediante controles perioacutedicos de los cambios que se producen en la

geometriacutea del cauce o con realizacioacuten de balances en tramos determinados

Para realizar los balances deben medirse los voluacutemenes de sedimentos que

entran y salen del tramo Los fenoacutemenos combinados de erosioacuten y agradacioacuten

generan cambios en la configuracioacuten del fondo y formacioacuten de brazos e islas

Estos cambios seraacuten maacutes grandes entre mayores sean las tasas de transporte

y pueden producir modificaciones importantes en el reacutegimen de flujo durante los

periacuteodos criacuteticos de estiaje y crecientes

Cuando el riacuteo 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 inundacioacuten Las cotas maacuteximas de agua en condiciones

de creciente se calculan por medio de foacutermulas de flujo variado en canales de

seccioacuten compuesta Las cotas calculadas maacutes el borde libre permiten definir

sobre la cartografiacutea de la zona la magnitud de la zona inundable para diferentes

niveles de probabilidad en condiciones de desborde no controlado

9

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 concentracioacuten

de la carga de sedimentos en suspensioacuten y en menor escala de la temperatura

En cauces limpios o sea aquellos en los que la concentracioacuten de sedimentos es

menor del 10 en volumen el agua se puede considerar como de baja

viscosidad A la temperatura de 20ordmC la viscosidad absoluta es del orden de 1

centipoise

En el caso extremo cuando se conforman flujos de lodo donde la proporcioacuten

volumeacutetrica entre el sedimento y el liacutequido sobrepasa el 80 la viscosidad

aumenta significativamente y puede llegar hasta los 4000 poises Teniendo en cuenta que las foacutermulas empiacutericas de flujo en corrientes naturales

se han desarrollado para corrientes de agua limpia es claro que las velocidades

que se calculan con estas foacutermulas resultan maacutes 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 conformacioacuten trenzada con cauce divagante

Ademaacutes el material que se deposita eleva el fondo del cauce y disminuye su

capacidad a cauce lleno

10

3 COMPONENTES DE LA SOCAVACION

La socavacioacuten se clasifica como socavacioacuten general y socavacioacuten local

31 Socavacioacuten general

Es la que se produce en lechos aluviales o cohesivos por efecto de la dinaacutemica

de la corriente y estaacute relacionada con la conformacioacuten del nivel de base Es un

fenoacutemeno a largo plazo aun cuando eventos catastroacuteficos pueden acelerarlo

La socavacioacuten general comprende deposito o remocioacuten de los materiales de

lecho- cambios a largo plazo en las elevaciones del lecho del rioacute - y la

socavacioacuten por contraccioacuten

diams El depoacutesito de materiales sube el nivel del lecho

diams La remocioacuten o degradacioacuten del lecho socava o disminuye el nivel del lecho

del rioacute

11

diams La socavacioacuten por contraccioacuten involucra la remocioacuten de materiales de lecho

en todo el ancho del canal causado por

bull Contraccioacuten natural del rioacute

bull Contraccioacuten del flujo por el puente o estructuras de aproximacioacuten

bull Islas bancos de arena bermas hielo desechos o vegetacioacuten

bull Cambios en el control aguas abajo

bull Recodos

32 Socavacioacuten local

La socavacioacuten local se presenta en sitios particulares de la corriente y es

ocasionada por el paso de crecientes y por la accioacuten de obras civiles como

obras de encauzamiento bancos guiacuteas puentes con pilas o estribos dentro del

cauce obras transversales de control etc

Para calcular la primera existe un sin nuacutemero de foacutermulas que son modificadas

continuamente por sus autores a medida que se avanza en la experimentacioacuten

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 caacutelculo de la socavacioacuten 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 foacutermulas empiacutericas que

se han desarrollado

12

33 Socavacioacuten total

La socavacioacuten total en un tramo de una corriente natural es la suma de las dos

componentes la socavacioacuten general y la socavacioacuten local

4 TIPOS DE SOCAVACION

Existen dos tipos de socavacioacuten en puentes de agua clara y de cama viva (o

lecho vivo)

41 Socavacioacuten 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 socavacioacuten Se da en cauces de

reacutegimen torrencial

Los puentes sobre lechos de material grueso generalmente presentan

socavacioacuten de agua clara en la parte inicial de una hidrografiacutea luego socavaron

de cama viva para caudales altos y finalmente una socavacioacuten de cama de

agua clara cuando lo caudales van disminuyendo

42 Socavacioacuten de agua clara

Ocurre cuando el flujo que esta causando socavacioacuten no contiene material de

lecho Esto no implica que alguacuten sedimento fino no pueda estar en movimiento

como carga lavada Se da en un cauce de reacutegimen tranquilo

Esto se ve maacutes en lechos de materiales gruesos o en zonas de inundacioacuten con

vegetacioacuten

13

Esto no indica que el agua no transporta material sino que la cantidad de

sedimentos en suspensioacuten es menor que la capacidad de transporte de

sedimentos del flujo

La socavacioacuten maacutexima de agua clara en la pila es de alrededor de un 10

mayor que la socavacioacuten de equilibrio de cama viva en esta

5 DISENtildeO DE PUENTES QUE RESISTAN LA SOCAVACIOacuteN

51 Filosofiacutea de disentildeo

a) Disentildear para que la estructura resista los efectos de una ldquosuacuteper

inundacioacutenrdquo (que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos)

b) Las fundaciones deben ser disentildeadas por un equipo

interdisciplinario que incluya ingenieros estructurales hidraacuteulicos y

geoteacutecnicos

14

c) Los estudios hidraacuteulicos son necesarios como parte del estudio

preliminar (socavacioacuten y condiciones del flujo)

d) Usar el ldquojuicio de ingenieriacuteardquo para resolver las limitaciones en

conocimientos existentes

e) Compara los resultados con la informacioacuten disponible incluyendo

bull Comportamiento de estructuras existentes en

inundaciones del pasado

bull Efectos de la regulacioacuten y control de caudales

bull Caracteriacutesticas hidroloacutegicas e historia de avenidas

de la cuenca

f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundacioacuten que tenga

una muy pequentildea probabilidad de falla por un evento extremo

52 Procedimientos general de disentildeo para controlar la socavacioacuten - Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten (TTampL)

Paso 1 Seleccionar las avenidas con periacuteodos de retorno de 100 antildeos o

menos que se espera produzcan las condiciones maacutes severas de

socavacioacuten

Paso 2 Obtener los perfiles hidraacuteulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1

para un rango de caudales

Paso 3 Estimar las profundidades de socavacioacuten total para las condiciones

maacutes criacuteticas

15

Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten

transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del

puente

Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable

Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de

socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario

a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo

b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizado

para estimar la socavacioacuten

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 socavacioacuten

Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base

de que ha ocurrido una socavacioacuten 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 degradacioacuten de

largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por

los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La

base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de

socavacioacuten total

16

b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente

el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de

roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como

soporte lateral)

c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca

erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad

de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten 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

excavacioacuten 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 degradacioacuten esto para

minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten

local resultante

Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo

a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos

b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17

veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta

informacioacuten)

c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el

Paso 7

17

d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la

socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento

extremo)

e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor

miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones

extremas

53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo

a) General

bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encima

de la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea

posible

bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un

miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando

el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos

riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos

bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien

ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el

hielo)

bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces

simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten

(redundancia)

bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben

traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede

se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos

18

praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de

socavacioacuten

bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a

socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la

solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las

condiciones del suelo

b) Pilas (Pilastras)

bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie

de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce

principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse

bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten

Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable

bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar

el hielo y materiales flotantes

bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro

particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos

grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la

estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de

pilas

c) Bastiones (Estribos)

bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las

teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe

ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones

Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas

19

medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para

resistir la socavacioacuten calculada

bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos

guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones

bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de

los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo

suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal

bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de

la que puede ocurrir en bastiones verticales

6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION

61 Metodologiacutea General-

Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es

necesario

bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal

bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales

bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a

largo plazo

bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente

en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por

degradacioacuten a largo plazo

bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variables

hidraacuteulicas

bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros

hidraacuteulicos de lecho constante ajustados

bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado

20

bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la

socavacioacuten local

62 Socavacioacuten por contraccioacuten-

Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal

principal mediante diques de aproximacioacuten al puente

a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se

encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona

mas angosta del riacuteo

b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de

inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de

aproximacioacuten 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

inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de

aproximacioacuten

21

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 Caso 2B Los bastiones restringen

en la seccioacuten del puente el paso del flujo

22

Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten

material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)

Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de

inundacioacuten el cual transporta material de lecho

a) Existen dos ecuaciones

bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)

bull Para una condicioacuten 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 partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo

Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara

Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva

ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten

Vc = 619 Y 16 D5013

Donde

Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]

Y = Profundidad del flujo [m]

D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]

23

b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-

bull Condicioacuten de cama viva_

Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)

Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)

Donde

Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]

Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]

Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]

W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]

W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el

ancho de las pilas) [m]

Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)

Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]

K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla

1

2

176

1

2

1

2

k

WW

QQ

yy

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE

DE SEDIMENTOS

lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO

05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION

gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN

SUSPENSION

24

Donde

V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)

W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]

g = Constante gravitacional (981 ms2)

S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm

t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)

r = Densidad del agua (1000 Kg m3)

1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No

es el total para el caso 1C

2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los

flujos en la planicie de inundacioacuten)

3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el

ancho de las pilas

25

4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse

disminuida por el acorazamiento del lecho

5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la

socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva

y agua clara escogiendo la mayor profundidad

6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente

si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora

disponible

bull Condicioacuten de agua clara_

Ecuacioacuten de Laursen

YS = Y2 ndash Y0

Donde

Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m

Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir

la socavacioacuten por contraccioacuten m

Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m

Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten

asociado en el ancho W m3s

D50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m

Dm = 125 D50 m

W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m

Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material

73

232

2

20250

⎟⎟

⎜⎜

⎛=

WD

QYm

26

Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse

el nivel mas bajo para los caacutelculos

En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipo

interdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc

63 Socavacioacuten En Pilas-

a) Socavacioacuten Local

bull Mecanismo de la socavacioacuten-

El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente

y a los lados de la pila)

Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado

hacia aguas abajo

Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila

ciliacutendrica

27

bull Caracteriacutestica del Flujo-

a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la

profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor

profundidad de socavacioacutenrdquo

b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente

a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede

afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten

c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con

el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se forma

un aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide

en la profundidad de socavacioacuten

d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del

puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila

a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la

Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo

con la pila

b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay

aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute

afecta la profundidad de socavacioacuten

c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la

direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y

28

remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo

sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales

Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la

profundidad de socavacioacuten

Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad

de socavacioacuten

Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor

socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene

aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas

El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de

socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo

Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho

Longitud Idem a la

Espesor Geometriacutea

Elevacioacuten con respecto de la pila

A sup Del lecho

bull Material de Lecho-

Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad

a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de

Socavacioacuten

29

b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a

la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el

tiempo de Socavacioacuten

c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de

Socavacioacuten

b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas- Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se

cuenta con un limitado registro de datos de campo

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten 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 ecuacioacuten De Laursen

El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una

caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)

En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las

partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto

de la socavacioacuten

En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se

incluye en las formulas recomendadas

30

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 7: 74061463 Socavacion en Puentes

rarr Reacutegimen torrencial o de montantildea se presentan principalmente fenoacutemenos

de socavacioacuten de fondo y erosioacuten de maacutergenes El reacutegimen torrencial se

caracteriza porque el flujo tiene una velocidad alta el nuacutemero de Froude es

mayor que 1 y la liacutenea del agua se ve afectada por la formacioacuten 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

conformacioacuten del fondo y de la potencialidad de la fuente que produce los

sedimentos El lecho del riacuteo puede ser rocoso aluvial o de material cohesivo

En el primer caso la seccioacuten 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 cohesioacuten es un factor que reduce la posibilidad de

movimiento del material de fondo en comparacioacuten con el material aluvial del

mismo tamantildeo

Debido a su gran capacidad de transporte de sedimentos los cauces de

reacutegimen torrencial presentan a lo largo de sus trayectorias fenoacutemenos de

socavacioacuten y agradacioacuten la segunda como consecuencia de la primera

7

Antes de disentildear obras para tratamiento de cauces es necesario conocer la

magnitud de la socavacioacuten Para determinar la magnitud de la socavacioacuten

general se deben realizar anaacutelisis geomorfoloacutegicos entre puntos de control o

sea entre secciones estables Estos anaacutelisis se basan en el estudio de

fotografiacuteas aeacutereas y cartografiacutea de diferentes eacutepocas y en los cambios que se

aprecien en observaciones de campo y en levantamientos topograacuteficos

rarr Reacutegimen tranquilo tambieacuten denominados de llanura las aguas se

desbordan cuando los caudales de creciente superan la capacidad a cauce

lleno Cuando la pendiente del cauce es pequentildea o cuando el flujo en el tramo

que se considera en el estudio estaacute regulado por una curva de remanso el

reacutegimen es tranquilo generalmente subcriacutetico En este caso la capacidad de

transporte de sedimentos es baja y el riacuteo puede comenzar a depositar parte de

los sedimentos de suspensioacuten y de fondo que trae desde zonas de mayor

capacidad de transporte La metodologiacutea que se utiliza para determinar las

tasas de transporte utiliza las mismas foacutermulas que se han descrito para los

tramos de reacutegimen torrencial

8

El fenoacutemeno principal que se presenta en los tramos de baja pendiente y

reacutegimen tranquilo es de agradacioacuten La magnitud de este fenoacutemeno puede

calcularse mediante controles perioacutedicos de los cambios que se producen en la

geometriacutea del cauce o con realizacioacuten de balances en tramos determinados

Para realizar los balances deben medirse los voluacutemenes de sedimentos que

entran y salen del tramo Los fenoacutemenos combinados de erosioacuten y agradacioacuten

generan cambios en la configuracioacuten del fondo y formacioacuten de brazos e islas

Estos cambios seraacuten maacutes grandes entre mayores sean las tasas de transporte

y pueden producir modificaciones importantes en el reacutegimen de flujo durante los

periacuteodos criacuteticos de estiaje y crecientes

Cuando el riacuteo 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 inundacioacuten Las cotas maacuteximas de agua en condiciones

de creciente se calculan por medio de foacutermulas de flujo variado en canales de

seccioacuten compuesta Las cotas calculadas maacutes el borde libre permiten definir

sobre la cartografiacutea de la zona la magnitud de la zona inundable para diferentes

niveles de probabilidad en condiciones de desborde no controlado

9

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 concentracioacuten

de la carga de sedimentos en suspensioacuten y en menor escala de la temperatura

En cauces limpios o sea aquellos en los que la concentracioacuten de sedimentos es

menor del 10 en volumen el agua se puede considerar como de baja

viscosidad A la temperatura de 20ordmC la viscosidad absoluta es del orden de 1

centipoise

En el caso extremo cuando se conforman flujos de lodo donde la proporcioacuten

volumeacutetrica entre el sedimento y el liacutequido sobrepasa el 80 la viscosidad

aumenta significativamente y puede llegar hasta los 4000 poises Teniendo en cuenta que las foacutermulas empiacutericas de flujo en corrientes naturales

se han desarrollado para corrientes de agua limpia es claro que las velocidades

que se calculan con estas foacutermulas resultan maacutes 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 conformacioacuten trenzada con cauce divagante

Ademaacutes el material que se deposita eleva el fondo del cauce y disminuye su

capacidad a cauce lleno

10

3 COMPONENTES DE LA SOCAVACION

La socavacioacuten se clasifica como socavacioacuten general y socavacioacuten local

31 Socavacioacuten general

Es la que se produce en lechos aluviales o cohesivos por efecto de la dinaacutemica

de la corriente y estaacute relacionada con la conformacioacuten del nivel de base Es un

fenoacutemeno a largo plazo aun cuando eventos catastroacuteficos pueden acelerarlo

La socavacioacuten general comprende deposito o remocioacuten de los materiales de

lecho- cambios a largo plazo en las elevaciones del lecho del rioacute - y la

socavacioacuten por contraccioacuten

diams El depoacutesito de materiales sube el nivel del lecho

diams La remocioacuten o degradacioacuten del lecho socava o disminuye el nivel del lecho

del rioacute

11

diams La socavacioacuten por contraccioacuten involucra la remocioacuten de materiales de lecho

en todo el ancho del canal causado por

bull Contraccioacuten natural del rioacute

bull Contraccioacuten del flujo por el puente o estructuras de aproximacioacuten

bull Islas bancos de arena bermas hielo desechos o vegetacioacuten

bull Cambios en el control aguas abajo

bull Recodos

32 Socavacioacuten local

La socavacioacuten local se presenta en sitios particulares de la corriente y es

ocasionada por el paso de crecientes y por la accioacuten de obras civiles como

obras de encauzamiento bancos guiacuteas puentes con pilas o estribos dentro del

cauce obras transversales de control etc

Para calcular la primera existe un sin nuacutemero de foacutermulas que son modificadas

continuamente por sus autores a medida que se avanza en la experimentacioacuten

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 caacutelculo de la socavacioacuten 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 foacutermulas empiacutericas que

se han desarrollado

12

33 Socavacioacuten total

La socavacioacuten total en un tramo de una corriente natural es la suma de las dos

componentes la socavacioacuten general y la socavacioacuten local

4 TIPOS DE SOCAVACION

Existen dos tipos de socavacioacuten en puentes de agua clara y de cama viva (o

lecho vivo)

41 Socavacioacuten 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 socavacioacuten Se da en cauces de

reacutegimen torrencial

Los puentes sobre lechos de material grueso generalmente presentan

socavacioacuten de agua clara en la parte inicial de una hidrografiacutea luego socavaron

de cama viva para caudales altos y finalmente una socavacioacuten de cama de

agua clara cuando lo caudales van disminuyendo

42 Socavacioacuten de agua clara

Ocurre cuando el flujo que esta causando socavacioacuten no contiene material de

lecho Esto no implica que alguacuten sedimento fino no pueda estar en movimiento

como carga lavada Se da en un cauce de reacutegimen tranquilo

Esto se ve maacutes en lechos de materiales gruesos o en zonas de inundacioacuten con

vegetacioacuten

13

Esto no indica que el agua no transporta material sino que la cantidad de

sedimentos en suspensioacuten es menor que la capacidad de transporte de

sedimentos del flujo

La socavacioacuten maacutexima de agua clara en la pila es de alrededor de un 10

mayor que la socavacioacuten de equilibrio de cama viva en esta

5 DISENtildeO DE PUENTES QUE RESISTAN LA SOCAVACIOacuteN

51 Filosofiacutea de disentildeo

a) Disentildear para que la estructura resista los efectos de una ldquosuacuteper

inundacioacutenrdquo (que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos)

b) Las fundaciones deben ser disentildeadas por un equipo

interdisciplinario que incluya ingenieros estructurales hidraacuteulicos y

geoteacutecnicos

14

c) Los estudios hidraacuteulicos son necesarios como parte del estudio

preliminar (socavacioacuten y condiciones del flujo)

d) Usar el ldquojuicio de ingenieriacuteardquo para resolver las limitaciones en

conocimientos existentes

e) Compara los resultados con la informacioacuten disponible incluyendo

bull Comportamiento de estructuras existentes en

inundaciones del pasado

bull Efectos de la regulacioacuten y control de caudales

bull Caracteriacutesticas hidroloacutegicas e historia de avenidas

de la cuenca

f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundacioacuten que tenga

una muy pequentildea probabilidad de falla por un evento extremo

52 Procedimientos general de disentildeo para controlar la socavacioacuten - Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten (TTampL)

Paso 1 Seleccionar las avenidas con periacuteodos de retorno de 100 antildeos o

menos que se espera produzcan las condiciones maacutes severas de

socavacioacuten

Paso 2 Obtener los perfiles hidraacuteulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1

para un rango de caudales

Paso 3 Estimar las profundidades de socavacioacuten total para las condiciones

maacutes criacuteticas

15

Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten

transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del

puente

Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable

Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de

socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario

a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo

b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizado

para estimar la socavacioacuten

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 socavacioacuten

Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base

de que ha ocurrido una socavacioacuten 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 degradacioacuten de

largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por

los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La

base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de

socavacioacuten total

16

b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente

el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de

roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como

soporte lateral)

c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca

erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad

de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten 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

excavacioacuten 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 degradacioacuten esto para

minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten

local resultante

Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo

a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos

b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17

veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta

informacioacuten)

c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el

Paso 7

17

d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la

socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento

extremo)

e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor

miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones

extremas

53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo

a) General

bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encima

de la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea

posible

bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un

miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando

el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos

riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos

bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien

ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el

hielo)

bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces

simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten

(redundancia)

bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben

traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede

se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos

18

praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de

socavacioacuten

bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a

socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la

solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las

condiciones del suelo

b) Pilas (Pilastras)

bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie

de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce

principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse

bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten

Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable

bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar

el hielo y materiales flotantes

bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro

particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos

grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la

estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de

pilas

c) Bastiones (Estribos)

bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las

teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe

ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones

Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas

19

medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para

resistir la socavacioacuten calculada

bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos

guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones

bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de

los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo

suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal

bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de

la que puede ocurrir en bastiones verticales

6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION

61 Metodologiacutea General-

Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es

necesario

bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal

bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales

bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a

largo plazo

bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente

en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por

degradacioacuten a largo plazo

bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variables

hidraacuteulicas

bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros

hidraacuteulicos de lecho constante ajustados

bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado

20

bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la

socavacioacuten local

62 Socavacioacuten por contraccioacuten-

Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal

principal mediante diques de aproximacioacuten al puente

a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se

encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona

mas angosta del riacuteo

b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de

inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de

aproximacioacuten 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

inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de

aproximacioacuten

21

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 Caso 2B Los bastiones restringen

en la seccioacuten del puente el paso del flujo

22

Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten

material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)

Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de

inundacioacuten el cual transporta material de lecho

a) Existen dos ecuaciones

bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)

bull Para una condicioacuten 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 partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo

Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara

Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva

ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten

Vc = 619 Y 16 D5013

Donde

Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]

Y = Profundidad del flujo [m]

D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]

23

b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-

bull Condicioacuten de cama viva_

Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)

Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)

Donde

Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]

Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]

Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]

W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]

W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el

ancho de las pilas) [m]

Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)

Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]

K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla

1

2

176

1

2

1

2

k

WW

QQ

yy

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE

DE SEDIMENTOS

lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO

05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION

gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN

SUSPENSION

24

Donde

V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)

W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]

g = Constante gravitacional (981 ms2)

S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm

t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)

r = Densidad del agua (1000 Kg m3)

1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No

es el total para el caso 1C

2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los

flujos en la planicie de inundacioacuten)

3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el

ancho de las pilas

25

4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse

disminuida por el acorazamiento del lecho

5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la

socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva

y agua clara escogiendo la mayor profundidad

6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente

si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora

disponible

bull Condicioacuten de agua clara_

Ecuacioacuten de Laursen

YS = Y2 ndash Y0

Donde

Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m

Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir

la socavacioacuten por contraccioacuten m

Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m

Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten

asociado en el ancho W m3s

D50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m

Dm = 125 D50 m

W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m

Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material

73

232

2

20250

⎟⎟

⎜⎜

⎛=

WD

QYm

26

Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse

el nivel mas bajo para los caacutelculos

En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipo

interdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc

63 Socavacioacuten En Pilas-

a) Socavacioacuten Local

bull Mecanismo de la socavacioacuten-

El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente

y a los lados de la pila)

Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado

hacia aguas abajo

Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila

ciliacutendrica

27

bull Caracteriacutestica del Flujo-

a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la

profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor

profundidad de socavacioacutenrdquo

b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente

a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede

afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten

c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con

el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se forma

un aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide

en la profundidad de socavacioacuten

d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del

puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila

a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la

Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo

con la pila

b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay

aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute

afecta la profundidad de socavacioacuten

c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la

direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y

28

remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo

sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales

Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la

profundidad de socavacioacuten

Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad

de socavacioacuten

Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor

socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene

aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas

El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de

socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo

Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho

Longitud Idem a la

Espesor Geometriacutea

Elevacioacuten con respecto de la pila

A sup Del lecho

bull Material de Lecho-

Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad

a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de

Socavacioacuten

29

b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a

la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el

tiempo de Socavacioacuten

c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de

Socavacioacuten

b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas- Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se

cuenta con un limitado registro de datos de campo

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten 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 ecuacioacuten De Laursen

El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una

caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)

En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las

partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto

de la socavacioacuten

En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se

incluye en las formulas recomendadas

30

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 8: 74061463 Socavacion en Puentes

Antes de disentildear obras para tratamiento de cauces es necesario conocer la

magnitud de la socavacioacuten Para determinar la magnitud de la socavacioacuten

general se deben realizar anaacutelisis geomorfoloacutegicos entre puntos de control o

sea entre secciones estables Estos anaacutelisis se basan en el estudio de

fotografiacuteas aeacutereas y cartografiacutea de diferentes eacutepocas y en los cambios que se

aprecien en observaciones de campo y en levantamientos topograacuteficos

rarr Reacutegimen tranquilo tambieacuten denominados de llanura las aguas se

desbordan cuando los caudales de creciente superan la capacidad a cauce

lleno Cuando la pendiente del cauce es pequentildea o cuando el flujo en el tramo

que se considera en el estudio estaacute regulado por una curva de remanso el

reacutegimen es tranquilo generalmente subcriacutetico En este caso la capacidad de

transporte de sedimentos es baja y el riacuteo puede comenzar a depositar parte de

los sedimentos de suspensioacuten y de fondo que trae desde zonas de mayor

capacidad de transporte La metodologiacutea que se utiliza para determinar las

tasas de transporte utiliza las mismas foacutermulas que se han descrito para los

tramos de reacutegimen torrencial

8

El fenoacutemeno principal que se presenta en los tramos de baja pendiente y

reacutegimen tranquilo es de agradacioacuten La magnitud de este fenoacutemeno puede

calcularse mediante controles perioacutedicos de los cambios que se producen en la

geometriacutea del cauce o con realizacioacuten de balances en tramos determinados

Para realizar los balances deben medirse los voluacutemenes de sedimentos que

entran y salen del tramo Los fenoacutemenos combinados de erosioacuten y agradacioacuten

generan cambios en la configuracioacuten del fondo y formacioacuten de brazos e islas

Estos cambios seraacuten maacutes grandes entre mayores sean las tasas de transporte

y pueden producir modificaciones importantes en el reacutegimen de flujo durante los

periacuteodos criacuteticos de estiaje y crecientes

Cuando el riacuteo 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 inundacioacuten Las cotas maacuteximas de agua en condiciones

de creciente se calculan por medio de foacutermulas de flujo variado en canales de

seccioacuten compuesta Las cotas calculadas maacutes el borde libre permiten definir

sobre la cartografiacutea de la zona la magnitud de la zona inundable para diferentes

niveles de probabilidad en condiciones de desborde no controlado

9

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 concentracioacuten

de la carga de sedimentos en suspensioacuten y en menor escala de la temperatura

En cauces limpios o sea aquellos en los que la concentracioacuten de sedimentos es

menor del 10 en volumen el agua se puede considerar como de baja

viscosidad A la temperatura de 20ordmC la viscosidad absoluta es del orden de 1

centipoise

En el caso extremo cuando se conforman flujos de lodo donde la proporcioacuten

volumeacutetrica entre el sedimento y el liacutequido sobrepasa el 80 la viscosidad

aumenta significativamente y puede llegar hasta los 4000 poises Teniendo en cuenta que las foacutermulas empiacutericas de flujo en corrientes naturales

se han desarrollado para corrientes de agua limpia es claro que las velocidades

que se calculan con estas foacutermulas resultan maacutes 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 conformacioacuten trenzada con cauce divagante

Ademaacutes el material que se deposita eleva el fondo del cauce y disminuye su

capacidad a cauce lleno

10

3 COMPONENTES DE LA SOCAVACION

La socavacioacuten se clasifica como socavacioacuten general y socavacioacuten local

31 Socavacioacuten general

Es la que se produce en lechos aluviales o cohesivos por efecto de la dinaacutemica

de la corriente y estaacute relacionada con la conformacioacuten del nivel de base Es un

fenoacutemeno a largo plazo aun cuando eventos catastroacuteficos pueden acelerarlo

La socavacioacuten general comprende deposito o remocioacuten de los materiales de

lecho- cambios a largo plazo en las elevaciones del lecho del rioacute - y la

socavacioacuten por contraccioacuten

diams El depoacutesito de materiales sube el nivel del lecho

diams La remocioacuten o degradacioacuten del lecho socava o disminuye el nivel del lecho

del rioacute

11

diams La socavacioacuten por contraccioacuten involucra la remocioacuten de materiales de lecho

en todo el ancho del canal causado por

bull Contraccioacuten natural del rioacute

bull Contraccioacuten del flujo por el puente o estructuras de aproximacioacuten

bull Islas bancos de arena bermas hielo desechos o vegetacioacuten

bull Cambios en el control aguas abajo

bull Recodos

32 Socavacioacuten local

La socavacioacuten local se presenta en sitios particulares de la corriente y es

ocasionada por el paso de crecientes y por la accioacuten de obras civiles como

obras de encauzamiento bancos guiacuteas puentes con pilas o estribos dentro del

cauce obras transversales de control etc

Para calcular la primera existe un sin nuacutemero de foacutermulas que son modificadas

continuamente por sus autores a medida que se avanza en la experimentacioacuten

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 caacutelculo de la socavacioacuten 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 foacutermulas empiacutericas que

se han desarrollado

12

33 Socavacioacuten total

La socavacioacuten total en un tramo de una corriente natural es la suma de las dos

componentes la socavacioacuten general y la socavacioacuten local

4 TIPOS DE SOCAVACION

Existen dos tipos de socavacioacuten en puentes de agua clara y de cama viva (o

lecho vivo)

41 Socavacioacuten 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 socavacioacuten Se da en cauces de

reacutegimen torrencial

Los puentes sobre lechos de material grueso generalmente presentan

socavacioacuten de agua clara en la parte inicial de una hidrografiacutea luego socavaron

de cama viva para caudales altos y finalmente una socavacioacuten de cama de

agua clara cuando lo caudales van disminuyendo

42 Socavacioacuten de agua clara

Ocurre cuando el flujo que esta causando socavacioacuten no contiene material de

lecho Esto no implica que alguacuten sedimento fino no pueda estar en movimiento

como carga lavada Se da en un cauce de reacutegimen tranquilo

Esto se ve maacutes en lechos de materiales gruesos o en zonas de inundacioacuten con

vegetacioacuten

13

Esto no indica que el agua no transporta material sino que la cantidad de

sedimentos en suspensioacuten es menor que la capacidad de transporte de

sedimentos del flujo

La socavacioacuten maacutexima de agua clara en la pila es de alrededor de un 10

mayor que la socavacioacuten de equilibrio de cama viva en esta

5 DISENtildeO DE PUENTES QUE RESISTAN LA SOCAVACIOacuteN

51 Filosofiacutea de disentildeo

a) Disentildear para que la estructura resista los efectos de una ldquosuacuteper

inundacioacutenrdquo (que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos)

b) Las fundaciones deben ser disentildeadas por un equipo

interdisciplinario que incluya ingenieros estructurales hidraacuteulicos y

geoteacutecnicos

14

c) Los estudios hidraacuteulicos son necesarios como parte del estudio

preliminar (socavacioacuten y condiciones del flujo)

d) Usar el ldquojuicio de ingenieriacuteardquo para resolver las limitaciones en

conocimientos existentes

e) Compara los resultados con la informacioacuten disponible incluyendo

bull Comportamiento de estructuras existentes en

inundaciones del pasado

bull Efectos de la regulacioacuten y control de caudales

bull Caracteriacutesticas hidroloacutegicas e historia de avenidas

de la cuenca

f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundacioacuten que tenga

una muy pequentildea probabilidad de falla por un evento extremo

52 Procedimientos general de disentildeo para controlar la socavacioacuten - Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten (TTampL)

Paso 1 Seleccionar las avenidas con periacuteodos de retorno de 100 antildeos o

menos que se espera produzcan las condiciones maacutes severas de

socavacioacuten

Paso 2 Obtener los perfiles hidraacuteulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1

para un rango de caudales

Paso 3 Estimar las profundidades de socavacioacuten total para las condiciones

maacutes criacuteticas

15

Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten

transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del

puente

Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable

Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de

socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario

a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo

b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizado

para estimar la socavacioacuten

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 socavacioacuten

Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base

de que ha ocurrido una socavacioacuten 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 degradacioacuten de

largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por

los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La

base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de

socavacioacuten total

16

b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente

el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de

roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como

soporte lateral)

c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca

erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad

de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten 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

excavacioacuten 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 degradacioacuten esto para

minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten

local resultante

Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo

a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos

b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17

veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta

informacioacuten)

c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el

Paso 7

17

d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la

socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento

extremo)

e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor

miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones

extremas

53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo

a) General

bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encima

de la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea

posible

bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un

miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando

el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos

riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos

bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien

ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el

hielo)

bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces

simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten

(redundancia)

bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben

traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede

se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos

18

praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de

socavacioacuten

bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a

socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la

solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las

condiciones del suelo

b) Pilas (Pilastras)

bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie

de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce

principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse

bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten

Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable

bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar

el hielo y materiales flotantes

bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro

particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos

grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la

estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de

pilas

c) Bastiones (Estribos)

bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las

teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe

ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones

Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas

19

medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para

resistir la socavacioacuten calculada

bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos

guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones

bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de

los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo

suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal

bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de

la que puede ocurrir en bastiones verticales

6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION

61 Metodologiacutea General-

Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es

necesario

bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal

bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales

bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a

largo plazo

bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente

en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por

degradacioacuten a largo plazo

bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variables

hidraacuteulicas

bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros

hidraacuteulicos de lecho constante ajustados

bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado

20

bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la

socavacioacuten local

62 Socavacioacuten por contraccioacuten-

Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal

principal mediante diques de aproximacioacuten al puente

a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se

encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona

mas angosta del riacuteo

b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de

inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de

aproximacioacuten 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

inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de

aproximacioacuten

21

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 Caso 2B Los bastiones restringen

en la seccioacuten del puente el paso del flujo

22

Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten

material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)

Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de

inundacioacuten el cual transporta material de lecho

a) Existen dos ecuaciones

bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)

bull Para una condicioacuten 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 partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo

Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara

Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva

ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten

Vc = 619 Y 16 D5013

Donde

Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]

Y = Profundidad del flujo [m]

D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]

23

b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-

bull Condicioacuten de cama viva_

Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)

Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)

Donde

Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]

Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]

Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]

W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]

W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el

ancho de las pilas) [m]

Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)

Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]

K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla

1

2

176

1

2

1

2

k

WW

QQ

yy

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE

DE SEDIMENTOS

lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO

05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION

gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN

SUSPENSION

24

Donde

V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)

W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]

g = Constante gravitacional (981 ms2)

S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm

t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)

r = Densidad del agua (1000 Kg m3)

1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No

es el total para el caso 1C

2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los

flujos en la planicie de inundacioacuten)

3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el

ancho de las pilas

25

4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse

disminuida por el acorazamiento del lecho

5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la

socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva

y agua clara escogiendo la mayor profundidad

6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente

si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora

disponible

bull Condicioacuten de agua clara_

Ecuacioacuten de Laursen

YS = Y2 ndash Y0

Donde

Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m

Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir

la socavacioacuten por contraccioacuten m

Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m

Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten

asociado en el ancho W m3s

D50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m

Dm = 125 D50 m

W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m

Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material

73

232

2

20250

⎟⎟

⎜⎜

⎛=

WD

QYm

26

Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse

el nivel mas bajo para los caacutelculos

En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipo

interdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc

63 Socavacioacuten En Pilas-

a) Socavacioacuten Local

bull Mecanismo de la socavacioacuten-

El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente

y a los lados de la pila)

Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado

hacia aguas abajo

Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila

ciliacutendrica

27

bull Caracteriacutestica del Flujo-

a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la

profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor

profundidad de socavacioacutenrdquo

b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente

a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede

afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten

c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con

el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se forma

un aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide

en la profundidad de socavacioacuten

d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del

puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila

a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la

Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo

con la pila

b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay

aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute

afecta la profundidad de socavacioacuten

c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la

direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y

28

remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo

sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales

Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la

profundidad de socavacioacuten

Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad

de socavacioacuten

Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor

socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene

aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas

El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de

socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo

Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho

Longitud Idem a la

Espesor Geometriacutea

Elevacioacuten con respecto de la pila

A sup Del lecho

bull Material de Lecho-

Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad

a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de

Socavacioacuten

29

b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a

la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el

tiempo de Socavacioacuten

c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de

Socavacioacuten

b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas- Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se

cuenta con un limitado registro de datos de campo

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten 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 ecuacioacuten De Laursen

El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una

caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)

En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las

partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto

de la socavacioacuten

En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se

incluye en las formulas recomendadas

30

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 9: 74061463 Socavacion en Puentes

El fenoacutemeno principal que se presenta en los tramos de baja pendiente y

reacutegimen tranquilo es de agradacioacuten La magnitud de este fenoacutemeno puede

calcularse mediante controles perioacutedicos de los cambios que se producen en la

geometriacutea del cauce o con realizacioacuten de balances en tramos determinados

Para realizar los balances deben medirse los voluacutemenes de sedimentos que

entran y salen del tramo Los fenoacutemenos combinados de erosioacuten y agradacioacuten

generan cambios en la configuracioacuten del fondo y formacioacuten de brazos e islas

Estos cambios seraacuten maacutes grandes entre mayores sean las tasas de transporte

y pueden producir modificaciones importantes en el reacutegimen de flujo durante los

periacuteodos criacuteticos de estiaje y crecientes

Cuando el riacuteo 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 inundacioacuten Las cotas maacuteximas de agua en condiciones

de creciente se calculan por medio de foacutermulas de flujo variado en canales de

seccioacuten compuesta Las cotas calculadas maacutes el borde libre permiten definir

sobre la cartografiacutea de la zona la magnitud de la zona inundable para diferentes

niveles de probabilidad en condiciones de desborde no controlado

9

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 concentracioacuten

de la carga de sedimentos en suspensioacuten y en menor escala de la temperatura

En cauces limpios o sea aquellos en los que la concentracioacuten de sedimentos es

menor del 10 en volumen el agua se puede considerar como de baja

viscosidad A la temperatura de 20ordmC la viscosidad absoluta es del orden de 1

centipoise

En el caso extremo cuando se conforman flujos de lodo donde la proporcioacuten

volumeacutetrica entre el sedimento y el liacutequido sobrepasa el 80 la viscosidad

aumenta significativamente y puede llegar hasta los 4000 poises Teniendo en cuenta que las foacutermulas empiacutericas de flujo en corrientes naturales

se han desarrollado para corrientes de agua limpia es claro que las velocidades

que se calculan con estas foacutermulas resultan maacutes 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 conformacioacuten trenzada con cauce divagante

Ademaacutes el material que se deposita eleva el fondo del cauce y disminuye su

capacidad a cauce lleno

10

3 COMPONENTES DE LA SOCAVACION

La socavacioacuten se clasifica como socavacioacuten general y socavacioacuten local

31 Socavacioacuten general

Es la que se produce en lechos aluviales o cohesivos por efecto de la dinaacutemica

de la corriente y estaacute relacionada con la conformacioacuten del nivel de base Es un

fenoacutemeno a largo plazo aun cuando eventos catastroacuteficos pueden acelerarlo

La socavacioacuten general comprende deposito o remocioacuten de los materiales de

lecho- cambios a largo plazo en las elevaciones del lecho del rioacute - y la

socavacioacuten por contraccioacuten

diams El depoacutesito de materiales sube el nivel del lecho

diams La remocioacuten o degradacioacuten del lecho socava o disminuye el nivel del lecho

del rioacute

11

diams La socavacioacuten por contraccioacuten involucra la remocioacuten de materiales de lecho

en todo el ancho del canal causado por

bull Contraccioacuten natural del rioacute

bull Contraccioacuten del flujo por el puente o estructuras de aproximacioacuten

bull Islas bancos de arena bermas hielo desechos o vegetacioacuten

bull Cambios en el control aguas abajo

bull Recodos

32 Socavacioacuten local

La socavacioacuten local se presenta en sitios particulares de la corriente y es

ocasionada por el paso de crecientes y por la accioacuten de obras civiles como

obras de encauzamiento bancos guiacuteas puentes con pilas o estribos dentro del

cauce obras transversales de control etc

Para calcular la primera existe un sin nuacutemero de foacutermulas que son modificadas

continuamente por sus autores a medida que se avanza en la experimentacioacuten

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 caacutelculo de la socavacioacuten 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 foacutermulas empiacutericas que

se han desarrollado

12

33 Socavacioacuten total

La socavacioacuten total en un tramo de una corriente natural es la suma de las dos

componentes la socavacioacuten general y la socavacioacuten local

4 TIPOS DE SOCAVACION

Existen dos tipos de socavacioacuten en puentes de agua clara y de cama viva (o

lecho vivo)

41 Socavacioacuten 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 socavacioacuten Se da en cauces de

reacutegimen torrencial

Los puentes sobre lechos de material grueso generalmente presentan

socavacioacuten de agua clara en la parte inicial de una hidrografiacutea luego socavaron

de cama viva para caudales altos y finalmente una socavacioacuten de cama de

agua clara cuando lo caudales van disminuyendo

42 Socavacioacuten de agua clara

Ocurre cuando el flujo que esta causando socavacioacuten no contiene material de

lecho Esto no implica que alguacuten sedimento fino no pueda estar en movimiento

como carga lavada Se da en un cauce de reacutegimen tranquilo

Esto se ve maacutes en lechos de materiales gruesos o en zonas de inundacioacuten con

vegetacioacuten

13

Esto no indica que el agua no transporta material sino que la cantidad de

sedimentos en suspensioacuten es menor que la capacidad de transporte de

sedimentos del flujo

La socavacioacuten maacutexima de agua clara en la pila es de alrededor de un 10

mayor que la socavacioacuten de equilibrio de cama viva en esta

5 DISENtildeO DE PUENTES QUE RESISTAN LA SOCAVACIOacuteN

51 Filosofiacutea de disentildeo

a) Disentildear para que la estructura resista los efectos de una ldquosuacuteper

inundacioacutenrdquo (que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos)

b) Las fundaciones deben ser disentildeadas por un equipo

interdisciplinario que incluya ingenieros estructurales hidraacuteulicos y

geoteacutecnicos

14

c) Los estudios hidraacuteulicos son necesarios como parte del estudio

preliminar (socavacioacuten y condiciones del flujo)

d) Usar el ldquojuicio de ingenieriacuteardquo para resolver las limitaciones en

conocimientos existentes

e) Compara los resultados con la informacioacuten disponible incluyendo

bull Comportamiento de estructuras existentes en

inundaciones del pasado

bull Efectos de la regulacioacuten y control de caudales

bull Caracteriacutesticas hidroloacutegicas e historia de avenidas

de la cuenca

f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundacioacuten que tenga

una muy pequentildea probabilidad de falla por un evento extremo

52 Procedimientos general de disentildeo para controlar la socavacioacuten - Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten (TTampL)

Paso 1 Seleccionar las avenidas con periacuteodos de retorno de 100 antildeos o

menos que se espera produzcan las condiciones maacutes severas de

socavacioacuten

Paso 2 Obtener los perfiles hidraacuteulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1

para un rango de caudales

Paso 3 Estimar las profundidades de socavacioacuten total para las condiciones

maacutes criacuteticas

15

Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten

transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del

puente

Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable

Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de

socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario

a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo

b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizado

para estimar la socavacioacuten

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 socavacioacuten

Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base

de que ha ocurrido una socavacioacuten 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 degradacioacuten de

largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por

los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La

base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de

socavacioacuten total

16

b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente

el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de

roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como

soporte lateral)

c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca

erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad

de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten 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

excavacioacuten 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 degradacioacuten esto para

minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten

local resultante

Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo

a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos

b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17

veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta

informacioacuten)

c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el

Paso 7

17

d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la

socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento

extremo)

e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor

miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones

extremas

53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo

a) General

bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encima

de la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea

posible

bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un

miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando

el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos

riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos

bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien

ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el

hielo)

bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces

simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten

(redundancia)

bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben

traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede

se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos

18

praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de

socavacioacuten

bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a

socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la

solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las

condiciones del suelo

b) Pilas (Pilastras)

bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie

de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce

principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse

bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten

Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable

bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar

el hielo y materiales flotantes

bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro

particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos

grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la

estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de

pilas

c) Bastiones (Estribos)

bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las

teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe

ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones

Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas

19

medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para

resistir la socavacioacuten calculada

bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos

guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones

bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de

los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo

suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal

bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de

la que puede ocurrir en bastiones verticales

6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION

61 Metodologiacutea General-

Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es

necesario

bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal

bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales

bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a

largo plazo

bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente

en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por

degradacioacuten a largo plazo

bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variables

hidraacuteulicas

bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros

hidraacuteulicos de lecho constante ajustados

bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado

20

bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la

socavacioacuten local

62 Socavacioacuten por contraccioacuten-

Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal

principal mediante diques de aproximacioacuten al puente

a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se

encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona

mas angosta del riacuteo

b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de

inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de

aproximacioacuten 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

inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de

aproximacioacuten

21

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 Caso 2B Los bastiones restringen

en la seccioacuten del puente el paso del flujo

22

Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten

material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)

Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de

inundacioacuten el cual transporta material de lecho

a) Existen dos ecuaciones

bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)

bull Para una condicioacuten 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 partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo

Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara

Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva

ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten

Vc = 619 Y 16 D5013

Donde

Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]

Y = Profundidad del flujo [m]

D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]

23

b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-

bull Condicioacuten de cama viva_

Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)

Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)

Donde

Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]

Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]

Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]

W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]

W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el

ancho de las pilas) [m]

Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)

Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]

K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla

1

2

176

1

2

1

2

k

WW

QQ

yy

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE

DE SEDIMENTOS

lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO

05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION

gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN

SUSPENSION

24

Donde

V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)

W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]

g = Constante gravitacional (981 ms2)

S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm

t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)

r = Densidad del agua (1000 Kg m3)

1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No

es el total para el caso 1C

2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los

flujos en la planicie de inundacioacuten)

3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el

ancho de las pilas

25

4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse

disminuida por el acorazamiento del lecho

5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la

socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva

y agua clara escogiendo la mayor profundidad

6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente

si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora

disponible

bull Condicioacuten de agua clara_

Ecuacioacuten de Laursen

YS = Y2 ndash Y0

Donde

Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m

Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir

la socavacioacuten por contraccioacuten m

Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m

Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten

asociado en el ancho W m3s

D50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m

Dm = 125 D50 m

W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m

Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material

73

232

2

20250

⎟⎟

⎜⎜

⎛=

WD

QYm

26

Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse

el nivel mas bajo para los caacutelculos

En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipo

interdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc

63 Socavacioacuten En Pilas-

a) Socavacioacuten Local

bull Mecanismo de la socavacioacuten-

El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente

y a los lados de la pila)

Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado

hacia aguas abajo

Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila

ciliacutendrica

27

bull Caracteriacutestica del Flujo-

a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la

profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor

profundidad de socavacioacutenrdquo

b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente

a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede

afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten

c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con

el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se forma

un aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide

en la profundidad de socavacioacuten

d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del

puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila

a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la

Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo

con la pila

b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay

aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute

afecta la profundidad de socavacioacuten

c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la

direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y

28

remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo

sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales

Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la

profundidad de socavacioacuten

Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad

de socavacioacuten

Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor

socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene

aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas

El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de

socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo

Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho

Longitud Idem a la

Espesor Geometriacutea

Elevacioacuten con respecto de la pila

A sup Del lecho

bull Material de Lecho-

Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad

a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de

Socavacioacuten

29

b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a

la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el

tiempo de Socavacioacuten

c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de

Socavacioacuten

b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas- Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se

cuenta con un limitado registro de datos de campo

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten 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 ecuacioacuten De Laursen

El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una

caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)

En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las

partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto

de la socavacioacuten

En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se

incluye en las formulas recomendadas

30

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 10: 74061463 Socavacion en Puentes

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 concentracioacuten

de la carga de sedimentos en suspensioacuten y en menor escala de la temperatura

En cauces limpios o sea aquellos en los que la concentracioacuten de sedimentos es

menor del 10 en volumen el agua se puede considerar como de baja

viscosidad A la temperatura de 20ordmC la viscosidad absoluta es del orden de 1

centipoise

En el caso extremo cuando se conforman flujos de lodo donde la proporcioacuten

volumeacutetrica entre el sedimento y el liacutequido sobrepasa el 80 la viscosidad

aumenta significativamente y puede llegar hasta los 4000 poises Teniendo en cuenta que las foacutermulas empiacutericas de flujo en corrientes naturales

se han desarrollado para corrientes de agua limpia es claro que las velocidades

que se calculan con estas foacutermulas resultan maacutes 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 conformacioacuten trenzada con cauce divagante

Ademaacutes el material que se deposita eleva el fondo del cauce y disminuye su

capacidad a cauce lleno

10

3 COMPONENTES DE LA SOCAVACION

La socavacioacuten se clasifica como socavacioacuten general y socavacioacuten local

31 Socavacioacuten general

Es la que se produce en lechos aluviales o cohesivos por efecto de la dinaacutemica

de la corriente y estaacute relacionada con la conformacioacuten del nivel de base Es un

fenoacutemeno a largo plazo aun cuando eventos catastroacuteficos pueden acelerarlo

La socavacioacuten general comprende deposito o remocioacuten de los materiales de

lecho- cambios a largo plazo en las elevaciones del lecho del rioacute - y la

socavacioacuten por contraccioacuten

diams El depoacutesito de materiales sube el nivel del lecho

diams La remocioacuten o degradacioacuten del lecho socava o disminuye el nivel del lecho

del rioacute

11

diams La socavacioacuten por contraccioacuten involucra la remocioacuten de materiales de lecho

en todo el ancho del canal causado por

bull Contraccioacuten natural del rioacute

bull Contraccioacuten del flujo por el puente o estructuras de aproximacioacuten

bull Islas bancos de arena bermas hielo desechos o vegetacioacuten

bull Cambios en el control aguas abajo

bull Recodos

32 Socavacioacuten local

La socavacioacuten local se presenta en sitios particulares de la corriente y es

ocasionada por el paso de crecientes y por la accioacuten de obras civiles como

obras de encauzamiento bancos guiacuteas puentes con pilas o estribos dentro del

cauce obras transversales de control etc

Para calcular la primera existe un sin nuacutemero de foacutermulas que son modificadas

continuamente por sus autores a medida que se avanza en la experimentacioacuten

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 caacutelculo de la socavacioacuten 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 foacutermulas empiacutericas que

se han desarrollado

12

33 Socavacioacuten total

La socavacioacuten total en un tramo de una corriente natural es la suma de las dos

componentes la socavacioacuten general y la socavacioacuten local

4 TIPOS DE SOCAVACION

Existen dos tipos de socavacioacuten en puentes de agua clara y de cama viva (o

lecho vivo)

41 Socavacioacuten 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 socavacioacuten Se da en cauces de

reacutegimen torrencial

Los puentes sobre lechos de material grueso generalmente presentan

socavacioacuten de agua clara en la parte inicial de una hidrografiacutea luego socavaron

de cama viva para caudales altos y finalmente una socavacioacuten de cama de

agua clara cuando lo caudales van disminuyendo

42 Socavacioacuten de agua clara

Ocurre cuando el flujo que esta causando socavacioacuten no contiene material de

lecho Esto no implica que alguacuten sedimento fino no pueda estar en movimiento

como carga lavada Se da en un cauce de reacutegimen tranquilo

Esto se ve maacutes en lechos de materiales gruesos o en zonas de inundacioacuten con

vegetacioacuten

13

Esto no indica que el agua no transporta material sino que la cantidad de

sedimentos en suspensioacuten es menor que la capacidad de transporte de

sedimentos del flujo

La socavacioacuten maacutexima de agua clara en la pila es de alrededor de un 10

mayor que la socavacioacuten de equilibrio de cama viva en esta

5 DISENtildeO DE PUENTES QUE RESISTAN LA SOCAVACIOacuteN

51 Filosofiacutea de disentildeo

a) Disentildear para que la estructura resista los efectos de una ldquosuacuteper

inundacioacutenrdquo (que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos)

b) Las fundaciones deben ser disentildeadas por un equipo

interdisciplinario que incluya ingenieros estructurales hidraacuteulicos y

geoteacutecnicos

14

c) Los estudios hidraacuteulicos son necesarios como parte del estudio

preliminar (socavacioacuten y condiciones del flujo)

d) Usar el ldquojuicio de ingenieriacuteardquo para resolver las limitaciones en

conocimientos existentes

e) Compara los resultados con la informacioacuten disponible incluyendo

bull Comportamiento de estructuras existentes en

inundaciones del pasado

bull Efectos de la regulacioacuten y control de caudales

bull Caracteriacutesticas hidroloacutegicas e historia de avenidas

de la cuenca

f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundacioacuten que tenga

una muy pequentildea probabilidad de falla por un evento extremo

52 Procedimientos general de disentildeo para controlar la socavacioacuten - Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten (TTampL)

Paso 1 Seleccionar las avenidas con periacuteodos de retorno de 100 antildeos o

menos que se espera produzcan las condiciones maacutes severas de

socavacioacuten

Paso 2 Obtener los perfiles hidraacuteulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1

para un rango de caudales

Paso 3 Estimar las profundidades de socavacioacuten total para las condiciones

maacutes criacuteticas

15

Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten

transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del

puente

Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable

Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de

socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario

a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo

b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizado

para estimar la socavacioacuten

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 socavacioacuten

Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base

de que ha ocurrido una socavacioacuten 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 degradacioacuten de

largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por

los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La

base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de

socavacioacuten total

16

b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente

el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de

roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como

soporte lateral)

c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca

erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad

de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten 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

excavacioacuten 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 degradacioacuten esto para

minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten

local resultante

Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo

a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos

b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17

veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta

informacioacuten)

c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el

Paso 7

17

d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la

socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento

extremo)

e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor

miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones

extremas

53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo

a) General

bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encima

de la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea

posible

bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un

miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando

el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos

riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos

bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien

ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el

hielo)

bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces

simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten

(redundancia)

bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben

traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede

se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos

18

praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de

socavacioacuten

bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a

socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la

solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las

condiciones del suelo

b) Pilas (Pilastras)

bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie

de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce

principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse

bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten

Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable

bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar

el hielo y materiales flotantes

bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro

particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos

grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la

estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de

pilas

c) Bastiones (Estribos)

bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las

teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe

ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones

Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas

19

medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para

resistir la socavacioacuten calculada

bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos

guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones

bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de

los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo

suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal

bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de

la que puede ocurrir en bastiones verticales

6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION

61 Metodologiacutea General-

Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es

necesario

bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal

bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales

bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a

largo plazo

bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente

en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por

degradacioacuten a largo plazo

bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variables

hidraacuteulicas

bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros

hidraacuteulicos de lecho constante ajustados

bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado

20

bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la

socavacioacuten local

62 Socavacioacuten por contraccioacuten-

Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal

principal mediante diques de aproximacioacuten al puente

a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se

encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona

mas angosta del riacuteo

b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de

inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de

aproximacioacuten 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

inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de

aproximacioacuten

21

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 Caso 2B Los bastiones restringen

en la seccioacuten del puente el paso del flujo

22

Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten

material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)

Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de

inundacioacuten el cual transporta material de lecho

a) Existen dos ecuaciones

bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)

bull Para una condicioacuten 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 partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo

Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara

Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva

ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten

Vc = 619 Y 16 D5013

Donde

Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]

Y = Profundidad del flujo [m]

D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]

23

b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-

bull Condicioacuten de cama viva_

Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)

Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)

Donde

Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]

Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]

Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]

W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]

W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el

ancho de las pilas) [m]

Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)

Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]

K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla

1

2

176

1

2

1

2

k

WW

QQ

yy

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE

DE SEDIMENTOS

lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO

05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION

gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN

SUSPENSION

24

Donde

V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)

W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]

g = Constante gravitacional (981 ms2)

S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm

t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)

r = Densidad del agua (1000 Kg m3)

1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No

es el total para el caso 1C

2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los

flujos en la planicie de inundacioacuten)

3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el

ancho de las pilas

25

4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse

disminuida por el acorazamiento del lecho

5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la

socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva

y agua clara escogiendo la mayor profundidad

6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente

si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora

disponible

bull Condicioacuten de agua clara_

Ecuacioacuten de Laursen

YS = Y2 ndash Y0

Donde

Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m

Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir

la socavacioacuten por contraccioacuten m

Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m

Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten

asociado en el ancho W m3s

D50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m

Dm = 125 D50 m

W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m

Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material

73

232

2

20250

⎟⎟

⎜⎜

⎛=

WD

QYm

26

Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse

el nivel mas bajo para los caacutelculos

En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipo

interdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc

63 Socavacioacuten En Pilas-

a) Socavacioacuten Local

bull Mecanismo de la socavacioacuten-

El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente

y a los lados de la pila)

Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado

hacia aguas abajo

Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila

ciliacutendrica

27

bull Caracteriacutestica del Flujo-

a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la

profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor

profundidad de socavacioacutenrdquo

b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente

a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede

afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten

c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con

el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se forma

un aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide

en la profundidad de socavacioacuten

d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del

puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila

a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la

Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo

con la pila

b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay

aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute

afecta la profundidad de socavacioacuten

c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la

direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y

28

remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo

sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales

Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la

profundidad de socavacioacuten

Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad

de socavacioacuten

Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor

socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene

aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas

El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de

socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo

Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho

Longitud Idem a la

Espesor Geometriacutea

Elevacioacuten con respecto de la pila

A sup Del lecho

bull Material de Lecho-

Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad

a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de

Socavacioacuten

29

b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a

la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el

tiempo de Socavacioacuten

c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de

Socavacioacuten

b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas- Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se

cuenta con un limitado registro de datos de campo

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten 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 ecuacioacuten De Laursen

El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una

caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)

En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las

partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto

de la socavacioacuten

En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se

incluye en las formulas recomendadas

30

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 11: 74061463 Socavacion en Puentes

3 COMPONENTES DE LA SOCAVACION

La socavacioacuten se clasifica como socavacioacuten general y socavacioacuten local

31 Socavacioacuten general

Es la que se produce en lechos aluviales o cohesivos por efecto de la dinaacutemica

de la corriente y estaacute relacionada con la conformacioacuten del nivel de base Es un

fenoacutemeno a largo plazo aun cuando eventos catastroacuteficos pueden acelerarlo

La socavacioacuten general comprende deposito o remocioacuten de los materiales de

lecho- cambios a largo plazo en las elevaciones del lecho del rioacute - y la

socavacioacuten por contraccioacuten

diams El depoacutesito de materiales sube el nivel del lecho

diams La remocioacuten o degradacioacuten del lecho socava o disminuye el nivel del lecho

del rioacute

11

diams La socavacioacuten por contraccioacuten involucra la remocioacuten de materiales de lecho

en todo el ancho del canal causado por

bull Contraccioacuten natural del rioacute

bull Contraccioacuten del flujo por el puente o estructuras de aproximacioacuten

bull Islas bancos de arena bermas hielo desechos o vegetacioacuten

bull Cambios en el control aguas abajo

bull Recodos

32 Socavacioacuten local

La socavacioacuten local se presenta en sitios particulares de la corriente y es

ocasionada por el paso de crecientes y por la accioacuten de obras civiles como

obras de encauzamiento bancos guiacuteas puentes con pilas o estribos dentro del

cauce obras transversales de control etc

Para calcular la primera existe un sin nuacutemero de foacutermulas que son modificadas

continuamente por sus autores a medida que se avanza en la experimentacioacuten

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 caacutelculo de la socavacioacuten 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 foacutermulas empiacutericas que

se han desarrollado

12

33 Socavacioacuten total

La socavacioacuten total en un tramo de una corriente natural es la suma de las dos

componentes la socavacioacuten general y la socavacioacuten local

4 TIPOS DE SOCAVACION

Existen dos tipos de socavacioacuten en puentes de agua clara y de cama viva (o

lecho vivo)

41 Socavacioacuten 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 socavacioacuten Se da en cauces de

reacutegimen torrencial

Los puentes sobre lechos de material grueso generalmente presentan

socavacioacuten de agua clara en la parte inicial de una hidrografiacutea luego socavaron

de cama viva para caudales altos y finalmente una socavacioacuten de cama de

agua clara cuando lo caudales van disminuyendo

42 Socavacioacuten de agua clara

Ocurre cuando el flujo que esta causando socavacioacuten no contiene material de

lecho Esto no implica que alguacuten sedimento fino no pueda estar en movimiento

como carga lavada Se da en un cauce de reacutegimen tranquilo

Esto se ve maacutes en lechos de materiales gruesos o en zonas de inundacioacuten con

vegetacioacuten

13

Esto no indica que el agua no transporta material sino que la cantidad de

sedimentos en suspensioacuten es menor que la capacidad de transporte de

sedimentos del flujo

La socavacioacuten maacutexima de agua clara en la pila es de alrededor de un 10

mayor que la socavacioacuten de equilibrio de cama viva en esta

5 DISENtildeO DE PUENTES QUE RESISTAN LA SOCAVACIOacuteN

51 Filosofiacutea de disentildeo

a) Disentildear para que la estructura resista los efectos de una ldquosuacuteper

inundacioacutenrdquo (que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos)

b) Las fundaciones deben ser disentildeadas por un equipo

interdisciplinario que incluya ingenieros estructurales hidraacuteulicos y

geoteacutecnicos

14

c) Los estudios hidraacuteulicos son necesarios como parte del estudio

preliminar (socavacioacuten y condiciones del flujo)

d) Usar el ldquojuicio de ingenieriacuteardquo para resolver las limitaciones en

conocimientos existentes

e) Compara los resultados con la informacioacuten disponible incluyendo

bull Comportamiento de estructuras existentes en

inundaciones del pasado

bull Efectos de la regulacioacuten y control de caudales

bull Caracteriacutesticas hidroloacutegicas e historia de avenidas

de la cuenca

f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundacioacuten que tenga

una muy pequentildea probabilidad de falla por un evento extremo

52 Procedimientos general de disentildeo para controlar la socavacioacuten - Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten (TTampL)

Paso 1 Seleccionar las avenidas con periacuteodos de retorno de 100 antildeos o

menos que se espera produzcan las condiciones maacutes severas de

socavacioacuten

Paso 2 Obtener los perfiles hidraacuteulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1

para un rango de caudales

Paso 3 Estimar las profundidades de socavacioacuten total para las condiciones

maacutes criacuteticas

15

Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten

transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del

puente

Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable

Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de

socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario

a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo

b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizado

para estimar la socavacioacuten

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 socavacioacuten

Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base

de que ha ocurrido una socavacioacuten 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 degradacioacuten de

largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por

los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La

base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de

socavacioacuten total

16

b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente

el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de

roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como

soporte lateral)

c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca

erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad

de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten 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

excavacioacuten 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 degradacioacuten esto para

minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten

local resultante

Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo

a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos

b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17

veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta

informacioacuten)

c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el

Paso 7

17

d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la

socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento

extremo)

e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor

miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones

extremas

53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo

a) General

bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encima

de la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea

posible

bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un

miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando

el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos

riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos

bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien

ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el

hielo)

bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces

simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten

(redundancia)

bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben

traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede

se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos

18

praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de

socavacioacuten

bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a

socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la

solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las

condiciones del suelo

b) Pilas (Pilastras)

bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie

de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce

principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse

bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten

Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable

bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar

el hielo y materiales flotantes

bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro

particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos

grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la

estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de

pilas

c) Bastiones (Estribos)

bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las

teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe

ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones

Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas

19

medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para

resistir la socavacioacuten calculada

bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos

guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones

bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de

los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo

suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal

bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de

la que puede ocurrir en bastiones verticales

6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION

61 Metodologiacutea General-

Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es

necesario

bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal

bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales

bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a

largo plazo

bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente

en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por

degradacioacuten a largo plazo

bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variables

hidraacuteulicas

bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros

hidraacuteulicos de lecho constante ajustados

bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado

20

bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la

socavacioacuten local

62 Socavacioacuten por contraccioacuten-

Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal

principal mediante diques de aproximacioacuten al puente

a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se

encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona

mas angosta del riacuteo

b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de

inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de

aproximacioacuten 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

inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de

aproximacioacuten

21

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 Caso 2B Los bastiones restringen

en la seccioacuten del puente el paso del flujo

22

Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten

material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)

Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de

inundacioacuten el cual transporta material de lecho

a) Existen dos ecuaciones

bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)

bull Para una condicioacuten 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 partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo

Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara

Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva

ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten

Vc = 619 Y 16 D5013

Donde

Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]

Y = Profundidad del flujo [m]

D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]

23

b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-

bull Condicioacuten de cama viva_

Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)

Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)

Donde

Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]

Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]

Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]

W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]

W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el

ancho de las pilas) [m]

Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)

Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]

K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla

1

2

176

1

2

1

2

k

WW

QQ

yy

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE

DE SEDIMENTOS

lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO

05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION

gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN

SUSPENSION

24

Donde

V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)

W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]

g = Constante gravitacional (981 ms2)

S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm

t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)

r = Densidad del agua (1000 Kg m3)

1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No

es el total para el caso 1C

2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los

flujos en la planicie de inundacioacuten)

3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el

ancho de las pilas

25

4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse

disminuida por el acorazamiento del lecho

5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la

socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva

y agua clara escogiendo la mayor profundidad

6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente

si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora

disponible

bull Condicioacuten de agua clara_

Ecuacioacuten de Laursen

YS = Y2 ndash Y0

Donde

Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m

Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir

la socavacioacuten por contraccioacuten m

Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m

Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten

asociado en el ancho W m3s

D50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m

Dm = 125 D50 m

W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m

Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material

73

232

2

20250

⎟⎟

⎜⎜

⎛=

WD

QYm

26

Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse

el nivel mas bajo para los caacutelculos

En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipo

interdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc

63 Socavacioacuten En Pilas-

a) Socavacioacuten Local

bull Mecanismo de la socavacioacuten-

El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente

y a los lados de la pila)

Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado

hacia aguas abajo

Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila

ciliacutendrica

27

bull Caracteriacutestica del Flujo-

a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la

profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor

profundidad de socavacioacutenrdquo

b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente

a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede

afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten

c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con

el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se forma

un aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide

en la profundidad de socavacioacuten

d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del

puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila

a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la

Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo

con la pila

b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay

aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute

afecta la profundidad de socavacioacuten

c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la

direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y

28

remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo

sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales

Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la

profundidad de socavacioacuten

Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad

de socavacioacuten

Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor

socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene

aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas

El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de

socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo

Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho

Longitud Idem a la

Espesor Geometriacutea

Elevacioacuten con respecto de la pila

A sup Del lecho

bull Material de Lecho-

Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad

a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de

Socavacioacuten

29

b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a

la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el

tiempo de Socavacioacuten

c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de

Socavacioacuten

b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas- Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se

cuenta con un limitado registro de datos de campo

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten 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 ecuacioacuten De Laursen

El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una

caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)

En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las

partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto

de la socavacioacuten

En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se

incluye en las formulas recomendadas

30

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 12: 74061463 Socavacion en Puentes

diams La socavacioacuten por contraccioacuten involucra la remocioacuten de materiales de lecho

en todo el ancho del canal causado por

bull Contraccioacuten natural del rioacute

bull Contraccioacuten del flujo por el puente o estructuras de aproximacioacuten

bull Islas bancos de arena bermas hielo desechos o vegetacioacuten

bull Cambios en el control aguas abajo

bull Recodos

32 Socavacioacuten local

La socavacioacuten local se presenta en sitios particulares de la corriente y es

ocasionada por el paso de crecientes y por la accioacuten de obras civiles como

obras de encauzamiento bancos guiacuteas puentes con pilas o estribos dentro del

cauce obras transversales de control etc

Para calcular la primera existe un sin nuacutemero de foacutermulas que son modificadas

continuamente por sus autores a medida que se avanza en la experimentacioacuten

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 caacutelculo de la socavacioacuten 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 foacutermulas empiacutericas que

se han desarrollado

12

33 Socavacioacuten total

La socavacioacuten total en un tramo de una corriente natural es la suma de las dos

componentes la socavacioacuten general y la socavacioacuten local

4 TIPOS DE SOCAVACION

Existen dos tipos de socavacioacuten en puentes de agua clara y de cama viva (o

lecho vivo)

41 Socavacioacuten 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 socavacioacuten Se da en cauces de

reacutegimen torrencial

Los puentes sobre lechos de material grueso generalmente presentan

socavacioacuten de agua clara en la parte inicial de una hidrografiacutea luego socavaron

de cama viva para caudales altos y finalmente una socavacioacuten de cama de

agua clara cuando lo caudales van disminuyendo

42 Socavacioacuten de agua clara

Ocurre cuando el flujo que esta causando socavacioacuten no contiene material de

lecho Esto no implica que alguacuten sedimento fino no pueda estar en movimiento

como carga lavada Se da en un cauce de reacutegimen tranquilo

Esto se ve maacutes en lechos de materiales gruesos o en zonas de inundacioacuten con

vegetacioacuten

13

Esto no indica que el agua no transporta material sino que la cantidad de

sedimentos en suspensioacuten es menor que la capacidad de transporte de

sedimentos del flujo

La socavacioacuten maacutexima de agua clara en la pila es de alrededor de un 10

mayor que la socavacioacuten de equilibrio de cama viva en esta

5 DISENtildeO DE PUENTES QUE RESISTAN LA SOCAVACIOacuteN

51 Filosofiacutea de disentildeo

a) Disentildear para que la estructura resista los efectos de una ldquosuacuteper

inundacioacutenrdquo (que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos)

b) Las fundaciones deben ser disentildeadas por un equipo

interdisciplinario que incluya ingenieros estructurales hidraacuteulicos y

geoteacutecnicos

14

c) Los estudios hidraacuteulicos son necesarios como parte del estudio

preliminar (socavacioacuten y condiciones del flujo)

d) Usar el ldquojuicio de ingenieriacuteardquo para resolver las limitaciones en

conocimientos existentes

e) Compara los resultados con la informacioacuten disponible incluyendo

bull Comportamiento de estructuras existentes en

inundaciones del pasado

bull Efectos de la regulacioacuten y control de caudales

bull Caracteriacutesticas hidroloacutegicas e historia de avenidas

de la cuenca

f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundacioacuten que tenga

una muy pequentildea probabilidad de falla por un evento extremo

52 Procedimientos general de disentildeo para controlar la socavacioacuten - Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten (TTampL)

Paso 1 Seleccionar las avenidas con periacuteodos de retorno de 100 antildeos o

menos que se espera produzcan las condiciones maacutes severas de

socavacioacuten

Paso 2 Obtener los perfiles hidraacuteulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1

para un rango de caudales

Paso 3 Estimar las profundidades de socavacioacuten total para las condiciones

maacutes criacuteticas

15

Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten

transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del

puente

Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable

Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de

socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario

a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo

b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizado

para estimar la socavacioacuten

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 socavacioacuten

Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base

de que ha ocurrido una socavacioacuten 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 degradacioacuten de

largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por

los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La

base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de

socavacioacuten total

16

b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente

el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de

roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como

soporte lateral)

c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca

erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad

de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten 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

excavacioacuten 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 degradacioacuten esto para

minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten

local resultante

Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo

a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos

b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17

veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta

informacioacuten)

c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el

Paso 7

17

d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la

socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento

extremo)

e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor

miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones

extremas

53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo

a) General

bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encima

de la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea

posible

bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un

miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando

el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos

riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos

bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien

ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el

hielo)

bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces

simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten

(redundancia)

bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben

traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede

se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos

18

praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de

socavacioacuten

bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a

socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la

solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las

condiciones del suelo

b) Pilas (Pilastras)

bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie

de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce

principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse

bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten

Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable

bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar

el hielo y materiales flotantes

bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro

particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos

grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la

estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de

pilas

c) Bastiones (Estribos)

bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las

teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe

ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones

Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas

19

medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para

resistir la socavacioacuten calculada

bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos

guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones

bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de

los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo

suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal

bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de

la que puede ocurrir en bastiones verticales

6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION

61 Metodologiacutea General-

Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es

necesario

bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal

bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales

bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a

largo plazo

bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente

en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por

degradacioacuten a largo plazo

bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variables

hidraacuteulicas

bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros

hidraacuteulicos de lecho constante ajustados

bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado

20

bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la

socavacioacuten local

62 Socavacioacuten por contraccioacuten-

Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal

principal mediante diques de aproximacioacuten al puente

a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se

encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona

mas angosta del riacuteo

b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de

inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de

aproximacioacuten 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

inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de

aproximacioacuten

21

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 Caso 2B Los bastiones restringen

en la seccioacuten del puente el paso del flujo

22

Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten

material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)

Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de

inundacioacuten el cual transporta material de lecho

a) Existen dos ecuaciones

bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)

bull Para una condicioacuten 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 partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo

Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara

Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva

ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten

Vc = 619 Y 16 D5013

Donde

Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]

Y = Profundidad del flujo [m]

D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]

23

b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-

bull Condicioacuten de cama viva_

Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)

Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)

Donde

Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]

Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]

Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]

W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]

W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el

ancho de las pilas) [m]

Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)

Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]

K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla

1

2

176

1

2

1

2

k

WW

QQ

yy

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE

DE SEDIMENTOS

lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO

05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION

gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN

SUSPENSION

24

Donde

V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)

W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]

g = Constante gravitacional (981 ms2)

S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm

t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)

r = Densidad del agua (1000 Kg m3)

1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No

es el total para el caso 1C

2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los

flujos en la planicie de inundacioacuten)

3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el

ancho de las pilas

25

4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse

disminuida por el acorazamiento del lecho

5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la

socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva

y agua clara escogiendo la mayor profundidad

6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente

si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora

disponible

bull Condicioacuten de agua clara_

Ecuacioacuten de Laursen

YS = Y2 ndash Y0

Donde

Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m

Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir

la socavacioacuten por contraccioacuten m

Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m

Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten

asociado en el ancho W m3s

D50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m

Dm = 125 D50 m

W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m

Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material

73

232

2

20250

⎟⎟

⎜⎜

⎛=

WD

QYm

26

Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse

el nivel mas bajo para los caacutelculos

En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipo

interdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc

63 Socavacioacuten En Pilas-

a) Socavacioacuten Local

bull Mecanismo de la socavacioacuten-

El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente

y a los lados de la pila)

Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado

hacia aguas abajo

Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila

ciliacutendrica

27

bull Caracteriacutestica del Flujo-

a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la

profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor

profundidad de socavacioacutenrdquo

b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente

a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede

afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten

c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con

el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se forma

un aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide

en la profundidad de socavacioacuten

d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del

puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila

a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la

Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo

con la pila

b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay

aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute

afecta la profundidad de socavacioacuten

c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la

direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y

28

remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo

sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales

Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la

profundidad de socavacioacuten

Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad

de socavacioacuten

Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor

socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene

aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas

El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de

socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo

Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho

Longitud Idem a la

Espesor Geometriacutea

Elevacioacuten con respecto de la pila

A sup Del lecho

bull Material de Lecho-

Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad

a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de

Socavacioacuten

29

b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a

la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el

tiempo de Socavacioacuten

c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de

Socavacioacuten

b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas- Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se

cuenta con un limitado registro de datos de campo

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten 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 ecuacioacuten De Laursen

El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una

caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)

En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las

partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto

de la socavacioacuten

En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se

incluye en las formulas recomendadas

30

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 13: 74061463 Socavacion en Puentes

33 Socavacioacuten total

La socavacioacuten total en un tramo de una corriente natural es la suma de las dos

componentes la socavacioacuten general y la socavacioacuten local

4 TIPOS DE SOCAVACION

Existen dos tipos de socavacioacuten en puentes de agua clara y de cama viva (o

lecho vivo)

41 Socavacioacuten 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 socavacioacuten Se da en cauces de

reacutegimen torrencial

Los puentes sobre lechos de material grueso generalmente presentan

socavacioacuten de agua clara en la parte inicial de una hidrografiacutea luego socavaron

de cama viva para caudales altos y finalmente una socavacioacuten de cama de

agua clara cuando lo caudales van disminuyendo

42 Socavacioacuten de agua clara

Ocurre cuando el flujo que esta causando socavacioacuten no contiene material de

lecho Esto no implica que alguacuten sedimento fino no pueda estar en movimiento

como carga lavada Se da en un cauce de reacutegimen tranquilo

Esto se ve maacutes en lechos de materiales gruesos o en zonas de inundacioacuten con

vegetacioacuten

13

Esto no indica que el agua no transporta material sino que la cantidad de

sedimentos en suspensioacuten es menor que la capacidad de transporte de

sedimentos del flujo

La socavacioacuten maacutexima de agua clara en la pila es de alrededor de un 10

mayor que la socavacioacuten de equilibrio de cama viva en esta

5 DISENtildeO DE PUENTES QUE RESISTAN LA SOCAVACIOacuteN

51 Filosofiacutea de disentildeo

a) Disentildear para que la estructura resista los efectos de una ldquosuacuteper

inundacioacutenrdquo (que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos)

b) Las fundaciones deben ser disentildeadas por un equipo

interdisciplinario que incluya ingenieros estructurales hidraacuteulicos y

geoteacutecnicos

14

c) Los estudios hidraacuteulicos son necesarios como parte del estudio

preliminar (socavacioacuten y condiciones del flujo)

d) Usar el ldquojuicio de ingenieriacuteardquo para resolver las limitaciones en

conocimientos existentes

e) Compara los resultados con la informacioacuten disponible incluyendo

bull Comportamiento de estructuras existentes en

inundaciones del pasado

bull Efectos de la regulacioacuten y control de caudales

bull Caracteriacutesticas hidroloacutegicas e historia de avenidas

de la cuenca

f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundacioacuten que tenga

una muy pequentildea probabilidad de falla por un evento extremo

52 Procedimientos general de disentildeo para controlar la socavacioacuten - Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten (TTampL)

Paso 1 Seleccionar las avenidas con periacuteodos de retorno de 100 antildeos o

menos que se espera produzcan las condiciones maacutes severas de

socavacioacuten

Paso 2 Obtener los perfiles hidraacuteulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1

para un rango de caudales

Paso 3 Estimar las profundidades de socavacioacuten total para las condiciones

maacutes criacuteticas

15

Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten

transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del

puente

Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable

Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de

socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario

a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo

b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizado

para estimar la socavacioacuten

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 socavacioacuten

Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base

de que ha ocurrido una socavacioacuten 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 degradacioacuten de

largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por

los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La

base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de

socavacioacuten total

16

b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente

el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de

roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como

soporte lateral)

c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca

erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad

de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten 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

excavacioacuten 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 degradacioacuten esto para

minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten

local resultante

Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo

a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos

b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17

veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta

informacioacuten)

c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el

Paso 7

17

d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la

socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento

extremo)

e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor

miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones

extremas

53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo

a) General

bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encima

de la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea

posible

bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un

miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando

el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos

riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos

bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien

ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el

hielo)

bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces

simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten

(redundancia)

bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben

traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede

se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos

18

praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de

socavacioacuten

bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a

socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la

solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las

condiciones del suelo

b) Pilas (Pilastras)

bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie

de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce

principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse

bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten

Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable

bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar

el hielo y materiales flotantes

bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro

particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos

grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la

estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de

pilas

c) Bastiones (Estribos)

bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las

teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe

ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones

Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas

19

medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para

resistir la socavacioacuten calculada

bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos

guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones

bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de

los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo

suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal

bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de

la que puede ocurrir en bastiones verticales

6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION

61 Metodologiacutea General-

Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es

necesario

bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal

bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales

bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a

largo plazo

bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente

en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por

degradacioacuten a largo plazo

bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variables

hidraacuteulicas

bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros

hidraacuteulicos de lecho constante ajustados

bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado

20

bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la

socavacioacuten local

62 Socavacioacuten por contraccioacuten-

Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal

principal mediante diques de aproximacioacuten al puente

a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se

encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona

mas angosta del riacuteo

b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de

inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de

aproximacioacuten 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

inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de

aproximacioacuten

21

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 Caso 2B Los bastiones restringen

en la seccioacuten del puente el paso del flujo

22

Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten

material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)

Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de

inundacioacuten el cual transporta material de lecho

a) Existen dos ecuaciones

bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)

bull Para una condicioacuten 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 partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo

Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara

Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva

ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten

Vc = 619 Y 16 D5013

Donde

Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]

Y = Profundidad del flujo [m]

D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]

23

b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-

bull Condicioacuten de cama viva_

Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)

Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)

Donde

Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]

Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]

Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]

W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]

W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el

ancho de las pilas) [m]

Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)

Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]

K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla

1

2

176

1

2

1

2

k

WW

QQ

yy

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE

DE SEDIMENTOS

lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO

05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION

gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN

SUSPENSION

24

Donde

V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)

W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]

g = Constante gravitacional (981 ms2)

S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm

t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)

r = Densidad del agua (1000 Kg m3)

1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No

es el total para el caso 1C

2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los

flujos en la planicie de inundacioacuten)

3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el

ancho de las pilas

25

4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse

disminuida por el acorazamiento del lecho

5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la

socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva

y agua clara escogiendo la mayor profundidad

6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente

si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora

disponible

bull Condicioacuten de agua clara_

Ecuacioacuten de Laursen

YS = Y2 ndash Y0

Donde

Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m

Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir

la socavacioacuten por contraccioacuten m

Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m

Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten

asociado en el ancho W m3s

D50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m

Dm = 125 D50 m

W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m

Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material

73

232

2

20250

⎟⎟

⎜⎜

⎛=

WD

QYm

26

Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse

el nivel mas bajo para los caacutelculos

En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipo

interdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc

63 Socavacioacuten En Pilas-

a) Socavacioacuten Local

bull Mecanismo de la socavacioacuten-

El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente

y a los lados de la pila)

Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado

hacia aguas abajo

Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila

ciliacutendrica

27

bull Caracteriacutestica del Flujo-

a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la

profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor

profundidad de socavacioacutenrdquo

b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente

a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede

afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten

c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con

el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se forma

un aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide

en la profundidad de socavacioacuten

d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del

puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila

a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la

Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo

con la pila

b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay

aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute

afecta la profundidad de socavacioacuten

c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la

direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y

28

remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo

sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales

Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la

profundidad de socavacioacuten

Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad

de socavacioacuten

Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor

socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene

aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas

El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de

socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo

Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho

Longitud Idem a la

Espesor Geometriacutea

Elevacioacuten con respecto de la pila

A sup Del lecho

bull Material de Lecho-

Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad

a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de

Socavacioacuten

29

b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a

la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el

tiempo de Socavacioacuten

c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de

Socavacioacuten

b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas- Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se

cuenta con un limitado registro de datos de campo

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten 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 ecuacioacuten De Laursen

El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una

caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)

En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las

partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto

de la socavacioacuten

En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se

incluye en las formulas recomendadas

30

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 14: 74061463 Socavacion en Puentes

Esto no indica que el agua no transporta material sino que la cantidad de

sedimentos en suspensioacuten es menor que la capacidad de transporte de

sedimentos del flujo

La socavacioacuten maacutexima de agua clara en la pila es de alrededor de un 10

mayor que la socavacioacuten de equilibrio de cama viva en esta

5 DISENtildeO DE PUENTES QUE RESISTAN LA SOCAVACIOacuteN

51 Filosofiacutea de disentildeo

a) Disentildear para que la estructura resista los efectos de una ldquosuacuteper

inundacioacutenrdquo (que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos)

b) Las fundaciones deben ser disentildeadas por un equipo

interdisciplinario que incluya ingenieros estructurales hidraacuteulicos y

geoteacutecnicos

14

c) Los estudios hidraacuteulicos son necesarios como parte del estudio

preliminar (socavacioacuten y condiciones del flujo)

d) Usar el ldquojuicio de ingenieriacuteardquo para resolver las limitaciones en

conocimientos existentes

e) Compara los resultados con la informacioacuten disponible incluyendo

bull Comportamiento de estructuras existentes en

inundaciones del pasado

bull Efectos de la regulacioacuten y control de caudales

bull Caracteriacutesticas hidroloacutegicas e historia de avenidas

de la cuenca

f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundacioacuten que tenga

una muy pequentildea probabilidad de falla por un evento extremo

52 Procedimientos general de disentildeo para controlar la socavacioacuten - Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten (TTampL)

Paso 1 Seleccionar las avenidas con periacuteodos de retorno de 100 antildeos o

menos que se espera produzcan las condiciones maacutes severas de

socavacioacuten

Paso 2 Obtener los perfiles hidraacuteulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1

para un rango de caudales

Paso 3 Estimar las profundidades de socavacioacuten total para las condiciones

maacutes criacuteticas

15

Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten

transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del

puente

Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable

Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de

socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario

a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo

b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizado

para estimar la socavacioacuten

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 socavacioacuten

Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base

de que ha ocurrido una socavacioacuten 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 degradacioacuten de

largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por

los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La

base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de

socavacioacuten total

16

b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente

el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de

roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como

soporte lateral)

c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca

erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad

de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten 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

excavacioacuten 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 degradacioacuten esto para

minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten

local resultante

Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo

a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos

b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17

veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta

informacioacuten)

c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el

Paso 7

17

d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la

socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento

extremo)

e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor

miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones

extremas

53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo

a) General

bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encima

de la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea

posible

bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un

miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando

el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos

riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos

bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien

ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el

hielo)

bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces

simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten

(redundancia)

bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben

traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede

se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos

18

praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de

socavacioacuten

bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a

socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la

solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las

condiciones del suelo

b) Pilas (Pilastras)

bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie

de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce

principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse

bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten

Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable

bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar

el hielo y materiales flotantes

bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro

particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos

grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la

estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de

pilas

c) Bastiones (Estribos)

bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las

teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe

ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones

Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas

19

medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para

resistir la socavacioacuten calculada

bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos

guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones

bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de

los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo

suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal

bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de

la que puede ocurrir en bastiones verticales

6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION

61 Metodologiacutea General-

Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es

necesario

bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal

bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales

bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a

largo plazo

bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente

en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por

degradacioacuten a largo plazo

bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variables

hidraacuteulicas

bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros

hidraacuteulicos de lecho constante ajustados

bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado

20

bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la

socavacioacuten local

62 Socavacioacuten por contraccioacuten-

Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal

principal mediante diques de aproximacioacuten al puente

a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se

encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona

mas angosta del riacuteo

b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de

inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de

aproximacioacuten 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

inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de

aproximacioacuten

21

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 Caso 2B Los bastiones restringen

en la seccioacuten del puente el paso del flujo

22

Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten

material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)

Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de

inundacioacuten el cual transporta material de lecho

a) Existen dos ecuaciones

bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)

bull Para una condicioacuten 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 partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo

Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara

Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva

ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten

Vc = 619 Y 16 D5013

Donde

Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]

Y = Profundidad del flujo [m]

D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]

23

b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-

bull Condicioacuten de cama viva_

Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)

Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)

Donde

Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]

Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]

Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]

W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]

W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el

ancho de las pilas) [m]

Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)

Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]

K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla

1

2

176

1

2

1

2

k

WW

QQ

yy

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE

DE SEDIMENTOS

lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO

05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION

gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN

SUSPENSION

24

Donde

V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)

W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]

g = Constante gravitacional (981 ms2)

S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm

t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)

r = Densidad del agua (1000 Kg m3)

1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No

es el total para el caso 1C

2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los

flujos en la planicie de inundacioacuten)

3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el

ancho de las pilas

25

4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse

disminuida por el acorazamiento del lecho

5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la

socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva

y agua clara escogiendo la mayor profundidad

6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente

si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora

disponible

bull Condicioacuten de agua clara_

Ecuacioacuten de Laursen

YS = Y2 ndash Y0

Donde

Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m

Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir

la socavacioacuten por contraccioacuten m

Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m

Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten

asociado en el ancho W m3s

D50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m

Dm = 125 D50 m

W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m

Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material

73

232

2

20250

⎟⎟

⎜⎜

⎛=

WD

QYm

26

Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse

el nivel mas bajo para los caacutelculos

En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipo

interdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc

63 Socavacioacuten En Pilas-

a) Socavacioacuten Local

bull Mecanismo de la socavacioacuten-

El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente

y a los lados de la pila)

Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado

hacia aguas abajo

Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila

ciliacutendrica

27

bull Caracteriacutestica del Flujo-

a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la

profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor

profundidad de socavacioacutenrdquo

b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente

a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede

afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten

c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con

el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se forma

un aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide

en la profundidad de socavacioacuten

d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del

puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila

a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la

Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo

con la pila

b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay

aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute

afecta la profundidad de socavacioacuten

c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la

direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y

28

remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo

sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales

Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la

profundidad de socavacioacuten

Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad

de socavacioacuten

Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor

socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene

aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas

El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de

socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo

Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho

Longitud Idem a la

Espesor Geometriacutea

Elevacioacuten con respecto de la pila

A sup Del lecho

bull Material de Lecho-

Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad

a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de

Socavacioacuten

29

b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a

la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el

tiempo de Socavacioacuten

c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de

Socavacioacuten

b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas- Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se

cuenta con un limitado registro de datos de campo

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten 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 ecuacioacuten De Laursen

El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una

caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)

En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las

partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto

de la socavacioacuten

En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se

incluye en las formulas recomendadas

30

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 15: 74061463 Socavacion en Puentes

c) Los estudios hidraacuteulicos son necesarios como parte del estudio

preliminar (socavacioacuten y condiciones del flujo)

d) Usar el ldquojuicio de ingenieriacuteardquo para resolver las limitaciones en

conocimientos existentes

e) Compara los resultados con la informacioacuten disponible incluyendo

bull Comportamiento de estructuras existentes en

inundaciones del pasado

bull Efectos de la regulacioacuten y control de caudales

bull Caracteriacutesticas hidroloacutegicas e historia de avenidas

de la cuenca

f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundacioacuten que tenga

una muy pequentildea probabilidad de falla por un evento extremo

52 Procedimientos general de disentildeo para controlar la socavacioacuten - Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten (TTampL)

Paso 1 Seleccionar las avenidas con periacuteodos de retorno de 100 antildeos o

menos que se espera produzcan las condiciones maacutes severas de

socavacioacuten

Paso 2 Obtener los perfiles hidraacuteulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1

para un rango de caudales

Paso 3 Estimar las profundidades de socavacioacuten total para las condiciones

maacutes criacuteticas

15

Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten

transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del

puente

Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable

Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de

socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario

a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo

b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizado

para estimar la socavacioacuten

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 socavacioacuten

Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base

de que ha ocurrido una socavacioacuten 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 degradacioacuten de

largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por

los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La

base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de

socavacioacuten total

16

b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente

el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de

roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como

soporte lateral)

c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca

erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad

de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten 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

excavacioacuten 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 degradacioacuten esto para

minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten

local resultante

Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo

a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos

b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17

veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta

informacioacuten)

c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el

Paso 7

17

d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la

socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento

extremo)

e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor

miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones

extremas

53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo

a) General

bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encima

de la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea

posible

bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un

miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando

el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos

riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos

bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien

ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el

hielo)

bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces

simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten

(redundancia)

bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben

traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede

se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos

18

praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de

socavacioacuten

bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a

socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la

solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las

condiciones del suelo

b) Pilas (Pilastras)

bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie

de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce

principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse

bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten

Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable

bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar

el hielo y materiales flotantes

bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro

particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos

grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la

estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de

pilas

c) Bastiones (Estribos)

bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las

teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe

ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones

Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas

19

medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para

resistir la socavacioacuten calculada

bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos

guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones

bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de

los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo

suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal

bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de

la que puede ocurrir en bastiones verticales

6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION

61 Metodologiacutea General-

Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es

necesario

bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal

bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales

bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a

largo plazo

bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente

en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por

degradacioacuten a largo plazo

bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variables

hidraacuteulicas

bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros

hidraacuteulicos de lecho constante ajustados

bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado

20

bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la

socavacioacuten local

62 Socavacioacuten por contraccioacuten-

Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal

principal mediante diques de aproximacioacuten al puente

a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se

encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona

mas angosta del riacuteo

b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de

inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de

aproximacioacuten 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

inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de

aproximacioacuten

21

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 Caso 2B Los bastiones restringen

en la seccioacuten del puente el paso del flujo

22

Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten

material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)

Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de

inundacioacuten el cual transporta material de lecho

a) Existen dos ecuaciones

bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)

bull Para una condicioacuten 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 partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo

Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara

Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva

ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten

Vc = 619 Y 16 D5013

Donde

Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]

Y = Profundidad del flujo [m]

D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]

23

b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-

bull Condicioacuten de cama viva_

Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)

Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)

Donde

Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]

Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]

Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]

W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]

W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el

ancho de las pilas) [m]

Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)

Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]

K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla

1

2

176

1

2

1

2

k

WW

QQ

yy

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE

DE SEDIMENTOS

lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO

05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION

gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN

SUSPENSION

24

Donde

V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)

W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]

g = Constante gravitacional (981 ms2)

S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm

t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)

r = Densidad del agua (1000 Kg m3)

1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No

es el total para el caso 1C

2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los

flujos en la planicie de inundacioacuten)

3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el

ancho de las pilas

25

4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse

disminuida por el acorazamiento del lecho

5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la

socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva

y agua clara escogiendo la mayor profundidad

6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente

si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora

disponible

bull Condicioacuten de agua clara_

Ecuacioacuten de Laursen

YS = Y2 ndash Y0

Donde

Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m

Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir

la socavacioacuten por contraccioacuten m

Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m

Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten

asociado en el ancho W m3s

D50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m

Dm = 125 D50 m

W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m

Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material

73

232

2

20250

⎟⎟

⎜⎜

⎛=

WD

QYm

26

Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse

el nivel mas bajo para los caacutelculos

En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipo

interdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc

63 Socavacioacuten En Pilas-

a) Socavacioacuten Local

bull Mecanismo de la socavacioacuten-

El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente

y a los lados de la pila)

Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado

hacia aguas abajo

Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila

ciliacutendrica

27

bull Caracteriacutestica del Flujo-

a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la

profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor

profundidad de socavacioacutenrdquo

b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente

a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede

afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten

c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con

el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se forma

un aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide

en la profundidad de socavacioacuten

d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del

puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila

a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la

Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo

con la pila

b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay

aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute

afecta la profundidad de socavacioacuten

c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la

direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y

28

remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo

sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales

Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la

profundidad de socavacioacuten

Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad

de socavacioacuten

Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor

socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene

aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas

El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de

socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo

Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho

Longitud Idem a la

Espesor Geometriacutea

Elevacioacuten con respecto de la pila

A sup Del lecho

bull Material de Lecho-

Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad

a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de

Socavacioacuten

29

b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a

la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el

tiempo de Socavacioacuten

c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de

Socavacioacuten

b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas- Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se

cuenta con un limitado registro de datos de campo

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten 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 ecuacioacuten De Laursen

El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una

caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)

En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las

partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto

de la socavacioacuten

En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se

incluye en las formulas recomendadas

30

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 16: 74061463 Socavacion en Puentes

Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten

transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del

puente

Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable

Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de

socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario

a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo

b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizado

para estimar la socavacioacuten

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 socavacioacuten

Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base

de que ha ocurrido una socavacioacuten 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 degradacioacuten de

largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por

los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La

base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de

socavacioacuten total

16

b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente

el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de

roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como

soporte lateral)

c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca

erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad

de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten 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

excavacioacuten 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 degradacioacuten esto para

minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten

local resultante

Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo

a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos

b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17

veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta

informacioacuten)

c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el

Paso 7

17

d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la

socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento

extremo)

e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor

miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones

extremas

53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo

a) General

bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encima

de la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea

posible

bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un

miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando

el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos

riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos

bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien

ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el

hielo)

bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces

simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten

(redundancia)

bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben

traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede

se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos

18

praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de

socavacioacuten

bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a

socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la

solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las

condiciones del suelo

b) Pilas (Pilastras)

bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie

de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce

principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse

bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten

Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable

bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar

el hielo y materiales flotantes

bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro

particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos

grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la

estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de

pilas

c) Bastiones (Estribos)

bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las

teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe

ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones

Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas

19

medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para

resistir la socavacioacuten calculada

bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos

guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones

bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de

los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo

suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal

bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de

la que puede ocurrir en bastiones verticales

6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION

61 Metodologiacutea General-

Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es

necesario

bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal

bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales

bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a

largo plazo

bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente

en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por

degradacioacuten a largo plazo

bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variables

hidraacuteulicas

bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros

hidraacuteulicos de lecho constante ajustados

bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado

20

bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la

socavacioacuten local

62 Socavacioacuten por contraccioacuten-

Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal

principal mediante diques de aproximacioacuten al puente

a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se

encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona

mas angosta del riacuteo

b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de

inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de

aproximacioacuten 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

inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de

aproximacioacuten

21

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 Caso 2B Los bastiones restringen

en la seccioacuten del puente el paso del flujo

22

Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten

material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)

Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de

inundacioacuten el cual transporta material de lecho

a) Existen dos ecuaciones

bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)

bull Para una condicioacuten 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 partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo

Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara

Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva

ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten

Vc = 619 Y 16 D5013

Donde

Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]

Y = Profundidad del flujo [m]

D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]

23

b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-

bull Condicioacuten de cama viva_

Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)

Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)

Donde

Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]

Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]

Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]

W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]

W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el

ancho de las pilas) [m]

Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)

Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]

K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla

1

2

176

1

2

1

2

k

WW

QQ

yy

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE

DE SEDIMENTOS

lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO

05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION

gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN

SUSPENSION

24

Donde

V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)

W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]

g = Constante gravitacional (981 ms2)

S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm

t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)

r = Densidad del agua (1000 Kg m3)

1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No

es el total para el caso 1C

2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los

flujos en la planicie de inundacioacuten)

3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el

ancho de las pilas

25

4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse

disminuida por el acorazamiento del lecho

5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la

socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva

y agua clara escogiendo la mayor profundidad

6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente

si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora

disponible

bull Condicioacuten de agua clara_

Ecuacioacuten de Laursen

YS = Y2 ndash Y0

Donde

Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m

Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir

la socavacioacuten por contraccioacuten m

Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m

Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten

asociado en el ancho W m3s

D50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m

Dm = 125 D50 m

W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m

Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material

73

232

2

20250

⎟⎟

⎜⎜

⎛=

WD

QYm

26

Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse

el nivel mas bajo para los caacutelculos

En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipo

interdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc

63 Socavacioacuten En Pilas-

a) Socavacioacuten Local

bull Mecanismo de la socavacioacuten-

El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente

y a los lados de la pila)

Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado

hacia aguas abajo

Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila

ciliacutendrica

27

bull Caracteriacutestica del Flujo-

a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la

profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor

profundidad de socavacioacutenrdquo

b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente

a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede

afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten

c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con

el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se forma

un aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide

en la profundidad de socavacioacuten

d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del

puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila

a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la

Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo

con la pila

b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay

aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute

afecta la profundidad de socavacioacuten

c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la

direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y

28

remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo

sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales

Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la

profundidad de socavacioacuten

Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad

de socavacioacuten

Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor

socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene

aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas

El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de

socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo

Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho

Longitud Idem a la

Espesor Geometriacutea

Elevacioacuten con respecto de la pila

A sup Del lecho

bull Material de Lecho-

Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad

a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de

Socavacioacuten

29

b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a

la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el

tiempo de Socavacioacuten

c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de

Socavacioacuten

b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas- Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se

cuenta con un limitado registro de datos de campo

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten 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 ecuacioacuten De Laursen

El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una

caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)

En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las

partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto

de la socavacioacuten

En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se

incluye en las formulas recomendadas

30

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 17: 74061463 Socavacion en Puentes

b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente

el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de

roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como

soporte lateral)

c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca

erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad

de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten 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

excavacioacuten 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 degradacioacuten esto para

minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten

local resultante

Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo

a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos

b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17

veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta

informacioacuten)

c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el

Paso 7

17

d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la

socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento

extremo)

e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor

miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones

extremas

53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo

a) General

bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encima

de la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea

posible

bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un

miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando

el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos

riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos

bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien

ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el

hielo)

bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces

simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten

(redundancia)

bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben

traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede

se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos

18

praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de

socavacioacuten

bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a

socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la

solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las

condiciones del suelo

b) Pilas (Pilastras)

bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie

de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce

principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse

bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten

Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable

bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar

el hielo y materiales flotantes

bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro

particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos

grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la

estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de

pilas

c) Bastiones (Estribos)

bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las

teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe

ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones

Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas

19

medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para

resistir la socavacioacuten calculada

bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos

guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones

bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de

los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo

suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal

bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de

la que puede ocurrir en bastiones verticales

6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION

61 Metodologiacutea General-

Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es

necesario

bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal

bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales

bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a

largo plazo

bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente

en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por

degradacioacuten a largo plazo

bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variables

hidraacuteulicas

bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros

hidraacuteulicos de lecho constante ajustados

bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado

20

bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la

socavacioacuten local

62 Socavacioacuten por contraccioacuten-

Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal

principal mediante diques de aproximacioacuten al puente

a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se

encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona

mas angosta del riacuteo

b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de

inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de

aproximacioacuten 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

inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de

aproximacioacuten

21

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 Caso 2B Los bastiones restringen

en la seccioacuten del puente el paso del flujo

22

Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten

material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)

Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de

inundacioacuten el cual transporta material de lecho

a) Existen dos ecuaciones

bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)

bull Para una condicioacuten 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 partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo

Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara

Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva

ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten

Vc = 619 Y 16 D5013

Donde

Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]

Y = Profundidad del flujo [m]

D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]

23

b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-

bull Condicioacuten de cama viva_

Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)

Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)

Donde

Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]

Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]

Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]

W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]

W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el

ancho de las pilas) [m]

Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)

Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]

K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla

1

2

176

1

2

1

2

k

WW

QQ

yy

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE

DE SEDIMENTOS

lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO

05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION

gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN

SUSPENSION

24

Donde

V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)

W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]

g = Constante gravitacional (981 ms2)

S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm

t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)

r = Densidad del agua (1000 Kg m3)

1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No

es el total para el caso 1C

2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los

flujos en la planicie de inundacioacuten)

3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el

ancho de las pilas

25

4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse

disminuida por el acorazamiento del lecho

5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la

socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva

y agua clara escogiendo la mayor profundidad

6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente

si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora

disponible

bull Condicioacuten de agua clara_

Ecuacioacuten de Laursen

YS = Y2 ndash Y0

Donde

Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m

Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir

la socavacioacuten por contraccioacuten m

Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m

Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten

asociado en el ancho W m3s

D50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m

Dm = 125 D50 m

W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m

Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material

73

232

2

20250

⎟⎟

⎜⎜

⎛=

WD

QYm

26

Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse

el nivel mas bajo para los caacutelculos

En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipo

interdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc

63 Socavacioacuten En Pilas-

a) Socavacioacuten Local

bull Mecanismo de la socavacioacuten-

El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente

y a los lados de la pila)

Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado

hacia aguas abajo

Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila

ciliacutendrica

27

bull Caracteriacutestica del Flujo-

a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la

profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor

profundidad de socavacioacutenrdquo

b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente

a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede

afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten

c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con

el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se forma

un aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide

en la profundidad de socavacioacuten

d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del

puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila

a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la

Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo

con la pila

b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay

aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute

afecta la profundidad de socavacioacuten

c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la

direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y

28

remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo

sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales

Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la

profundidad de socavacioacuten

Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad

de socavacioacuten

Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor

socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene

aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas

El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de

socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo

Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho

Longitud Idem a la

Espesor Geometriacutea

Elevacioacuten con respecto de la pila

A sup Del lecho

bull Material de Lecho-

Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad

a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de

Socavacioacuten

29

b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a

la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el

tiempo de Socavacioacuten

c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de

Socavacioacuten

b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas- Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se

cuenta con un limitado registro de datos de campo

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten 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 ecuacioacuten De Laursen

El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una

caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)

En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las

partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto

de la socavacioacuten

En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se

incluye en las formulas recomendadas

30

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 18: 74061463 Socavacion en Puentes

d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la

socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento

extremo)

e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor

miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones

extremas

53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo

a) General

bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encima

de la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea

posible

bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un

miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando

el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos

riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos

bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien

ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el

hielo)

bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces

simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten

(redundancia)

bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben

traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede

se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos

18

praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de

socavacioacuten

bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a

socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la

solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las

condiciones del suelo

b) Pilas (Pilastras)

bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie

de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce

principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse

bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten

Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable

bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar

el hielo y materiales flotantes

bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro

particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos

grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la

estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de

pilas

c) Bastiones (Estribos)

bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las

teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe

ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones

Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas

19

medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para

resistir la socavacioacuten calculada

bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos

guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones

bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de

los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo

suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal

bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de

la que puede ocurrir en bastiones verticales

6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION

61 Metodologiacutea General-

Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es

necesario

bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal

bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales

bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a

largo plazo

bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente

en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por

degradacioacuten a largo plazo

bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variables

hidraacuteulicas

bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros

hidraacuteulicos de lecho constante ajustados

bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado

20

bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la

socavacioacuten local

62 Socavacioacuten por contraccioacuten-

Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal

principal mediante diques de aproximacioacuten al puente

a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se

encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona

mas angosta del riacuteo

b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de

inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de

aproximacioacuten 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

inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de

aproximacioacuten

21

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 Caso 2B Los bastiones restringen

en la seccioacuten del puente el paso del flujo

22

Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten

material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)

Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de

inundacioacuten el cual transporta material de lecho

a) Existen dos ecuaciones

bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)

bull Para una condicioacuten 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 partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo

Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara

Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva

ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten

Vc = 619 Y 16 D5013

Donde

Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]

Y = Profundidad del flujo [m]

D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]

23

b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-

bull Condicioacuten de cama viva_

Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)

Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)

Donde

Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]

Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]

Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]

W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]

W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el

ancho de las pilas) [m]

Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)

Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]

K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla

1

2

176

1

2

1

2

k

WW

QQ

yy

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE

DE SEDIMENTOS

lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO

05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION

gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN

SUSPENSION

24

Donde

V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)

W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]

g = Constante gravitacional (981 ms2)

S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm

t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)

r = Densidad del agua (1000 Kg m3)

1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No

es el total para el caso 1C

2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los

flujos en la planicie de inundacioacuten)

3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el

ancho de las pilas

25

4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse

disminuida por el acorazamiento del lecho

5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la

socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva

y agua clara escogiendo la mayor profundidad

6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente

si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora

disponible

bull Condicioacuten de agua clara_

Ecuacioacuten de Laursen

YS = Y2 ndash Y0

Donde

Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m

Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir

la socavacioacuten por contraccioacuten m

Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m

Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten

asociado en el ancho W m3s

D50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m

Dm = 125 D50 m

W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m

Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material

73

232

2

20250

⎟⎟

⎜⎜

⎛=

WD

QYm

26

Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse

el nivel mas bajo para los caacutelculos

En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipo

interdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc

63 Socavacioacuten En Pilas-

a) Socavacioacuten Local

bull Mecanismo de la socavacioacuten-

El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente

y a los lados de la pila)

Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado

hacia aguas abajo

Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila

ciliacutendrica

27

bull Caracteriacutestica del Flujo-

a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la

profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor

profundidad de socavacioacutenrdquo

b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente

a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede

afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten

c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con

el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se forma

un aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide

en la profundidad de socavacioacuten

d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del

puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila

a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la

Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo

con la pila

b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay

aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute

afecta la profundidad de socavacioacuten

c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la

direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y

28

remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo

sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales

Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la

profundidad de socavacioacuten

Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad

de socavacioacuten

Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor

socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene

aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas

El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de

socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo

Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho

Longitud Idem a la

Espesor Geometriacutea

Elevacioacuten con respecto de la pila

A sup Del lecho

bull Material de Lecho-

Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad

a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de

Socavacioacuten

29

b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a

la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el

tiempo de Socavacioacuten

c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de

Socavacioacuten

b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas- Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se

cuenta con un limitado registro de datos de campo

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten 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 ecuacioacuten De Laursen

El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una

caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)

En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las

partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto

de la socavacioacuten

En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se

incluye en las formulas recomendadas

30

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 19: 74061463 Socavacion en Puentes

praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de

socavacioacuten

bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a

socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la

solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las

condiciones del suelo

b) Pilas (Pilastras)

bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie

de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce

principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse

bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten

Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable

bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar

el hielo y materiales flotantes

bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro

particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos

grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la

estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de

pilas

c) Bastiones (Estribos)

bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las

teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe

ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones

Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas

19

medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para

resistir la socavacioacuten calculada

bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos

guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones

bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de

los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo

suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal

bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de

la que puede ocurrir en bastiones verticales

6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION

61 Metodologiacutea General-

Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es

necesario

bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal

bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales

bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a

largo plazo

bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente

en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por

degradacioacuten a largo plazo

bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variables

hidraacuteulicas

bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros

hidraacuteulicos de lecho constante ajustados

bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado

20

bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la

socavacioacuten local

62 Socavacioacuten por contraccioacuten-

Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal

principal mediante diques de aproximacioacuten al puente

a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se

encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona

mas angosta del riacuteo

b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de

inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de

aproximacioacuten 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

inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de

aproximacioacuten

21

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 Caso 2B Los bastiones restringen

en la seccioacuten del puente el paso del flujo

22

Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten

material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)

Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de

inundacioacuten el cual transporta material de lecho

a) Existen dos ecuaciones

bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)

bull Para una condicioacuten 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 partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo

Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara

Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva

ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten

Vc = 619 Y 16 D5013

Donde

Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]

Y = Profundidad del flujo [m]

D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]

23

b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-

bull Condicioacuten de cama viva_

Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)

Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)

Donde

Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]

Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]

Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]

W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]

W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el

ancho de las pilas) [m]

Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)

Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]

K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla

1

2

176

1

2

1

2

k

WW

QQ

yy

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE

DE SEDIMENTOS

lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO

05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION

gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN

SUSPENSION

24

Donde

V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)

W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]

g = Constante gravitacional (981 ms2)

S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm

t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)

r = Densidad del agua (1000 Kg m3)

1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No

es el total para el caso 1C

2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los

flujos en la planicie de inundacioacuten)

3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el

ancho de las pilas

25

4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse

disminuida por el acorazamiento del lecho

5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la

socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva

y agua clara escogiendo la mayor profundidad

6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente

si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora

disponible

bull Condicioacuten de agua clara_

Ecuacioacuten de Laursen

YS = Y2 ndash Y0

Donde

Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m

Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir

la socavacioacuten por contraccioacuten m

Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m

Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten

asociado en el ancho W m3s

D50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m

Dm = 125 D50 m

W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m

Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material

73

232

2

20250

⎟⎟

⎜⎜

⎛=

WD

QYm

26

Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse

el nivel mas bajo para los caacutelculos

En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipo

interdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc

63 Socavacioacuten En Pilas-

a) Socavacioacuten Local

bull Mecanismo de la socavacioacuten-

El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente

y a los lados de la pila)

Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado

hacia aguas abajo

Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila

ciliacutendrica

27

bull Caracteriacutestica del Flujo-

a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la

profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor

profundidad de socavacioacutenrdquo

b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente

a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede

afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten

c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con

el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se forma

un aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide

en la profundidad de socavacioacuten

d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del

puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila

a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la

Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo

con la pila

b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay

aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute

afecta la profundidad de socavacioacuten

c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la

direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y

28

remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo

sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales

Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la

profundidad de socavacioacuten

Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad

de socavacioacuten

Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor

socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene

aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas

El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de

socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo

Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho

Longitud Idem a la

Espesor Geometriacutea

Elevacioacuten con respecto de la pila

A sup Del lecho

bull Material de Lecho-

Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad

a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de

Socavacioacuten

29

b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a

la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el

tiempo de Socavacioacuten

c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de

Socavacioacuten

b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas- Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se

cuenta con un limitado registro de datos de campo

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten 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 ecuacioacuten De Laursen

El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una

caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)

En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las

partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto

de la socavacioacuten

En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se

incluye en las formulas recomendadas

30

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 20: 74061463 Socavacion en Puentes

medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para

resistir la socavacioacuten calculada

bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos

guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones

bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de

los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo

suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal

bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de

la que puede ocurrir en bastiones verticales

6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION

61 Metodologiacutea General-

Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es

necesario

bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal

bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales

bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a

largo plazo

bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente

en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por

degradacioacuten a largo plazo

bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variables

hidraacuteulicas

bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros

hidraacuteulicos de lecho constante ajustados

bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado

20

bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la

socavacioacuten local

62 Socavacioacuten por contraccioacuten-

Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal

principal mediante diques de aproximacioacuten al puente

a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se

encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona

mas angosta del riacuteo

b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de

inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de

aproximacioacuten 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

inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de

aproximacioacuten

21

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 Caso 2B Los bastiones restringen

en la seccioacuten del puente el paso del flujo

22

Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten

material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)

Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de

inundacioacuten el cual transporta material de lecho

a) Existen dos ecuaciones

bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)

bull Para una condicioacuten 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 partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo

Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara

Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva

ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten

Vc = 619 Y 16 D5013

Donde

Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]

Y = Profundidad del flujo [m]

D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]

23

b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-

bull Condicioacuten de cama viva_

Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)

Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)

Donde

Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]

Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]

Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]

W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]

W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el

ancho de las pilas) [m]

Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)

Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]

K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla

1

2

176

1

2

1

2

k

WW

QQ

yy

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE

DE SEDIMENTOS

lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO

05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION

gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN

SUSPENSION

24

Donde

V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)

W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]

g = Constante gravitacional (981 ms2)

S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm

t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)

r = Densidad del agua (1000 Kg m3)

1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No

es el total para el caso 1C

2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los

flujos en la planicie de inundacioacuten)

3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el

ancho de las pilas

25

4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse

disminuida por el acorazamiento del lecho

5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la

socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva

y agua clara escogiendo la mayor profundidad

6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente

si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora

disponible

bull Condicioacuten de agua clara_

Ecuacioacuten de Laursen

YS = Y2 ndash Y0

Donde

Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m

Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir

la socavacioacuten por contraccioacuten m

Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m

Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten

asociado en el ancho W m3s

D50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m

Dm = 125 D50 m

W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m

Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material

73

232

2

20250

⎟⎟

⎜⎜

⎛=

WD

QYm

26

Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse

el nivel mas bajo para los caacutelculos

En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipo

interdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc

63 Socavacioacuten En Pilas-

a) Socavacioacuten Local

bull Mecanismo de la socavacioacuten-

El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente

y a los lados de la pila)

Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado

hacia aguas abajo

Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila

ciliacutendrica

27

bull Caracteriacutestica del Flujo-

a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la

profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor

profundidad de socavacioacutenrdquo

b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente

a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede

afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten

c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con

el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se forma

un aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide

en la profundidad de socavacioacuten

d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del

puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila

a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la

Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo

con la pila

b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay

aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute

afecta la profundidad de socavacioacuten

c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la

direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y

28

remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo

sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales

Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la

profundidad de socavacioacuten

Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad

de socavacioacuten

Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor

socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene

aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas

El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de

socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo

Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho

Longitud Idem a la

Espesor Geometriacutea

Elevacioacuten con respecto de la pila

A sup Del lecho

bull Material de Lecho-

Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad

a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de

Socavacioacuten

29

b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a

la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el

tiempo de Socavacioacuten

c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de

Socavacioacuten

b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas- Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se

cuenta con un limitado registro de datos de campo

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten 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 ecuacioacuten De Laursen

El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una

caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)

En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las

partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto

de la socavacioacuten

En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se

incluye en las formulas recomendadas

30

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 21: 74061463 Socavacion en Puentes

bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la

socavacioacuten local

62 Socavacioacuten por contraccioacuten-

Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal

principal mediante diques de aproximacioacuten al puente

a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se

encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona

mas angosta del riacuteo

b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de

inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de

aproximacioacuten 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

inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de

aproximacioacuten

21

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 Caso 2B Los bastiones restringen

en la seccioacuten del puente el paso del flujo

22

Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten

material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)

Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de

inundacioacuten el cual transporta material de lecho

a) Existen dos ecuaciones

bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)

bull Para una condicioacuten 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 partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo

Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara

Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva

ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten

Vc = 619 Y 16 D5013

Donde

Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]

Y = Profundidad del flujo [m]

D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]

23

b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-

bull Condicioacuten de cama viva_

Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)

Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)

Donde

Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]

Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]

Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]

W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]

W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el

ancho de las pilas) [m]

Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)

Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]

K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla

1

2

176

1

2

1

2

k

WW

QQ

yy

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE

DE SEDIMENTOS

lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO

05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION

gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN

SUSPENSION

24

Donde

V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)

W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]

g = Constante gravitacional (981 ms2)

S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm

t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)

r = Densidad del agua (1000 Kg m3)

1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No

es el total para el caso 1C

2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los

flujos en la planicie de inundacioacuten)

3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el

ancho de las pilas

25

4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse

disminuida por el acorazamiento del lecho

5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la

socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva

y agua clara escogiendo la mayor profundidad

6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente

si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora

disponible

bull Condicioacuten de agua clara_

Ecuacioacuten de Laursen

YS = Y2 ndash Y0

Donde

Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m

Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir

la socavacioacuten por contraccioacuten m

Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m

Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten

asociado en el ancho W m3s

D50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m

Dm = 125 D50 m

W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m

Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material

73

232

2

20250

⎟⎟

⎜⎜

⎛=

WD

QYm

26

Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse

el nivel mas bajo para los caacutelculos

En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipo

interdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc

63 Socavacioacuten En Pilas-

a) Socavacioacuten Local

bull Mecanismo de la socavacioacuten-

El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente

y a los lados de la pila)

Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado

hacia aguas abajo

Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila

ciliacutendrica

27

bull Caracteriacutestica del Flujo-

a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la

profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor

profundidad de socavacioacutenrdquo

b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente

a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede

afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten

c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con

el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se forma

un aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide

en la profundidad de socavacioacuten

d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del

puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila

a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la

Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo

con la pila

b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay

aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute

afecta la profundidad de socavacioacuten

c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la

direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y

28

remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo

sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales

Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la

profundidad de socavacioacuten

Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad

de socavacioacuten

Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor

socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene

aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas

El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de

socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo

Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho

Longitud Idem a la

Espesor Geometriacutea

Elevacioacuten con respecto de la pila

A sup Del lecho

bull Material de Lecho-

Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad

a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de

Socavacioacuten

29

b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a

la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el

tiempo de Socavacioacuten

c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de

Socavacioacuten

b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas- Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se

cuenta con un limitado registro de datos de campo

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten 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 ecuacioacuten De Laursen

El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una

caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)

En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las

partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto

de la socavacioacuten

En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se

incluye en las formulas recomendadas

30

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 22: 74061463 Socavacion en Puentes

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 Caso 2B Los bastiones restringen

en la seccioacuten del puente el paso del flujo

22

Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten

material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)

Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de

inundacioacuten el cual transporta material de lecho

a) Existen dos ecuaciones

bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)

bull Para una condicioacuten 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 partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo

Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara

Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva

ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten

Vc = 619 Y 16 D5013

Donde

Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]

Y = Profundidad del flujo [m]

D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]

23

b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-

bull Condicioacuten de cama viva_

Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)

Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)

Donde

Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]

Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]

Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]

W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]

W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el

ancho de las pilas) [m]

Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)

Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]

K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla

1

2

176

1

2

1

2

k

WW

QQ

yy

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE

DE SEDIMENTOS

lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO

05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION

gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN

SUSPENSION

24

Donde

V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)

W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]

g = Constante gravitacional (981 ms2)

S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm

t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)

r = Densidad del agua (1000 Kg m3)

1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No

es el total para el caso 1C

2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los

flujos en la planicie de inundacioacuten)

3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el

ancho de las pilas

25

4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse

disminuida por el acorazamiento del lecho

5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la

socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva

y agua clara escogiendo la mayor profundidad

6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente

si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora

disponible

bull Condicioacuten de agua clara_

Ecuacioacuten de Laursen

YS = Y2 ndash Y0

Donde

Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m

Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir

la socavacioacuten por contraccioacuten m

Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m

Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten

asociado en el ancho W m3s

D50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m

Dm = 125 D50 m

W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m

Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material

73

232

2

20250

⎟⎟

⎜⎜

⎛=

WD

QYm

26

Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse

el nivel mas bajo para los caacutelculos

En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipo

interdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc

63 Socavacioacuten En Pilas-

a) Socavacioacuten Local

bull Mecanismo de la socavacioacuten-

El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente

y a los lados de la pila)

Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado

hacia aguas abajo

Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila

ciliacutendrica

27

bull Caracteriacutestica del Flujo-

a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la

profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor

profundidad de socavacioacutenrdquo

b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente

a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede

afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten

c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con

el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se forma

un aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide

en la profundidad de socavacioacuten

d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del

puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila

a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la

Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo

con la pila

b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay

aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute

afecta la profundidad de socavacioacuten

c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la

direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y

28

remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo

sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales

Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la

profundidad de socavacioacuten

Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad

de socavacioacuten

Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor

socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene

aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas

El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de

socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo

Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho

Longitud Idem a la

Espesor Geometriacutea

Elevacioacuten con respecto de la pila

A sup Del lecho

bull Material de Lecho-

Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad

a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de

Socavacioacuten

29

b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a

la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el

tiempo de Socavacioacuten

c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de

Socavacioacuten

b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas- Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se

cuenta con un limitado registro de datos de campo

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten 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 ecuacioacuten De Laursen

El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una

caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)

En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las

partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto

de la socavacioacuten

En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se

incluye en las formulas recomendadas

30

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 23: 74061463 Socavacion en Puentes

Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten

material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)

Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de

inundacioacuten el cual transporta material de lecho

a) Existen dos ecuaciones

bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)

bull Para una condicioacuten 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 partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo

Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara

Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva

ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten

Vc = 619 Y 16 D5013

Donde

Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]

Y = Profundidad del flujo [m]

D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]

23

b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-

bull Condicioacuten de cama viva_

Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)

Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)

Donde

Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]

Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]

Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]

W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]

W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el

ancho de las pilas) [m]

Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)

Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]

K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla

1

2

176

1

2

1

2

k

WW

QQ

yy

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE

DE SEDIMENTOS

lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO

05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION

gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN

SUSPENSION

24

Donde

V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)

W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]

g = Constante gravitacional (981 ms2)

S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm

t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)

r = Densidad del agua (1000 Kg m3)

1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No

es el total para el caso 1C

2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los

flujos en la planicie de inundacioacuten)

3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el

ancho de las pilas

25

4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse

disminuida por el acorazamiento del lecho

5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la

socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva

y agua clara escogiendo la mayor profundidad

6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente

si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora

disponible

bull Condicioacuten de agua clara_

Ecuacioacuten de Laursen

YS = Y2 ndash Y0

Donde

Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m

Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir

la socavacioacuten por contraccioacuten m

Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m

Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten

asociado en el ancho W m3s

D50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m

Dm = 125 D50 m

W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m

Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material

73

232

2

20250

⎟⎟

⎜⎜

⎛=

WD

QYm

26

Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse

el nivel mas bajo para los caacutelculos

En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipo

interdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc

63 Socavacioacuten En Pilas-

a) Socavacioacuten Local

bull Mecanismo de la socavacioacuten-

El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente

y a los lados de la pila)

Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado

hacia aguas abajo

Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila

ciliacutendrica

27

bull Caracteriacutestica del Flujo-

a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la

profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor

profundidad de socavacioacutenrdquo

b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente

a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede

afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten

c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con

el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se forma

un aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide

en la profundidad de socavacioacuten

d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del

puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila

a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la

Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo

con la pila

b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay

aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute

afecta la profundidad de socavacioacuten

c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la

direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y

28

remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo

sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales

Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la

profundidad de socavacioacuten

Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad

de socavacioacuten

Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor

socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene

aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas

El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de

socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo

Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho

Longitud Idem a la

Espesor Geometriacutea

Elevacioacuten con respecto de la pila

A sup Del lecho

bull Material de Lecho-

Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad

a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de

Socavacioacuten

29

b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a

la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el

tiempo de Socavacioacuten

c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de

Socavacioacuten

b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas- Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se

cuenta con un limitado registro de datos de campo

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten 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 ecuacioacuten De Laursen

El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una

caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)

En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las

partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto

de la socavacioacuten

En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se

incluye en las formulas recomendadas

30

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 24: 74061463 Socavacion en Puentes

b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-

bull Condicioacuten de cama viva_

Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)

Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)

Donde

Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]

Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]

Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]

W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]

W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el

ancho de las pilas) [m]

Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)

Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]

K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla

1

2

176

1

2

1

2

k

WW

QQ

yy

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE

DE SEDIMENTOS

lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO

05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION

gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN

SUSPENSION

24

Donde

V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)

W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]

g = Constante gravitacional (981 ms2)

S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm

t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)

r = Densidad del agua (1000 Kg m3)

1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No

es el total para el caso 1C

2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los

flujos en la planicie de inundacioacuten)

3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el

ancho de las pilas

25

4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse

disminuida por el acorazamiento del lecho

5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la

socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva

y agua clara escogiendo la mayor profundidad

6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente

si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora

disponible

bull Condicioacuten de agua clara_

Ecuacioacuten de Laursen

YS = Y2 ndash Y0

Donde

Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m

Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir

la socavacioacuten por contraccioacuten m

Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m

Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten

asociado en el ancho W m3s

D50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m

Dm = 125 D50 m

W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m

Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material

73

232

2

20250

⎟⎟

⎜⎜

⎛=

WD

QYm

26

Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse

el nivel mas bajo para los caacutelculos

En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipo

interdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc

63 Socavacioacuten En Pilas-

a) Socavacioacuten Local

bull Mecanismo de la socavacioacuten-

El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente

y a los lados de la pila)

Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado

hacia aguas abajo

Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila

ciliacutendrica

27

bull Caracteriacutestica del Flujo-

a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la

profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor

profundidad de socavacioacutenrdquo

b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente

a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede

afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten

c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con

el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se forma

un aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide

en la profundidad de socavacioacuten

d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del

puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila

a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la

Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo

con la pila

b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay

aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute

afecta la profundidad de socavacioacuten

c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la

direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y

28

remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo

sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales

Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la

profundidad de socavacioacuten

Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad

de socavacioacuten

Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor

socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene

aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas

El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de

socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo

Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho

Longitud Idem a la

Espesor Geometriacutea

Elevacioacuten con respecto de la pila

A sup Del lecho

bull Material de Lecho-

Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad

a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de

Socavacioacuten

29

b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a

la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el

tiempo de Socavacioacuten

c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de

Socavacioacuten

b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas- Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se

cuenta con un limitado registro de datos de campo

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten 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 ecuacioacuten De Laursen

El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una

caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)

En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las

partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto

de la socavacioacuten

En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se

incluye en las formulas recomendadas

30

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 25: 74061463 Socavacion en Puentes

Donde

V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)

W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]

g = Constante gravitacional (981 ms2)

S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm

t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)

r = Densidad del agua (1000 Kg m3)

1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No

es el total para el caso 1C

2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los

flujos en la planicie de inundacioacuten)

3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el

ancho de las pilas

25

4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse

disminuida por el acorazamiento del lecho

5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la

socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva

y agua clara escogiendo la mayor profundidad

6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente

si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora

disponible

bull Condicioacuten de agua clara_

Ecuacioacuten de Laursen

YS = Y2 ndash Y0

Donde

Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m

Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir

la socavacioacuten por contraccioacuten m

Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m

Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten

asociado en el ancho W m3s

D50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m

Dm = 125 D50 m

W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m

Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material

73

232

2

20250

⎟⎟

⎜⎜

⎛=

WD

QYm

26

Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse

el nivel mas bajo para los caacutelculos

En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipo

interdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc

63 Socavacioacuten En Pilas-

a) Socavacioacuten Local

bull Mecanismo de la socavacioacuten-

El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente

y a los lados de la pila)

Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado

hacia aguas abajo

Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila

ciliacutendrica

27

bull Caracteriacutestica del Flujo-

a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la

profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor

profundidad de socavacioacutenrdquo

b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente

a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede

afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten

c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con

el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se forma

un aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide

en la profundidad de socavacioacuten

d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del

puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila

a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la

Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo

con la pila

b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay

aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute

afecta la profundidad de socavacioacuten

c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la

direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y

28

remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo

sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales

Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la

profundidad de socavacioacuten

Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad

de socavacioacuten

Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor

socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene

aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas

El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de

socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo

Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho

Longitud Idem a la

Espesor Geometriacutea

Elevacioacuten con respecto de la pila

A sup Del lecho

bull Material de Lecho-

Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad

a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de

Socavacioacuten

29

b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a

la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el

tiempo de Socavacioacuten

c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de

Socavacioacuten

b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas- Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se

cuenta con un limitado registro de datos de campo

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten 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 ecuacioacuten De Laursen

El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una

caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)

En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las

partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto

de la socavacioacuten

En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se

incluye en las formulas recomendadas

30

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 26: 74061463 Socavacion en Puentes

4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse

disminuida por el acorazamiento del lecho

5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la

socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva

y agua clara escogiendo la mayor profundidad

6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente

si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora

disponible

bull Condicioacuten de agua clara_

Ecuacioacuten de Laursen

YS = Y2 ndash Y0

Donde

Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m

Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir

la socavacioacuten por contraccioacuten m

Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m

Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten

asociado en el ancho W m3s

D50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m

Dm = 125 D50 m

W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m

Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material

73

232

2

20250

⎟⎟

⎜⎜

⎛=

WD

QYm

26

Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse

el nivel mas bajo para los caacutelculos

En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipo

interdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc

63 Socavacioacuten En Pilas-

a) Socavacioacuten Local

bull Mecanismo de la socavacioacuten-

El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente

y a los lados de la pila)

Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado

hacia aguas abajo

Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila

ciliacutendrica

27

bull Caracteriacutestica del Flujo-

a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la

profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor

profundidad de socavacioacutenrdquo

b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente

a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede

afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten

c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con

el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se forma

un aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide

en la profundidad de socavacioacuten

d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del

puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila

a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la

Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo

con la pila

b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay

aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute

afecta la profundidad de socavacioacuten

c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la

direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y

28

remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo

sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales

Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la

profundidad de socavacioacuten

Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad

de socavacioacuten

Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor

socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene

aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas

El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de

socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo

Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho

Longitud Idem a la

Espesor Geometriacutea

Elevacioacuten con respecto de la pila

A sup Del lecho

bull Material de Lecho-

Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad

a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de

Socavacioacuten

29

b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a

la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el

tiempo de Socavacioacuten

c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de

Socavacioacuten

b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas- Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se

cuenta con un limitado registro de datos de campo

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten 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 ecuacioacuten De Laursen

El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una

caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)

En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las

partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto

de la socavacioacuten

En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se

incluye en las formulas recomendadas

30

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 27: 74061463 Socavacion en Puentes

Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse

el nivel mas bajo para los caacutelculos

En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipo

interdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc

63 Socavacioacuten En Pilas-

a) Socavacioacuten Local

bull Mecanismo de la socavacioacuten-

El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente

y a los lados de la pila)

Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado

hacia aguas abajo

Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila

ciliacutendrica

27

bull Caracteriacutestica del Flujo-

a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la

profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor

profundidad de socavacioacutenrdquo

b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente

a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede

afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten

c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con

el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se forma

un aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide

en la profundidad de socavacioacuten

d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del

puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila

a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la

Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo

con la pila

b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay

aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute

afecta la profundidad de socavacioacuten

c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la

direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y

28

remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo

sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales

Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la

profundidad de socavacioacuten

Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad

de socavacioacuten

Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor

socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene

aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas

El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de

socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo

Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho

Longitud Idem a la

Espesor Geometriacutea

Elevacioacuten con respecto de la pila

A sup Del lecho

bull Material de Lecho-

Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad

a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de

Socavacioacuten

29

b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a

la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el

tiempo de Socavacioacuten

c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de

Socavacioacuten

b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas- Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se

cuenta con un limitado registro de datos de campo

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten 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 ecuacioacuten De Laursen

El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una

caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)

En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las

partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto

de la socavacioacuten

En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se

incluye en las formulas recomendadas

30

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 28: 74061463 Socavacion en Puentes

bull Caracteriacutestica del Flujo-

a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la

profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor

profundidad de socavacioacutenrdquo

b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente

a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede

afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten

c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con

el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se forma

un aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide

en la profundidad de socavacioacuten

d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del

puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila

a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la

Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo

con la pila

b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay

aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute

afecta la profundidad de socavacioacuten

c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la

direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y

28

remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo

sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales

Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la

profundidad de socavacioacuten

Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad

de socavacioacuten

Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor

socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene

aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas

El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de

socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo

Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho

Longitud Idem a la

Espesor Geometriacutea

Elevacioacuten con respecto de la pila

A sup Del lecho

bull Material de Lecho-

Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad

a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de

Socavacioacuten

29

b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a

la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el

tiempo de Socavacioacuten

c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de

Socavacioacuten

b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas- Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se

cuenta con un limitado registro de datos de campo

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten 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 ecuacioacuten De Laursen

El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una

caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)

En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las

partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto

de la socavacioacuten

En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se

incluye en las formulas recomendadas

30

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 29: 74061463 Socavacion en Puentes

remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo

sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales

Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la

profundidad de socavacioacuten

Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad

de socavacioacuten

Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor

socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene

aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas

El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de

socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo

Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho

Longitud Idem a la

Espesor Geometriacutea

Elevacioacuten con respecto de la pila

A sup Del lecho

bull Material de Lecho-

Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad

a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de

Socavacioacuten

29

b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a

la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el

tiempo de Socavacioacuten

c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de

Socavacioacuten

b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas- Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se

cuenta con un limitado registro de datos de campo

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten 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 ecuacioacuten De Laursen

El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una

caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)

En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las

partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto

de la socavacioacuten

En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se

incluye en las formulas recomendadas

30

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 30: 74061463 Socavacion en Puentes

b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a

la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el

tiempo de Socavacioacuten

c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de

Socavacioacuten

b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas- Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se

cuenta con un limitado registro de datos de campo

Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten 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 ecuacioacuten De Laursen

El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una

caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)

En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las

partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto

de la socavacioacuten

En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se

incluye en las formulas recomendadas

30

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 31: 74061463 Socavacion en Puentes

Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten

Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en

campo

31

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 32: 74061463 Socavacion en Puentes

Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo

bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-

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

Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda

Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08

Ys lt 30 (a) para Fr lt 08

32

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 33: 74061463 Socavacion en Puentes

Ecuacioacuten CSU modificado

Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1) 065 Fr1 043

Y1

O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1a) 035 Fr1 043

Donde

Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]

Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]

K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujo

K1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)

K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho

K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento

a- Ancho de pila [m]

Fr1- Nuacutemero de fronde = V1

(gy1) 05

V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]

g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2

Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten

bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque

El factor de correccioacuten K1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la

pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados

33

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 34: 74061463 Socavacion en Puentes

Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la

forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10

Factor de correccioacuten K1 seguacuten el

tipo de pila

Factor de correccioacuten K2 para el

aacutengulo de ataque del flujo

Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12

(a) Frente cuadrado 11

(b) Frente circular 10

(c) Seccioacuten circular 10

(d) Frente agudo 09

(e) Grupo de columnas 10

0 10 10 10

15 15 20 25

30 20 275 35

45 23 33 43

90 25 39 50

Angulo = Angulo de inclinacioacuten con

respecto al flujo

L = longitud de la pila (largo en

sentido del flujo)

L

a a a

a

L

(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA

(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES

L=( de pilas) (a)

a

34

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 35: 74061463 Socavacion en Puentes

bull Geometriacutea comuacuten en pilas

El factor de correccioacuten K2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado

usando la siguiente formula

K2= (cos θ + La sinθ) 065

Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo

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

bull Condicioacuten del lecho Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio

en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho

CONDICION DEL LECHO

ALTURA DE LAS DUNAS H (m)

K3

Dunas grandes H gt 9 13

Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12

Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11

Lecho plano y antidunas NA 11

Socavacioacuten de agua clara NA 11

Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la

socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de

equilibrio

35

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 36: 74061463 Socavacion en Puentes

Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se

considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la

socavacioacuten de equilibrio

bull Acorazamiento

El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido

a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales

que tienen un D50 gt= 006 m

La ecuacioacuten es la siguiente

K4= (1-089 (1-VR)2)05

VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)

Vi =0645(D50 a)0053 Vc50

Donde-

VR = razoacuten de velocidades

V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)

Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su

movimiento (ms)

Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)

Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)

a = ancho de la pila (m)

36

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 37: 74061463 Socavacion en Puentes

Igualmente Vc = 619 y16 Dc13

Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)

Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-

VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4

FACTOR TAMANtildeO MIN MAT DE LECHO

VALOR MINIMO VRgt10 K4

K4 D50 gt= 006m 07 10

bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la

Socavacioacuten

No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta

a la socavacioacuten local

En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se

produzcan los voacutertices 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 fundacioacuten

Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de

la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del

lecho

37

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 38: 74061463 Socavacion en Puentes

Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2

caacutelculos

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 socavacioacuten

bull Velocidad promedio en la placa Expuesta

Donde

V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=19310ln

19310ln

11

KsY

KsY

VV

F

F

Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por

contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]

Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de

apoyo [ms]

38

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 39: 74061463 Socavacion en Puentes

Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior

de la placa de apoyo [m]

Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del

material

bull Socavacioacuten 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 proyeccioacuten 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 cerraacutendose los espacios entre pilotes y

provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones

bull Placas expuestas al Flujo

Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la

profundidad de socavacioacuten 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 socavacioacuten

Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los

posibles escenarios

39

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 40: 74061463 Socavacion en Puentes

bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero

sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas

El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si

se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor

Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples con

una distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo

debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de

ataque del flujo Ej

Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m

tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque

flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la

geometriacutea de las columnas

Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo

de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida

40

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 41: 74061463 Socavacion en Puentes

bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten

El flujo a presioacuten 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 presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo

bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede

quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre

el puente

Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten 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 (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los

veacutertices tipo herradura

Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que

la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacuten

calculada en condiciones normales

41

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 42: 74061463 Socavacion en Puentes

bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas

Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad

de socavacioacuten local

Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo

hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten

Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante

entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su

ancho real

bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten

El ancho superior del agujero de socavacioacuten 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)

42

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 43: 74061463 Socavacion en Puentes

Donde

W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o

placa de fundacioacuten [m]

Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]

K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la

profundidad

θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)

El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys

Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys

64 Socavacioacuten Local En Estribos

a) Mecanismo de Socavacioacuten-

bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el

voacutertice de herradura

bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir

otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de

aproximacioacuten

bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara

b) Condiciones Generales

bull 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

43

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 44: 74061463 Socavacion en Puentes

Tipos comunes de estribos

Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la

direccioacuten del flujo

bull Ubicacioacuten 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

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 45: 74061463 Socavacion en Puentes

bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal

principal

El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar

al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten

debido a que

a Incrementa la fuerza de los voacutertices

b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos

bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de

eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se

encuentran dentro del canal debido a que

a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten

que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la

socavacioacuten

b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que las

velocidades y profundidades son menores

c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos

Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han

sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir

en el estribo

bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)

Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas

en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten

desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente

45

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 46: 74061463 Socavacion en Puentes

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Donde

=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig

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

aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo

θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba

Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m

Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo

Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) 50a

e

gYV

Fr =

e

ee A

QV = ms

Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s

Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m

Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

Descripcioacuten 1K

Estribo Vertical 10

Estribo Vertical con paredes laterales 082

Estribo inclinado 055

46

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 47: 74061463 Socavacion en Puentes

El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de

Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga

una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en

muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten

para cubrir el 98 de los datos

bull Ecuacioacuten HIRE

Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos

por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte

frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando

la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del

flujo ( ) es mayor que 25 1Y

5504 21330

11

KKFrYYs =

Donde

=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m

1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o

en el canal principal m

=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo

adyacente al estribo (aguas arriba)

1K = 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 graacutefica para corregir la

ecuacioacuten HIRE

47

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 48: 74061463 Socavacion en Puentes

bull Socavacioacuten de agua clara en estribo

No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten

de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de

cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible

profundidad de socavacioacuten

48

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 49: 74061463 Socavacion en Puentes

7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION

Descripcioacuten Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m

con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha

disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal

principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del

puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y

con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han

considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones

Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten

del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos es

de 84951 m3s

Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente

a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten

bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque

bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante

vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir una

migracioacuten lateral del canal principal

bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la

seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente

bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la

zona de inundacioacuten es de 2 mm

bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265

bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra

estratos de roca a 46 m por debajo del lecho

bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y

antidunas K3 = 11

49

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 50: 74061463 Socavacion en Puentes

bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena

vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos

bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado

erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos

bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran

perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes

de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos

aguas arriba y aguas abajo

b) Tengo de dato hidraacuteulicos

Q = 84951 m3s rarr Caudal total

K1 = 19000 rarr transporte del canal principal

Ktotal = 39150 rarr transporte total

W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo

Ac = 320 m2 rarr Aacuterea del canal principal

P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente

Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal

Ktotal = 12540 rarr transporte total

Ac = 236 m2 rarr Aacuterea del canal principal

50

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 51: 74061463 Socavacion en Puentes

Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de

aacutereas que definen las maacutergenes en el puente

W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)

Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no

contraiacutedo

c) Solucioacuten

bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva

- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten

approachtotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1 = 84941 m3s(18999923915116)

Q1 = 41226 m3s

- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

==1

1 WA

Y c (320 m21219 m)

Y1 = 262 m

- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de

aproximacioacuten

cA

QV 11 = = (41226m3 s )( 320m2)

V1 = 128 ms

51

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 52: 74061463 Socavacion en Puentes

- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas

Vc = 619 y1 16D 5013

Vc = 091 ms

Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por

contraccioacuten de cama viva en el canal principal

- Determinacioacuten de K1

bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten de

aproximacioacuten)

PA

R c= = 320m212198m

R = 262 m

Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media

bull calculo del esfuerzo cortante

γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)

bull Velocidad cortante

smV 23050

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρτ

52

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 53: 74061463 Socavacion en Puentes

bull Calcular V w

W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten

V w = 109

bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2

K1= 064

bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2

bridgetotalK

KQQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

Q2 = 76767 m3s

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho

1

2

176

1

2

1

2

K

WW

QQ

YY

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Y2 = 46 m

Y0 = Ac W2

Y0 = 2 m

Ys = Y2 - Y0

Ys = 26 m

53

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 54: 74061463 Socavacion en Puentes

bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda

(seccioacuten del puente)

1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara

Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el

bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute

socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual

provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten

( )

73

232

2

20250

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

WD

QY

m

Dm = 125 D50

Ys = Y2 - Y0

2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara

Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente

Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del

puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva

Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el

puente determinando substrayendo Qchan del caudal total

Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en

la zona lateral

Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce

principal a la base del bastioacuten izquierdo

54

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 55: 74061463 Socavacion en Puentes

Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)

Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten

3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral

bull Calculo de Y2

( )

( )( ) ( )

mWD

QY

contractedm

371766500250

67767518490250025073

232

2

73

232

2

2 =⎥⎥

⎢⎢

⎡ minus=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral

Y0 = Ac W2 = 087 m

bull Caacutelculo de Ys

Ys = Y2 ndashY0 = 05 m

bull Socavacioacuten en pilas

a = 152 m (ancho de pila)

Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa

Vmax = 373 ms

Y1 = 284 m

55

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 56: 74061463 Socavacion en Puentes

Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos

K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la

geometriacutea de la pila)

K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

- Calculo del nuacutemero de froud

( ) 706660

842819

733 50

250

1

1

=

==

FrmsmYg

VFr

- Uso de la ecuacioacuten CSU

m

YYS

583Y842261Y

070666284152111112

Fr ) Ya( K K K 2K

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 716 m

W total = 7162+152 = 1584 m

56

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 57: 74061463 Socavacion en Puentes

Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo

Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados

K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados

K2=

COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065

ENTONCES L =1219m y a =152m

La = 1219152 =802

K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)

K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)

m

YY S

055Y842781Y

070666284152111409112

Fr ) Ya( K K K 2K

CSU ECUACIONLA DE USO

S

S

043065

0431

065

1 4321

1

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 101 m

W total = 1012+152 = 2172 m

57

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 58: 74061463 Socavacion en Puentes

bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo 1 Ecuacioacuten de Frohelich

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich

Qe = 14868 m3s

Ae = 26465 m2

Lrsquo = 2328 m

Y1 = 083 m

Caacutelculo

Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)

K1 = 055

Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo 130

2 90⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

θK

si θ = 90deg

019090 130

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=K

Profundidad promedio del flujo en el estribo

mmm

LAeYa 141

823265264

2

===

58

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 59: 74061463 Socavacion en Puentes

Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por

el estribo

smm

smAeQeVe 560

69264661482

3

===

Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten

( ) ( )( )[ ] 170141819

56050250 ===

msmsm

gYaVeFr

Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

300272 610430

21 +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= Fr

YLKK

YY

aa

s

( )( ) ( ) 300170141

823201550272141

610430

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mm

mYs

mYs 15=

2 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=129 ms

Y1 = 083 m

59

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 60: 74061463 Socavacion en Puentes

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 450830819

2911 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015504504830

330=m

Ys

mYs 552=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 51 m

bull Socavacioacuten local en el estribo derecho

1 Ecuacioacuten de HIRE

5504 21330

11

KKFrYYs =

Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE

Vsub=219 ms

Y1 = 122 m

60

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 61: 74061463 Socavacion en Puentes

Caacutelculo

Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m

Valida la ecuacioacuten de HIRE

Nuacutemero de froud

( )( )

( )( )[ ] 6302201819

1921 502501

===msm

smgYVsubFr

Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo

5504 21330

11

KKFrYYs =

( ) ( )( )550

015506304221

330=m

Ys

mYs 194=

El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de

W= 2 Ys

W = 838 m

Evaluacioacuten de los resultados

bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien

alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten

bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que

tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de

socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de

CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad

colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de

las pilas

61

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 62: 74061463 Socavacion en Puentes

bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de

Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya

que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el

cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos

en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de

la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se

protegeraacuten los estribos con gaviones

bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de

colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en

la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el

cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones

bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten

entre estos

8 OBRAS DE CONTROL

El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se

conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo

que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de

los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la

evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales

medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles

zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de

sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten

Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes

a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeas

presas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo

en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de

control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada

inmediatamente aguas abajo

62

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 63: 74061463 Socavacion en Puentes

b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas

que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas

erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo

c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos

cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de

sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es

inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras

Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten 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 disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento

producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente

incremento en la socavacioacuten del lecho

e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas

desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como

muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y

deslizamiento

f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de

tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado

como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos

acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la

geometriacutea del caacuteuce

63

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 64: 74061463 Socavacion en Puentes

g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel

maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses

reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o

jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va

a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre

aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las

obras

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

bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzado bull Gaviones colchonetas bull Piedra suelta piedra pegada bull Tablestacas metaacutelicas o de madera bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena bull Fajinas de guadua bull Elementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc

h) Migracioacuten de Meandros

bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado

entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos

son miacutenimos

bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una

curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas

64

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 65: 74061463 Socavacion en Puentes

bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten

la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su

implementacioacuten

Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva

estabilizada

i) Degradacioacuten del lecho

bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos

de profundidades adecuadas de cimentacioacuten

bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad

lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado

colchones de roca

bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de

piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes

j) Agradacioacuten del lecho

bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del

material depositado

bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de

incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada

bull Canalizacioacuten del flujo

65

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 66: 74061463 Socavacion en Puentes

k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o obstrucciones locales

bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos

bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares

bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y

estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba

l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten

Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas

contra inundaciones

El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia

y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten

baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de

las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten

66

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 67: 74061463 Socavacion en Puentes

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de

proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute

prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para su

determinacioacuten y tener cada vez mejores obras

En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo

mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para

corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor

estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y

asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso

de las obras el mayor tiempo posible

Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un

sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los

vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para

asiacute 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 uacutenicas sino las mas

recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las

pruebas realizadas en campo

Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis 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 ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU

Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto

para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes

puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves

perjuicios econoacutemicos

67

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
Page 68: 74061463 Socavacion en Puentes

10 BIBLIOGRAFIA

bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo

Nacional Highway Institute octubre 1999

bull ldquoPuentesrdquo

Belmonte G H Bolivia 2002

httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull

bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo

MSc Ing Roberto Campantildea Toro

68

  • 6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
  • Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de reacutegimen torrencial
  • 51 Filosofiacutea de disentildeo
  • 6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
  • a) Existen dos ecuaciones
    • Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
    • b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
      • Condicioacuten de agua clara_
        • Ecuacioacuten de Laursen
        • a) Socavacioacuten Local
          • Mecanismo de la socavacioacuten-
              • Caracteriacutestica del Flujo-
                • Geometriacutea de la pila
                  • Material de Lecho-
                  • Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
                  • b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
                  • Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
                    • Fr1- Nuacutemero de fronde = V1
                      • Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten