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

8/16/2019 Efectos de La Socavacion en Obras Civiles Desde El Punto de Vista Hidraulico

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

REGIÓN XALAPA

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

HIDRAULICO“

MONOGRAFIA

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO CIVIL

PRESENTA

ERIC DURAN DOMINGUEZ

DIRECTOR

ING. DAVID LOZANO LAEZ

Xalapa Enríquez Veracruz 2014


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INDICE

1.- GENERALIDADES……………………………………………………………………1

1.1 Vientos………………………………………………………………………....1

1.1.1. Lluvia, nieve, granizo, tormentas…………………………………………2

1.1.2. El fenómeno climático……………………………………………………..4

1.2 Calentamiento global…………………………………………………….......4

1.3 Temperatura………………………………………………………………......6

1.4 Ríos………………………………………………………………………….....7

2.- OBJETIVOS……………………………………………………………………………9

2.1 Descripción de socavación…………………………………………………10 2.2 Factores actuantes en la socavación……………………………………..11

3.- TIPOS DE SOCAVACIÓN…………………………………………………………..13

3.1 Socavación general…………………………………………………………13

3.2 Socavación en estrechamiento…………………………………………….15

3.3 Socavación transversal…………………………………………………......15

3.4 Socavación en curvas………………………………………………………16

3.5 Socavación en pilas de puentes………………………………………......17

3.6 Socavación local en estribos……………………………………………….21

3.7 Socavación aguas abajo de grandes presas……………………………..21

3.8 Socavación al pie de obras de excedencia……………………………….22

3.9 Socavación bajo tuberías….……………………………………………….23

4.- ASPECTOS GEOMORFOLOGICOS DEL CAUCE………………………………29

4.1 Sedimentos y formas del lecho…………………………………………….24 4.2 Rápidos y remansos………………………………………………………...26

4.3 Ambientes fluviales………………………………………………………….27

4.3.1. Corriente en línea recta………………………………………………….28


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4.3.2. Corriente entrelazada…………………………………………………….28

4.3.3. Corriente meándrica……………………………………………………..30

4.3.4. Barras de meandros……………………………………………………..31

4.4. Material del lecho…………………………………………………………..33

4.5. Estabilidad de los cauces de los ríos…………………………………….34

5.- FORMUL AS PARA EL CALCULO DE SOCAVACIÓN…………………………..35

5.1. Estudios hidrológicos……………………………………………………….35

5.2. Estudios hidráulicos………………………………………………………...36

5.3. Estudios de suelos………………………………………………………….37

5.4. Estudios……………………………………………………………………...38

5.5 Lischtvan- Levediev…………………………………………………………395.5.1. Análisis de la socavación general para suelos cohesivos en cauces

definidos con rugosidad uniforme……………………………………………...42

5.5.2. Análisis de la socavación general para suelos no cohesivos, en

cauces definidos con r ugosidad uniforme…………………………………….46

5.6 Laursen………………………………………………………………………47

5.7 Flujo alterado………………………………………………………………...52

5.8 Socavación en estribos: Froehlich…………………………………………54

5.9 Socavación en estribos: Hire……………………………………………….55

6.-SOCAVACIÓN EN OBRAS CIVILES………………………………………………56

6.1 Efectos de la socavación…………………………………………………..56

6.2 Socavación y degradación en puentes…………………………………..58

7.- CONCLUSIONES……………………………………………………………………61

8.- BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………………63


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Agradecimientos.

Agradezco a mis padres por haberme apoyado en todos mis estudios y así poder

concluir mi carrera, haciendo lo que ellos pudieron para que yo tuviera un futuro

mejor y así poder tener una licenciatura.

También agradezco a mis maestros que me dieron las bases para enfrentarme a

lo que me espera ya desarrollando los conocimientos adquiridos en la facultad

para solucionar los problemas profesionales con los esos conocimientos que me

enseñaron a lo largo de la carrera.

Por otro lado también debo mencionar a mis compañeros con los que pase

buenos momentos durante mi estancia en la facultad.

Y también a cada uno de los que han formado parte de mi formación tanto en lo

escolar como en lo personal, para ser una persona que enfrente los retos que

vienen y así poder tener soluciones a ellos.


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1.- GENERALIDADES.

1.1 Vientos.

Dice que la palabra viento viene del latín ventus y que significa “aire atmosférico

que se mueve en una dirección determinada”. Dice también que es “aire agitado

de cualquier modo”, es decir que cualquiera puede provocar viento simplemente

agitando el aire. Es el movimiento del aire en la atmósfera con relación a la

superficie terrestre, originado por la diferente cantidad de masas de aire que se

encuentran a distintas temperaturas. En meteorología se denomina como tal la

componente del movimiento del aire paralela la superficie terrestre. Los

movimientos de las masas de aire en otras direcciones se denominan corrientes

de aire. Por medio del viento se transporta la humedad y el calor de unas zonas aotras, parámetros fundamentales que configuran el tiempo en un lugar. Al ser una

magnitud vectorial se define por su dirección, sentido y por su velocidad. Por la

atmósfera terrestre circulan corrientes de aire en forma constante, que se

mantienen en equilibrio porque cuando viene una corriente de aire en dirección

norte, se ve contrarrestada por otra que va en dirección sur.

Si la tierra no rotase, los vientos soplarían principalmente en sentido norte-sur,

pero al rotar, hace que desvíen su rumbo. Los continentes crean sistemas devientos locales. A ras de tierra, el aire se desplaza desde ambos hemisferios hacia

el ecuador. El intercambio de aire entre los hemisferios norte y sur es un proceso

bastante lento. Durante más de 3000 años la mayoría de los barcos fueron

movidos por los vientos. El molino de viento fue probablemente inventado en

Persia y fue adoptado en la Edad Media para moler grano y extraer agua.

Hoy el hombre aprovecha el viento para generar electricidad en estaciones eólicas

experimentales.


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1.1.1. Lluvia, nieve, granizo, tormentas.

Cuando la humedad del aire supera el punto de saturación, se condensa alrededor

de pequeñas partículas sólidas que flotan en la atmósfera y se forman las nubes.

Algunas de ellas se desarrollan en vertical, corrientes internas hacen que el aireascienda hacia zonas más frías, mientras las gotas aumentan de tamaño ya que,

al descender la temperatura, el agua en estado gaseoso tiende a convertirse en

líquida. Si las gotas de agua o hielo superan en peso a las fuerzas que las

sostienen, caen por la fuerza de la gravedad y forman lo que llamamos una

"precipitación".

Dependiendo de la temperatura y el grado de condensación, el agua se puede

precipitar en forma de lluvia líquida, pero también puede hacerlo en forma de

cristales de hielo (nieve) o de masas densas de hielo de diverso

tamaño(granizo).Cuando las diferencias de temperatura entre dos masas de aire

son muy grandes, la condensación se produce con enorme rapidez y abundancia,

hay precipitaciones intensas, acompañadas de movimientos bruscos del aire y de

intercambio eléctrico entre las masas (rayos y relámpagos). Es lo que llamamos

"tormentas" y, en algunos casos, pueden llegar muy violentas. El viento es aire en

movimiento. El aire caliente asciende y el aire frio ocupa su lugar. Este movimientocrea los vientos alrededor del globo terráqueo. El viento se genera a causa de

diferentes presiones en la atmosfera. Puesto que la Tierra gira, los vientos tratan

de desplazarse hacia la derecha del Hemisferios Norte y, hacia la izquierda, en el

hemisferio Sur. A esto se le llama Efecto Coriolis.

Los vientos prevalecientes son una serie de correas alrededor del globo terráqueo

que producen vientos constantes cerca de la superficie. Los vientos alisios son

constantes y se desplazan hacia el ecuador. Las corrientes fuertes son zonasestrechas de vientos muy fuertes en la parte superior de la tropósfera. Los vientos

se mueven a diferentes velocidades y se les dan diferentes nombres basado en la

Escala de Beaufort. Esta escala va del 0 al 12 y cubre desde aire calmo a brisa, a


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fuertes vientos, o vendavales. A los vientos también se les agrupa según su

dirección. Los vientos del Este se desplazan del Este hacia el Oeste, mientras que

los vientos del Oeste se desplazan del Oeste al Este. Él viento de mayor velocidad

que se ha registrado fue de 230 millas por hora en New Hampshire en 1934. Cabe

señalar que los tornados pueden tener vientos más rápidos. El lugar donde hay

más vientos es en la Antártica.

Clasificación de la Velocidad de los Vientos:

Número de

Beaufort

Velocidad del

Viento (km/hr)

Descripción

Internacional

Descripción del Buró

de Clima de EEUU

Efecto del Viento sobre el

Mar

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12-17 >117 Huracán HuracánMar blanco, lleno de

crestas, rocío y espuma

1.1.2. El fenómeno climático.

El fenómeno climático es una anomalía climática originada en el océano Pacífico

tropical frente a las costas de Perú y Ecuador, con periodicidad de tres a cinco

años alrededor de la Navidad. Normalmente los alisios soplan de Este a Oeste

portando gran cantidad de agua superficial templada que descargará intensas

lluvias monzónicas en Indonesia, mientras que por la cola occidental

sudamericana aflora agua fría cargada de nutrientes y favorable a la pesca.

Aproximadamente cada cuatro años en el Pacífico oriental el agua superficial se

calienta hasta unos 12ºC y permanece estacionaria: un fenómeno local de impacto

mundial en cuanto al clima y cadenas de tróficas. Los alisios ceden el monzón

descarga en pleno Pacífico, y, mientras puede llover torrencialmente en el desierto

de Atacama o en la costa de California, hay sequía en el Pacífico Occidental.

Cada episodio de El Niño puede generar tele conexiones y patrones climáticos

similares a larga distancia. En el período 1973-1990 la curva del maíz en Zimbawe

fue réplica del remoto El Niño.

1.2. Calentamiento global.

El calentamiento global es un término utilizado para referirse al fenómeno del

aumento de la temperatura media global, de la atmósfera terrestre y de los

océanos, que posiblemente alcanzó el nivel de calentamiento de la época

medieval a mediados del siglo XX, para excederlo a partir de entonces.

Todas las recopilaciones de datos representativas a partir de las muestras de

hielo, los anillos de crecimiento de los árboles, etc., indican que las temperaturasfueron cálidas durante el Medioevo, se enfriaron a valores bajos durante los siglos

XVII, XVIII y XIX y se volvieron a calentar después con rapidez. Cuando se estudia

el Holoceno (últimos 11 600 años), el Panel Intergubernamental del Cambio

http://www.mgar.net/mar/costas.htmhttp://www.mgar.net/mar/costas.htmhttp://es.wikipedia.org/wiki/Temperaturahttp://es.wikipedia.org/wiki/Atm%C3%B3sfera_terrestrehttp://es.wikipedia.org/wiki/Oc%C3%A9anohttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%89poca_medievalhttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%89poca_medievalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Siglo_XXhttp://es.wikipedia.org/wiki/Recopilaci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Muestras_de_hielohttp://es.wikipedia.org/wiki/Muestras_de_hielohttp://es.wikipedia.org/wiki/Anillos_de_crecimientohttp://es.wikipedia.org/wiki/Clima_c%C3%A1lidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Medioevohttp://es.wikipedia.org/wiki/Holocenohttp://es.wikipedia.org/wiki/Panel_Intergubernamental_del_Cambio_Clim%C3%A1ticohttp://es.wikipedia.org/wiki/Panel_Intergubernamental_del_Cambio_Clim%C3%A1ticohttp://es.wikipedia.org/wiki/Holocenohttp://es.wikipedia.org/wiki/Medioevohttp://es.wikipedia.org/wiki/Clima_c%C3%A1lidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Anillos_de_crecimientohttp://es.wikipedia.org/wiki/Muestras_de_hielohttp://es.wikipedia.org/wiki/Muestras_de_hielohttp://es.wikipedia.org/wiki/Recopilaci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Siglo_XXhttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%89poca_medievalhttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%89poca_medievalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Oc%C3%A9anohttp://es.wikipedia.org/wiki/Atm%C3%B3sfera_terrestrehttp://es.wikipedia.org/wiki/Temperaturahttp://www.mgar.net/mar/costas.htmhttp://www.mgar.net/mar/costas.htm


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Climático (IPCC) no aprecia evidencias de que existieran temperaturas medias

anuales mundiales más cálidas que las actuales. Si las proyecciones de un

calentamiento aproximado de 5 °C en este siglo se materializan, entonces el

planeta habrá experimentado una cantidad de calentamiento medio mundial igual

a la que sufrió al final de la Glaciación wisconsiense (último período glaciar);

según el IPCC no hay pruebas de que la posible tasa de cambio mundial futuro

haya sido igualada en los últimos 50 millones de años por una elevación de

temperatura comparable.

El calentamiento global está asociado a un cambio climático que puede

tener causa antropogénica o no. El principal efecto que causa el calentamiento

global es el efecto invernadero, fenómeno que se refiere a la absorción por ciertos

gases atmosféricos—principalmente H2O, seguido por CO2 y O3—de parte de la

energía que el suelo emite, como consecuencia de haber sido calentado por la

radiación solar. El efecto invernadero natural que estabiliza el clima de la Tierra no

es cuestión que se incluya en el debate sobre el calentamiento global. Sin este

efecto invernadero natural las temperaturas caerían aproximadamente en unos

30 °C; con tal cambio, los océanos podrían congelarse y la vida, tal como la

conocemos, sería imposible. Para que este efecto se produzca, son necesarios

estos gases de efecto invernadero, pero en proporciones adecuadas. Lo quepreocupa a los climatólogos es que una elevación de esa proporción producirá un

aumento de la temperatura debido al calor atrapado en la baja atmósfera.

El IPCC sostiene que: «la mayoría de los aumentos observados en la temperatura

media del globo desde la mitad del siglo XX, son muy probablemente debidos al

aumento observado en las concentraciones de GEI antropogénicas. Esto es

conocido como la teoría antropogénica, y predice que el calentamiento global

continuará si lo hacen las emisiones de gases de efecto invernadero. En el últimoreporte con proyecciones de modelos climáticos presentados por IPCC, indican

que es probable que temperatura global de la superficie, aumente entre 1,1 a

6,4 °C (2,0 a 11,5 °F) durante el siglo XXI.

http://es.wikipedia.org/wiki/Panel_Intergubernamental_del_Cambio_Clim%C3%A1ticohttp://es.wikipedia.org/wiki/Glaciaci%C3%B3n_wisconsiensehttp://es.wikipedia.org/wiki/Cambio_clim%C3%A1ticohttp://es.wikipedia.org/wiki/Influencia_antropog%C3%A9nica_sobre_el_climahttp://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_invernaderohttp://es.wikipedia.org/wiki/Mol%C3%A9cula_de_aguahttp://es.wikipedia.org/wiki/Mol%C3%A9cula_de_aguahttp://es.wikipedia.org/wiki/Mol%C3%A9cula_de_aguahttp://es.wikipedia.org/wiki/Di%C3%B3xido_de_carbonohttp://es.wikipedia.org/wiki/Di%C3%B3xido_de_carbonohttp://es.wikipedia.org/wiki/Di%C3%B3xido_de_carbonohttp://es.wikipedia.org/wiki/Ozonohttp://es.wikipedia.org/wiki/Ozonohttp://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_invernaderohttp://es.wikipedia.org/wiki/Calorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Gas_de_efecto_invernaderohttp://es.wikipedia.org/wiki/Influencia_antropog%C3%A9nica_sobre_el_climahttp://es.wikipedia.org/wiki/Modelo_clim%C3%A1ticohttp://es.wikipedia.org/wiki/Temperaturahttp://es.wikipedia.org/wiki/Temperaturahttp://es.wikipedia.org/wiki/Modelo_clim%C3%A1ticohttp://es.wikipedia.org/wiki/Influencia_antropog%C3%A9nica_sobre_el_climahttp://es.wikipedia.org/wiki/Gas_de_efecto_invernaderohttp://es.wikipedia.org/wiki/Calorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_invernaderohttp://es.wikipedia.org/wiki/Ozonohttp://es.wikipedia.org/wiki/Di%C3%B3xido_de_carbonohttp://es.wikipedia.org/wiki/Mol%C3%A9cula_de_aguahttp://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_invernaderohttp://es.wikipedia.org/wiki/Influencia_antropog%C3%A9nica_sobre_el_climahttp://es.wikipedia.org/wiki/Cambio_clim%C3%A1ticohttp://es.wikipedia.org/wiki/Glaciaci%C3%B3n_wisconsiensehttp://es.wikipedia.org/wiki/Panel_Intergubernamental_del_Cambio_Clim%C3%A1tico


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Se han propuesto varias medidas con el fin de mitigar el cambio

climático, adaptarse a él o utilizar geo ingeniería para combatir sus efectos. El

mayor acuerdo internacional respectivo al calentamiento global ha sido

el Protocolo de Kioto, el cual tiene como objetivo la estabilización de la

concentración de gases de efecto invernadero para evitar una "interferencia

antropogénica peligrosa con el sistema climático". Fue adoptado

durante Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático y

promueve una reducción de emisiones contaminantes, principalmente CO2. Hasta

noviembre de 2009, 187 estados han ratificado el protocolo. EE. UU., mayor

emisor de gases de invernadero mundial, no ha ratificado el protocolo.

Más allá del consenso científico general en torno a la aceptación del origen

principalmente antropogénico del calentamiento global, hay un intenso debate

político sobre la realidad, de la evidencia científica del mismo.

1.3. Temperatura.

La temperatura de la Tierra se ha incrementado a una tasa de 0.2 grados cada

década durante los últimos 30 años, de acuerdo con el equipo de investigaciones

encabezado por James Hansen, del Instituto Goddard de Estudios Espaciales de

la NASA, con sede en Nueva York.

Ello eleva la temperatura global a su nivel más cálido en períodos entre

glaciaciones, que se inició hace unos 12,000.

Los investigadores señalaron que según un informe de la revista Nature, 1,700

especies de plantas, animales e insectos han empezado a mover sus hábitat en

dirección a los polos a razón de 6.4 kilómetros por década durante la primera

mitad del siglo XX.

El calentamiento ha sido más pronunciado en las lejanas regiones del norte,

donde el hielo al derretirse ha expuesto tierra y rocas oscuras, que permiten una

http://es.wikipedia.org/wiki/Mitigaci%C3%B3n_del_cambio_clim%C3%A1ticohttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Adaptaci%C3%B3n_al_calentamiento_global&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Geoingenier%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Protocolo_de_Kyotohttp://es.wikipedia.org/wiki/Convenci%C3%B3n_Marco_de_las_Naciones_Unidas_sobre_el_Cambio_Clim%C3%A1ticohttp://es.wikipedia.org/wiki/EE._UU.http://es.wikipedia.org/wiki/EE._UU.http://es.wikipedia.org/wiki/Convenci%C3%B3n_Marco_de_las_Naciones_Unidas_sobre_el_Cambio_Clim%C3%A1ticohttp://es.wikipedia.org/wiki/Protocolo_de_Kyotohttp://es.wikipedia.org/wiki/Geoingenier%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Adaptaci%C3%B3n_al_calentamiento_global&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Mitigaci%C3%B3n_del_cambio_clim%C3%A1tico


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mayor absorción del calor solar, concentrándose éste en el suelo y no en los

océanos.

La temperatura del agua cambia con más lentitud que en la tierra, debido a su

mayor capacidad para retener calor, pero los investigadores encontraron un mayor

calentamiento en los océanos Índico y Pacífico occidental. Esos cuerpos acuáticos

tienen un gran efecto en el clima y el calentamiento mundiales, lo cual podría

causar manifestaciones del fenómeno climático conocido como "El Niño",

afectando los patrones climáticos.

Esta evidencia señala que nos estamos acercando a niveles peligrosos de

contaminación producida por el ser humano.Pocos científicos ponen en duda la idea del calentamiento mundial, aunque

algunos sí cuestionan las razones de ello.

Desde hace décadas se habla sobre los riesgos del cambio climático, se dice que

los gases de invernadero producto de las actividades humanas han sido la

principal causa del calentamiento mundial.

El estudio indicó que el calentamiento global ha llevado a la temperatura mundial a

apenas un grado de la mayor que se haya registrado durante el último millón de

años.

Si el calentamiento global se eleva otros dos o tres grados Celsius, con seguridad

veremos cambios que harán a la Tierra un planeta muy diferente que el que

conocemos ahora. La última vez que estuvo tan caliente fue en el plioceno medio,

hace unos tres millones de años, cuando el nivel del mar ha sido estimado en

unos 25 metros por encima de los niveles actuales.


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1.4. Ríos.

Los ríos tienen un régimen hidrológico determinado por las características de la

cuenca y delas precipitaciones (lluvia y nieve). Estamos acostumbrados a

relacionar el caudal de un rio con las lluvias inmediatas precedentes y asípensamos en la escorrentía directa de la cuenca como la realidad hidrológica más

importante. Conviene señalar que en otros casos la fusión de las nieves explica el

régimen del rio. En grandes ríos de climas tropicales el régimen hidrológico tiene

una fuerte y regular estacionalidad, es decir hay un largo periodo de aguas altas

que puede esperarse cada año. Las aguas subterráneas explican permanencia

deun caudal base de un rio durante un periodo seco y a la inversa la infiltración a

través de un cauce permeable explica que los ríos se sequen.

A este aspecto se llaman ríos efímeros, por oposición a ríos perennes, aquellos

que solo llevan agua en episodios de fuertes precipitaciones, mientras que se

mantienen secos el resto del tiempo. Son típicos de climas áridos y semiáridos.

Se llaman ríos aluviales aquellos que escurren en materiales sedimentarios

modernos, generalmente aportados por el propio rio. El lecho de estos ríos tiene

un cierto espesor de material granular prácticamente suelto. Asimismo, es muy

común que los materiales aluviales ocupen mucha más extensión horizontal que ladel cauce actual, formando unas llanuras ocasionalmente inundables llamadas

llanuras de inundación. Estos ríos pueden evolucionar a través de estas llanuras y

causar cambios importantes de los cauces. Los problemas más importantes que

afronta la ingeniería fluvial se refiere a ríos de estas características, porque

frecuentemente en sus valles aluviales se asienta la mayor densidad de

actividades humanas. Por contra, los ríos de lecho rocoso o cohesivo suelen ser

ríos encajados o incisos en los valles, desde el punto de vista morfológico y conmenos interacción con los asentamientos de población. La pendiente de un rio

establece la diferencia más importante en cuanto al régimen hidráulico. Se llaman

ríos torrenciales los que tienen pendientes de 1.5 % y torrentes los cursos de agua

de pendiente mayor que 6%.


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El papel geológico de un río es, a muy grandes rasgos, la erosión en la cabecera

de la cuenca donde la pendiente es mayor y el material del cauce más grueso, el

transporte en el tramo medio y la sedimentación en el tramo bajo donde la

pendiente es menor y el material del cauce más fino. Esto da un perfil longitudinal

típicamente cóncavo y una distribución del tamaño del material granular

menguante en la dirección de aguas abajo.


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2.- OBJETIVOS.

En lo últimos años se han presentado grandes desastres en nuestro país debido a

problemas de erosión y flujo de lodos así como de material grueso arrastrado por

avenidas extraordinarias. En muchos casos el problema se le atribuye a la malaplaneación, diseño, operación, mantenimiento o construcción de obras, así como

asentamientos cercanos y dentro del área de influencia del cauce de los ríos. Los

problemas que se presentan en los diseños de estructuras hidráulicas cuando se

necesita evaluar de manera confiable los volúmenes de sedimentos que los ríos

transportan hasta las obras y que a menudo causan fallas en la operación de

bocatomas y presas de embalse, en el torno de las inundaciones y en las

protecciones de los márgenes, se deben a los siguientes factores.

a) Deficiencia en la información cartográfica e hidrometereológica y la

producción de sedimentos en la mayoría de los ríos.

b) Desarrollo aún incipiente de los métodos de medición de sedimentos y de

aplicación de fórmulas empíricas a casos reales.

c) Cambios en las prácticas tradicionales de manejo de las cuencas después

de construir las obras.

En los primeros dos casos las cargas totales de transporte de sedimentos que seaplican en el diseños de las obras pueden resultar excesivas o deficientes; en el

tercero, el pronóstico hecho con base en la información histórica resulta irreal. Por

las razones expuestas, para lograr un buen diseño de las obras que van a estar

sometidas al efecto de los sedimentos es necesario evaluar, además de la

información histórica entre la cuenca como productora de sedimentos y el rio como

conductor de los mismos.

Es indispensable que en la solución de estos problemas se considere la

experiencia y el buen juicio de los ingenieros especialistas en hidráulica, así como

el análisis extenso de los casos de falla que se han presentado. En función de

tener la confirmación técnico-científica del fenómeno de la socavación y que


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podría ocurrir en los depósitos de aluvión existentes sobre el contorno estructural

rocoso, bajo la influencia del caudal del rio y respectivas velocidades e incidentes.

La socavación se clasifica como general y local. La general es la que se produce

en lechos aluviales o cohesivos por efecto de la dinámica de la corriente y estárelacionada con la conformación del nivel de base. Es un fenómeno a largo plazo,

aun cuando efectos catastróficos pueden acelerarlo. Por otra parte los locales se

presentan en sitios particulares de la corriente y es ocasionada por el paso de

crecientes y por la acción de obras civiles, como obras de encauzamiento,

espolones, puentes con pilas o estribos dentro del cauce, obras transversales de

control etc. Antes de diseñar obras para tratamiento de cauces es necesario

conocer la magnitud de la socavación general se deben realizar análisis

geomorfológicos entre puntos de control, o sea entre secciones estables. Estos

análisis se basan en el estudio de fotografías aéreas y cartografías de diferentes

épocas y los cambios que se aprecien en observaciones de campo y

levantamientos topográficos.

2.1. Descripción de socavación.

La socavación es un fenómeno natural que ocurre en el fondo y orillas de un

canal natural o artificial cuando el agua se encuentra en movimiento. Esto se debea que la corriente de agua que se desplaza en su cauce o en una zona de

inundación tiene una cierta capacidad de suspender y arrastrar partículas sólidas

que constituyen el lecho sobre el que ocurre el flujo. Este movimiento de material

sólido en corrientes aluviales es un fenómeno complejo que depende de diversos

factores, tales como la configuración geológica y topográfica del cauce, las

características del material de arrastre y las características hidráulicas de la

corriente. Esto produce la llamada socavación normal en el lecho de la corriente.

Cuando se coloca un obstáculo dentro del cauce, como una pila de apoyo de un

puente, se modifican localmente las condiciones de escurrimiento, cambiando en

consecuencia la capacidad de arrastre en la zona vecina a la obstrucción.


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Si esta capacidad es mayor que la proporción con que la corriente alimenta a la

zona con material sólido, se producirá en ésta una socavación adicional a la

normal de la corriente; en caso contrario se producirá un depósito.

Es evidente que el conocimiento de la profundidad a que puede llegar la

socavación total y las características de este fenómeno son de fundamental

importancia para el diseño de cimentaciones poco profundas, en el caso de

puentes y aún de otras estructuras construidas en zonas inundables.

Innumerables fallas de puentes han ocurrido cuando la profundidad de desplante

de las pilas ha quedado arriba del nivel alcanzado por la socavación normal, más

la adicional impuesta por los obstáculos que la cimentación representa. Lo cual ha

hecho que la socavación sea una de las causas más comunes de falla en puentes,

presas y el derrumbamiento de casas a orillas de los ríos.

2.2. Factores actuantes en la socavación.

Los principales factores que actúan en el fenómeno de socavación, que podría

ocurrir en los depósitos aluvionales existentes sobre el contorno estructural

rocoso, bajo la influencia del caudal del rio y respectivas velocidades e incidentes

naturales, son los provocados por fuertes lluvias que por consecuencia conllevanal arrastre de materiales.

Se han intentado soluciones teóricas del problema, pero dadas las incertidumbres

envueltas, su valor es hasta cierto punto dudoso. La otra fuente de conocimiento

disponible es la que emana del análisis de corrientes reales o de experimentos en

modelos de laboratorio; estos estudios son los más prometedores y de hecho han

rendido ya resultados prácticos muy satisfactorios.

Las fuerzas involucradas en formar y mantener al cauce están relacionadas con la

corriente del fluido. El paso del fluido ejerce una fuerza erosiva en ambos, el lecho

y la orilla y es este al abrirse paso mediante la fuerza erosiva lo que causa que las

partículas contenidas en el lecho y la orilla sean arrastradas por el agua, esto


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mediante el empuje, rodamiento y rebote. Esta porción de escombros

transportados es lo que se conoce como carga de fondo. La misma fuerza erosiva

crea los turbulentos remolinos en el fluido que corre y que arrastran algunas

partículas de material y las arrojan en la masa principal del fluido, transportándolas

de esta manera como carga en suspensión.

Uno de los problemas básicos del estudio de los ríos es la identificación de una ley

general o principio que provea una explicación en términos físicos para los

distintos tipos de unidad que muestran los cauces de los ríos y la red que los

comprende así como los diferentes fenómenos mecánicos o naturales.

Es muy fácil hablar tan solo de los resultados dela acción dinámica de los ríos en

términos antropométricos pues, los ríos parecen tener una tendencia inherente amostrar muchas de las características de un organismo. En primer lugar existe una

organización de las distintas partes.

Todos los sistemas de ríos parecen tener básicamente el mismo tipo de

organización, pudiendo diferir en detalles. El sistema de ríos es dinámico en tanto

que tiene partes que se mueven y pueden causar incidentes y crear cambio.


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3.- TIPOS DE SOCAVACIÓN.

La socavación que una corriente de agua produce en el cauce por el que circula,

puede presentar diversas formas, de las cuales las de mayor interés para el

ingeniero son las que brevemente se describen a continuación.

3.1 Socavación general.

Consiste en una disminución generalizada del nivel del fondo como consecuencia

del incremento de la capacidad del flujo, al presentarse una creciente y es debido

al aumento de la capacidad de arrastre del material solido que en ese momento

adquiere la corriente, en virtud de su mayor velocidad para transportar material

durante las avenidas. Este es un fenómeno de proceso natural que puede ocurrir a

todo lo largo del río donde no interviene la mano del hombre.

La erosión del fondo de un cauce definido por el cual discurre una corriente es una

cuestión de equilibrio entre el aporte sólido que pueda traer el agua a una cierta

sección y el material que sea removido por el agua de esa sección; en una

avenida, aumenta la velocidad del agua, por lo tanto y, la capacidad de arrastre.

La posibilidad de arrastre de los materiales de fondo en cada punto se considera,

a su vez, dependiendo de la relación que existe entre la velocidad media del agua

y la velocidad media requerida para arrastrar las partículas que constituyen el

fondo en cuestión. Para suelos sueltos, esta última no es la velocidad que inicia el

movimiento de algunas partículas de fondo, sino la velocidad mayor, que mantiene

un movimiento generalizado; en suelos cohesivos, será aquella velocidad capaz

de ponerlos en suspensión.

La primera velocidad mencionada depende de las características hidráulicas del

río: pendiente, rugosidad y tirante; la segunda depende de las características del

material del fondo y del tirante. Como característica del material se toma el

diámetro medio, en el caso de suelos no cohesivos y el peso específico seco, en

el caso de los suelos cohesivos (en suelos friccionantes se suele considerar en la


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literatura del tema el mismo peso específico a todas las arenas y gravas, por lo

que estas propiedad no puede usarse para diferenciarlas). El peso específico seco

al que se ha hecho referencia corresponde al γ d y se obtiene dividiendo el peso de

los sólidos dela muestra (ws) entre el volumen original de la masa del suelo(vm).

Naturalmente que un criterio tan simplista para definir las características de los

materiales impone las correspondientes limitaciones en los resultados y

conclusiones de las teorías elaboradas con tales ideas.

Fig. 3.1. Socavación general.

La erosión general puede llegar a producirse inclusive cuando el lecho del rio esrocoso, con tal de que la velocidad de la corriente sea superior a la necesaria para

producir el desgaste de la roca. Un hecho curioso observado es que la socavación

general disminuye para una misma velocidad media de la corriente, en fondos no

cohesivos, cuando el agua arrastra en suspensión gran cantidad de partículas

finas, del tamaño de limos y arcillas; el hecho se atribuye a la disminución de en te

caso del grado de turbulencia del agua, por aumento de su peso específico y de

su viscosidad.


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3.2 Socavación por estrechamiento.

Se entiende por socavación en estrechamientos la que se produce por el aumento

en la capacidad de arrastre de sólidos que adquiere una corriente cuando su

velocidad aumenta por efecto de una reducción de área hidráulica en su cauce. Elefecto es muy importante en puentes, donde por lo común y por razones de

economía suelen ocurrir las mencionadas reducciones, si bien puede presentarse

en otros lugares del curso del río, en que un estrechamiento más o menos brusco

tenga lugar.

3.3. Socavación transversal.

La reducción del ancho de la sección de un cauce ocasionada en forma natural ocomo consecuencia de una obra civil, es compensada por el incremento en la

profundidad hasta el punto en el cual se alcanza la capacidad necesaria en la

sección.

Fig. 3.2. Socavación transversal.


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3.4. Socavación en curvas.

Se genera en el fondo cercano al lado cóncavo de la curva o talud exterior debido

al flujo helicoidal que se forma cuando el río cambia de dirección, esto se debe a

la sobre elevación del nivel del agua en esta zona producida por la zonacentrífuga, a caminar más aprisa que los situados más hacia el interior ; como

consecuencia, la capacidad de arrastre de sólidos de los primeros es mayor que la

de los segundos y la profundidad de erosión es mayor en la parte del cauce

exterior a la curva que en el interior. El efecto es importante y ha de ser tenido en

cuenta en la construcción de puentes en curvas de rio en el diseño de

enrocamientos de protección en los mismos lugares y tiene gran influencia en la

divagación de corrientes, pues al disminuir la velocidad en el intradós de la curva

aumenta el deposito en esta zona y, por ello, disminuye la zona útil para el flujo del

agua, en tanto que en el extradós, al aumentar la profundidad y el área hidráulica,

aumenta el gasto.

La socavación bajo un puente construido en una curva estable puede cuantificarse

con los métodos para el cálculo de la profundidad de socavación general que más

adelante se exponen, una vez conocido el perfil actual del río. Pero en el caso de

que el puente esté en un tramo recto y exista la posibilidad de que una curva o un

meandro avance y lo cruce, o bien si se desea rectificar un cauce en el tramo que

comprenda al cruce de un puente y éste, tras la rectificación, queda sobre curva,

será preciso calcular las nuevas profundidades de socavación que se puedan

presentar en ese caso; con los datos del perfil del río en las nuevas condiciones, la

nueva profundidad de socavación esperada podrá calcularse con los mismos

métodos empleados para el cálculo dela socavación general.

Erosión en márgenes que las aguas de una corriente producen en los materialestérreos deleznables o solubles que formen sus orillas; el efecto es especialmente

peligroso en crecientes, por el aumento del poder erosivo de la corriente a causa

de su mayor velocidad. La erosión de márgenes es causa de divagación y si el

ataque se produce en estratos susceptibles situados bajo otros que no lo son,


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producirá desbordamiento causantes de inestabilidades en los taludes de la propia

margen. El fenómeno se presenta en ríos encañonados y también en las

corrientes marinas que bordean zonas costeras altas.

3.5. Socavación en pilas de puentes.

La excavación adicional a la propia de la corriente producida al pie de las pilas de

los puentes es debida a las modificaciones de las condiciones hidráulicas de

escurrimiento que la presencia de la propia pila produce. En efecto, basta la

desviación lateral de la corriente, causada por el obstáculo, para que aquella

adquiera un impulso en dirección vertical que, combina con el movimiento de

avance da lugar a trayectorias descendientes que atacan el fondo, incrementando

mucho la capacidad de arrastre de material solido en la zona aguas arriba de lapila. En la cavidad así creada se produce un vórtice de eje horizontal que aumenta

la erosión, hasta el punto en que se alcanza un nuevo perfil de equilibrio en el

fondo del cauce. La profundidad afectada por esta socavación varía con muchos

factores que se refieren tanto a la corriente, como al cauce y a la propia pila. Las

principales de estas características son el tirante y velocidad del agua, el tipo de

suelo que forma el fondo el cauce la forma de la pila, su ancho y su inclinación con

respecto a la dirección principal dela corriente.

Fig. 3.3. Socavación en pilas de puentes.


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Se presenta al pie de las estructuras interpuestas a las corrientes, sumergidas o

que emergen de la superficie del agua, como resultado dela deflexión de las líneas

de flujo, la turbulencia y la verticidad provocada por la presencia de obstáculos.

Cuando se coloca una pila de puente en la corriente de un río se produce un

cambio en las condiciones hidráulicas de ésta, y, por lo tanto, en su capacidad

para producir arrastre sólido. Si la capacidad de arrastre supera localmente el

aporte del gasto sólido del río, ocurrirá en la pila una socavación local.

Es evidente que el conocimiento de la profundidad a que puede llegar este efecto

erosivo es de fundamental importancia en el diseño de cimentaciones poco

profundas para puentes, pues una falla seria de juicio en esta cuestión conlleva la

destrucción total de la estructura o la adopción de profundidades antieconómicas y

excesivas, que complican seriamente los procedimientos de construcción.

Los estudios realizados hasta la fecha permiten decidir que los parámetros que, en

mayor o menor grado, influyen en la socavación local al pie de pilas de puente son

los que se mencionan a continuación:

1. Parámetros Hidráulicos:

a. Velocidad media de la corriente

b. Tirante frente a la pila

c. Distribución de velocidades

d. Dirección de la corriente respecto al eje de la pila.

2. Parámetros de Fondo:

a. Diámetro de los granos

b. Distribución granulométrica del material del fondo

c. Forma de los granos

d. Grado de cohesión o cementación

e. Peso específico sumergido


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f. Estratificación del subsuelo

3. Parámetros Geométricos:

a. Ancho

b. Relación largo-ancho

c. Perfil de la sección horizontal

4.

5. Parámetros de ubicación del puente:

a. Contracción en la sección

b. Forma del río en planta

c. Obras de control de gasto que se haya construido aguas arriba o

aguas abajo.

6. Parámetros del tiempo.

a. Duración del pico de la avenida.

b. Tiempo requerido para remover el material y alcanzar una condición

estable.


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Fig. 3.4. Etapas del proceso erosivo.


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3.6. Socavación local en estribos.

Desde el punto de vista de definición, la socavación local en estribos es análoga a

la que se presenta en las pilas de los puentes, sin embargo, se le distingue por

existir algunas diferencias en los métodos teóricos y aun experimentales para suevaluación.

Fig. 3.5. Socavación local en estribos.

3.7. Socavación aguas abajo de grandes presas.

Consiste en el descenso gradual del fondo inducido por la interrupción del

transporte de sedimentos de aguas arriba, ocasionando a su vez, por la presencia

de la cortina de la presa en donde se requiere la mayor parte del sedimento que

entra al vaso, lo anterior permite el crecimiento de la capacidad de transporte departículas del fondo en el tramo aguas abajo, las cuales además no pueden ser

remplazadas.

Este tipo de socavación es generalmente por las descargas de las presas casi

libres de sedimentos; esto ocasiona que las partículas que son erosionadas y

transportadas delas primeras secciones cercanas a la presa no sean remplazadas

por otras que proceden de aguas arriba, ello ocurre en el primer tramo.


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La erosión es mayor en las primeras secciones y disminuye paulatinamente a

medida que se alejan hacia aguas abajo, hasta una sección que se puede

considerar no alterada o estable, cuando el material de fondo contiene boleos

tiende a acorazarse, es decir, quedan en las superficies las partículas de mayor

diámetro, las cuales protegen a las que se encuentran debajo.

Fig. 3.6. Socavación aguas debajo de presas.

3.8. Socavación al pie de obras de excedencia.

Se produce en secciones bajo descargas sin obras de protección y se debe la

gran energía de flujos en estas zonas, la cual se disipa generando turbulencias,

esto facilita que las partículas sean suspendidas, el incrementar la erosión el

tirante del agua aumenta amortiguando su caída, hasta una profundidad en quelas partículas sólidas ya no pueden ser levantadas.

Fig. 3.7. Socavación en obras de excedencia.


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3.9. Socavación bajo tuberías.

Se produce en tuberías sumergidas debido al a turbulencia generada por el flujo

alrededor de un tubo cuando este se encuentra al descubierto del fondo del cauce.

Además bajo la tubería se produce erosión, que por lo general es mayor, aguasabajo de ella. Para cruzar un río, las tuberías de agua, oleoductos y gasoductos

deben pasar bajo el fondo del cauce al producirse la erosión general durante una

avenida puede suceder que la tubería quede parcialmente descubierta, lo cual

induce una socavación local bajo la tubería. La socavación ocurre cuando más

dela mitad del diámetro de la tubería queda descubierta y el número de Froude es

mayor a 0.1.

La socavación general, transversal y socavación en curvas pueden ser productode la naturaleza sin la necesidad de existir en el cauce estructuras hechas por el

hombre. Las otras, incluso la socavación transversal, en ocasiones son

consecuencias de obras que afectan la estabilidad del cauce. Cuadro informativo,

útil en los análisis de campo y gabinete para el estudio de socavación. Puede ser

que algunos datos no se encuentren, por no estar disponibles, no existir o no ser

necesarios para casos particulares esto debe decidir el ingeniero y bajo

experiencias de obras anteriores.

Existen modelos matemáticos que consideran la continuidad del líquido y

sedimento, así como el balance de energía, por su complejidad se utilizan

métodos que pueden ser adoptados fácilmente por un proyectista, estos métodos

presentan ecuaciones dimensionalmente homogéneas y parámetros

adimensionales, de aquí que pueden ser aplicadas utilizando un sistema de

unidades coherentes.


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4.- ASPECTOS GEOMORFOLOGICOS DE LOS CAUCES.

4.1. Sedimentos y formas del lecho. Una parte de los sedimentos presentes

procede de la fracción del lecho del río, movilizada por los caudales mayores,

generalmente recorre un corto espacio, se denomina carga de fondo.La fracción de menor tamaño, procedente de procesos erosivos de la cuenca

vertiente y las propias orillas del cauce, se mantiene en suspensión durante

mucho más tiempo efectuando recorridos más largos, se denomina carga de

lavado.

El tamaño de los sedimentos influye en la tensión crítica de corriente necesaria

para ponerlos en movimiento. Las partículas de mayor tamaño tienen un mayor

peso mientras que las de menor tamaño ofrecen resistencia debido a las fuerzas

cohesivas.

Tabla 4.1.Sedimentos.

Tipo de caudal sólido Medio de transporte Origen

Carga de lavado Suspensión

Erosión en la cuenca

Erosión en márgenes (partículas

finas)

Carga de fondo

Acarreo Erosión en el cauce

Saltación Erosión en márgenes (partículas

gruesas)


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Tamaño (mm)

Clases

4.000-250 Cantos rodados

250-64 Guijarros

64-2 Gravas

2-0.062 Arenas

0.062-0.004 Limos

0.004-0.00024 Arcillas

Tabla 4.2. Clasificación de los sedimentos según su tamaño.

Formas del lecho: Los procesos de erosión y sedimentación son los responsables

de las formas del lecho.

En los tramos donde predomina la arena se forman rizaduras, dunas, lecho liso o

anti dunas, dependiendo del régimen de los caudales.

En tramos donde la granulometría es mayor se van a formar barras de

sedimentación o bars a ambos lados de los meandros ( point bar ) o acumulaciones

dentro del cauce que van a formar los rápidos y remansos (riffles y pools).


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Fig. 4.1. Formas del lecho.

4.2. Rápidos y remansos.

Se forman en ríos de sustrato grueso, son muy importantes porque crean

diversidad de hábitats para las especies presentes. Son zonas muy productivas

para macro invertebrados, que a su vez van a servir de alimento para la

ictiofauna. Los remansos son zonas más profundas en donde se va a encontrar a

los animales de mayor tamaño.


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Fig. 4.2. Perfil longitudinal y en planta de un cauce, con la secuencia de rápidos y remansos

(Dunne y Leopold, 1978)

En tramos curvos las pozas se localizan en las partes externas del meandro,

quedando los rápidos entre los tramos rectos, entre meandros.

4.3. Ambientes fluviales.

Constituyen uno de los medios continentales de mayor importancia estratigráfica,

puesto que en ellos se han acumulado gran cantidad de sedimentos, a lo largo dela historia de la tierra, habiendo quedado conservados en la columna geológica.

Por otra parte, dada la universalidad de las corrientes fluviales, sus depósitos

tienen una amplia distribución geográfica. El flujo dentro de un canal y su efecto

sobre la erosión, el transporte y la sedimentación, está determinado por la

distribución de las velocidades de corriente y la turbulencia. Área de máxima

velocidad y turbulencia, son los lugares adecuados para la erosión, mientras que

las áreas con baja velocidad y turbulencia son las propicias para la estabilidad y la

sedimentación.

Los cursos de agua pueden dividirse fundamentalmente en tres grupos de acuerdo

a las características de su trazado: Rectos: en los que la sinuosidad del cauce es


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despreciable; son los más frecuentes y además en ellos solo se depositan

pequeñas cantidades de sedimentos. Entrelazados o anastomosados: en los

cuales se produce una serie sucesiva de divisiones y reuniones de la corriente,

originándose así una serie de canales, que bordean islas aluviales.

Meandriformes: cuando la corriente presenta una serie de inflexiones a lo largo de

su dirección.

4.3.1. Corrientes en línea recta.

Los cauces rectos son relativamente raros. Las corrientes que fluyen en valles

fácilmente erosionables tiene cauces rectos que pocas veces llegan a tener más

de 10 veces el ancho del canal; en valles estrechos los cauces pueden extenderse

por varias millas. El flujo de estos cauces rectos generalmente toma un curso

sinuoso yIlega a producir pequeñas barras (barras de meandros) en los lados del

canal. El relleno de estos canales puede ser vertical o lateral, y puede además ser

similar a los depósitos de barras de meandros o a los de complejos de ríos

entrelazados.

Fig. 4.3. Corriente en línea recta.

4.3.2. Corriente entrelazada.

Los canales entrelazados o anastomosados son característicos de las corrientes

que tienen grandes fluctuaciones en el flujo y en la carga de sedimentos. El

entrelazamiento se inicia al formarse barras sumergidas, al bajar el nivel del agua

después de una creciente. Tales barras desvían las aguas a su alrededor y se

convierten en zonas estables dentro del canal. En los ríos intermitentes, estas


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barras generalmente cambian de posición durante las crecientes al ser cortadas

por nuevos canales. En los ríos perennes las barras crecen por agradacion y

llegan a ser semipermanentes, aunque también pueden cambiar de forma a causa

de una creciente fuerte. Los complejos de corrientes entrelazadas aumentan por el

proceso de acreción vertical, especialmente en los ríos intermitentes los cuales,

después de las crecidas, descargan grandes volúmenes de sedimentos y

obstruyen los canales. Al producirse una reducción gradual en la velocidad de la

corriente, se inicia una gradación (grueso en la base, fino hacia el tope) en cada

unidad sedimentaria, así como también una disminución en la magnitud de las

estructuras sedimentarias.

Los sedimentos de corrientes entrelazadas o trenzadas son el resultado de la

alternancia de las etapas de socavación por inundación y posteriormente, del

relleno de múltiples canales interconectados dentro de los límites del valle de un

río. Los canales que se anastomosan, canales trenzados, se forman en las partes

de la corriente con pendientes relativamente altas, sujetas a una amplia

fluctuación en el flujo y con una fuente abundante pero intermitente de

sedimentos.

En las épocas cuando el nivel de las aguas es bajo, el flujo de la corriente quedaconfinado a los canales, los cuales están separados por barras de sedimentos.

Estas barras se forman durante la época de descenso del río, cuando los

sedimentos se acumulan alrededor de alguna obstrucción o de los restos de una

antigua barra. Los cuerpos de arena depositados por las corrientes

anastomosadas se adaptan a la geometría del valle del río. Durante la época de

creciente, todo el valle está frecuentemente sujeto a socavación, la corriente crea

nuevos cauces en los sedimentos del fondo y los canales últimamente rellenos se

desarrollan a lo ancho.

Al progresar la agradacion en el valle, las fases de inundación y sedimentación se

reflejan en las superficies locales de erosión (fondo de los canales) y en las


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unidades apiladas que gradan de grueso a fino hacia arriba. Típicamente, los

depósitos de las corrientes entrelazadas muestran poca variación vertical o lateral.

A lo largo del curso se nota una disminución en el tamaño de los granos desde la

fuente a la costa.

Los sedimentos de corrientes entrelazadas son de excelente calidad como rocas

almacén; típicamente son muy porosos y permeables, y la existencia de barreras

de permeabilidad, o de restricción al flujo de los fluidos, es mínima.

Fig. 4.4. Corriente entrelazada.

4.3.3. Corriente meándrica.

Las corrientes que desarrollan meandros son usualmente aquellas de baja

pendiente, con moderada carga de sedimentos y con fluctuaciones moderadas en

la descarga. La velocidad de la corriente es mayor a lo largo del "talweg" y

también aquí es mayor el transporte de sedimentos, especialmente el de materia!

más grueso. El transporte más activo de sedimentos ocurre cuando el rio está

crecido y simultáneamente se produce la mayor erosión en la orilla de socavación.

Las barras de meandro se desarrollan, al disminuir la crecida del río, en las zonas

internas de los meandros. En una barra de meandros existe una reducción en el

tamaño del grano desde la base al tope, así como también una disminución en la

magnitud de las estructuras sedimentarias, desde estratificación cruzada en gran

escala hasta pequeñas rizaduras con láminas entrecruzadas. La sedimentación se


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efectúa sobre toda la superficie de la barra y a medida que se acentúa el meandro,

las arenas de barra se amplían por un proceso de acreción lateral.

Fig. 4.5. Corriente meándrica.

4.3.4. Barras de meandros.

Las barras son características de los ríos con meandros, pero también son

comunes, en forma incipiente, en los flancos de los ríos más o menos rectos. Las

variaciones en textura y en estructuras sedimentarias de estas barras son el

producto de los cambios de velocidad y de la competencia de la corriente en

diferentes sitios de la superficie de la barra. La mayor velocidad y la carga del

material grueso, en la zona más profunda del canal, producen gravas en capas

gruesas o estratificación cruzada en sedimentos gruesos, y al crecer el meandroforma una base que se caracteriza por estos sedimentos. Sección arriba en la

barra, en la zona intermedia, la estratificación cruzada en escala media y grande

constituye la estructura dominante. La zona superior, cubierta intermitentemente

por aguas poco profundas de inundación, muestra pequeñas rizaduras de

corriente. Debido a los diferentes niveles de las crecidas sobre toda la superficie

de la barra, estructuras en pequeña escala pueden formarse sobre la superficie

del suelo tierra; no obstante estas estructuras son raras en la zona interior debido

a la erosión por crecientes posteriores.

Los sedimentos de barra de meandro resultan de la divagación de un río, bien sea

en un valle aluvial o en una llanura deltaica. Como tales su forma está dada por la


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de los meandros y su tamaño está controlado por la profundidad del rio (ríos

profundos, y por lo tanto intervalos gruesos tienen meandros con un radio de

curvatura mayor). Los sedimentos que se depositan en una barra en crecimiento

son: los de carga de tracción, de grano grueso, arrastrados en la parte profunda

del canal y material de grano más fino, suspendido, que se deposita sobre la

superficie de la barra en los periodos de bajo nivel del río. La erosión del lado

donde incide la corriente y simultáneamente la formación de las barras, producen

una migración lateral del meandro y acreción lateral de las barras. Por lo tanto los

sedimentos gruesos del fondo del canal son cubiertos progresivamente por

sedimentos acumulados en las partes más altas de las barras.

Al quedar abandonados segmentos de los meandros, por estrangulación desvío

de canal o cambio del curso del río hacia otras áreas del valle, se produce un

taponamiento del canal en su entrada superior y por lo tanto disminuye su

capacidad de transporte. Eventualmente las gravas del fondo depositadas en el

tramo abandonado y toda la barra de meandro llegarán a ser recubiertas por

sedimentos de grano fino que llegan al canal solo en los periodos de inundación.

Puede imaginarse fácilmente que la barra así preservada adelgaza y termina hacia

la última posición que alcanzo la corriente, donde está desarrollada la sección más

gruesa del relleno del canal abandonado.

Los valles que han tenido meandros durante mucho tiempo pueden estar cubiertos

totalmente por los depósitos de barras de meandro de múltiples fajas meándricas.

Estos intervalos arenosos pueden tener varios kilómetros de ancho y decenas de

kilómetros de largo y están orientados generalmente casi perpendiculares a las

márgenes de las cuencas. Las arenas de las barras del complejo están separadas

lateralmente por un laberinto de sedimentos de canales abandonados; no obstante

el apilamiento de las arenas puede producir una interconexión vertical entre

diferentes barras dentro de todo el complejo.


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Fig. 4.6. Meandros.

4.4. Material del lecho.

Tomando como referencia los criterios de Schumm (1977) todos los ríos pueden

ser clasificados en dos grandes grupos, dependiendo de la libertad para ajustar su

forma y su gradiente:

· Cauces de lecho rocoso: Confinados entre afloramientos rocosos de

tal manera que el material que compone el fondo y las márgenes

determina la morfología del cauce.

·

· Cauces aluviales: El río fluye en un canal cuyo fondo y márgenes

están constituidas por material transportado por el río bajo las

condiciones actuales de flujo. En este caso hay libertad para ajustar

dimensiones, forma, patrón y pendiente del cauce en respuesta a

cambios.


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4.5. Estabilidad de los cauces de los ríos.

a) Estabilidad Estática: cuando la corriente es capaz de arrastrar sedimentos

pero no puede mover las partículas o elementos de las orillas. Por ejemplo en

márgenes rocosas o con suelos de alta cohesión.

b) Estabilidad Dinámica: cuando las variaciones de corriente, materiales del

fondo y de las orillas y los sedimentos transportados han formado una pendiente y

una sección transversal que se mantienen en el tiempo. En estas condiciones, el

río sufre desplazamientos laterales continuos en las curvas, con erosiones en las

márgenes exteriores y depositación en las interiores. Todos los caudales, antes de

producirse un desborde, escurren por un único cauce que no tiene islas o

bifurcaciones. Por ejemplo ríos de planicie formados por un único cauce.

c) Inestabilidad Dinámica: el río escurre por un solo cauce pero se presenta

cuando el desplazamiento lateral de los meandros es muy intenso y por lo tanto, el

corte natural de ellos ocurre frecuentemente. Por un lado, el río trata de desarrollar

su pendiente de equilibrio al desarrollar sus meandros y por otra, éstos se

estrangulan rápidamente y se cortan. El río no alcanza a estabilizar su pendiente.

d) Estabilidad Morfológica: este grado de estabilidad posee el concepto más

amplio. En cualquier cauce natural, la pendiente de un tramo cualquiera, el ancho

y el tirante de su sección transversal, así como el número de brazos en que se

divide el cauce, dependen del caudal líquido que escurre anualmente y de su

distribución, de las características de los materiales que componen el lecho y las

orillas, y de la calidad y cantidad del sedimento que es transportado. En otras

palabras, cualquier corriente natural no alterada por factores humanos tiene

estabilidad morfológica. Un cauce que en forma natural tiene estabilidad estática o

dinámica, también tiene la morfológica.


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5.- FORMULAS PARA EL CALCULO DE SOCAVACIÓN.

En este trabajo se analizará la socavación en puentes con la finalidad de poder

conocer los efectos de la misma en obras hidráulicas.

Para el análisis del fenómeno de socavación es necesario el conocimiento integral

de los aspectos hidrológicos, hidráulicos, geológicos, geotécnicos y físicos o

topográficos del sitio de estudio, es decir el estudio geomorfológico de la cuenca

hidrográfica. La base del estudio geomorfológico es que la mayoría delos datos se

obtienen por medio de observaciones directas de campo, la interpretación de la

geología y estratigrafía dela cuenca usando sensores remotos y topografía del

área. La información hidráulica e hidrológica adicional se recopila durante el

estudio para evaluar la respuesta del cauce a los cambios introducido a él. Lahidráulica y la hidrología no son parámetros de control, sino indicadores de

cambios de régimen dentro del sistema. Las fases del estudio de la socavación

son:

1) Reconocimiento de campo.

2) Análisis dela información.

3) Cuantificación de parámetros y variables requeridos para el diseño y

evaluación.

5.1. Estudios hidrológicos.

Los estudios hidrológicos llevan a determinar el caudal de diseño por ser éste uno

de los parámetros que más influyen en la selección de la abertura del puente y en

la evaluación de la socavación. Algunos de los siguientes parámetros deberán ser

evaluados durante el estudio.

Información de estaciones hidrológicas.

a) Estaciones hidrométricas sobre el río.

b) Estaciones climatológicas en la cuenca hidrográfica.

c) Estaciones para toma de datos de sedimentos.


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• Características fisiográficas de la cuenca hidrográfica

a) La determinación de las características fisiográficas de la cuenca se hace

sobre fotografías aéreas y planos topográficos.

b) Área y forma de la cuenca hidrográfica hasta el sitio de cruce.

c) Orientación, forma y pendiente media de la cuenca.

d) Tipo y uso del suelo en la cuenca.

e) Red de drenaje.

• Gastos, niveles y velocidades.

a) Gasto medio en el cauce.

b) Gasto y fecha de las crecientes máximas extraordinarias.

c) Gasto de diseño.d) Gasto, niveles y velocidades de creciente correspondientes a períodos de

retorno (R) tales como 100 y 500 años y en algunos casos hasta 1000

años.

5.2. Estudios hidráulicos

Lo estudios hidráulicos llevan a determinar los parámetros necesarios para

calcular y evaluar la socavación en puentes para lo que usualmente se requiere

contar con información como la siguiente:

• Características hidráulicas del río

a) Tipo de río (perenne, efímero, torrencial, aluvial).

b) Configuraciones del lecho en cauces aluviales.

c) Tendencia a la sedimentación o erosión del lecho a lo largo del tiempo.

d) Afluentes y posibles remansos provocados por éstos.

e) Posible influencia de las mareas si el cruce se localiza cerca a ladesembocadura del mar.

f) Funcionamiento hidráulico probable de la corriente basándose en registros

de aforo y entrevistas con los vecinos que den información sobre magnitud,

duración y frecuencia de las avenidas, época del año y daños causados.


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g) Cauce suficiente para el paso de crecientes o si se desborda durante

avenidas.

h) Alineamiento del río, estable o con tendencia a divagar.

i) Dirección de la corriente con relación al puente en épocas de flujos altos y

bajos, lo que permite junto con el estudio morfológico del río analizar las

variaciones del cauce y la forma como el flujo atacaría a la estructura

condicionando su ubicación.

j) Materiales de arrastre teniendo en cuenta su clasificación y sus

dimensiones.

k) Tipo y dimensiones de cuerpos flotantes.

l) Tendencia a degradación o agradación del cauce.

5.3. Estudios de suelos

Los estudios de suelos pueden ser tan generales o detallados como el tipo de

cauce lo requiera.

Ríos bien definidos y con lecho poco erosionable requieren poco detalle en la

información, en tanto que ríos inestables en cauces indefinidos o trenzados,

requieren que se preste la máxima atención a los estudios geológicos. Se necesita

usualmente hacer perforaciones, apiques o sondeos para determinar lascondiciones de los suelos en la zona del puente.

Un informe geológico para hacer estudios de cimentación, por ejemplo para el

caso de un puente debe incluir información sobre:

a) Características geológicas de la cuenca.

b) Perfiles estratigráficos.

c) Rocas existentes.

d) Disponibilidad de materiales de construcción.

e) Materiales del lecho del cauce y su resistencia a la erosión.

f) Profundidades de cimentación de estructuras existentes en la vecindad.


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Por otra parte, los parámetros más importantes de los sedimentos del cauce que

de una u otra forma intervienen en el cálculo de las profundidades máximas de

socavación son: densidad y peso específico, velocidad de caída, distribución

granulométrica, tamaño, desviación estándar geométrica, peso específico de la

mezcla agua-sedimento en suspensión, viscosidad de la mezcla agua-sedimento

en suspensión.

Los aspectos más importantes para tener en cuenta en suelos cohesivos son el

peso volumétrico seco y la resistencia al esfuerzo cortante, en tanto que en suelos

granulares priman el peso y el tamaño de las partículas. Las muestras de

sedimentos se busca tomarlas dentro y por fuera del hueco de socavación para

determinar si existe acorazamiento del cauce o en la zona de la pila.

También deben tomarse una o dos muestras de carga de lecho suspendida en el

mismo sitio donde se están determinando las profundidades del agua.

5.4. Estudios topográficos.

Los estudios topográficos incluyen los siguientes pasos:

a) Planificación general del estudio. Se deben establecer las características

del trabajo de campo en lo referente a: longitud total del río en que se van alevantar las secciones transversales y su espaciamiento, errores permitidos,

nomenclatura a usar, orden en la toma de las secciones, etc.

b) Generación del abscisado longitudinal. Se debe realizar un levantamiento

altimétrico y planimétrico con poligonales cerradas sobre la orilla del río

tributario desde donde se amarrarán las secciones transversales.

Referenciación de las secciones transversales. Se debe hacer el amarre

altimétrico mediante nivelación de precisión. En muchos casos de estudios

de socavación, basta con poligonales abiertas.

c) Toma de las secciones transversales. El levantamiento de las secciones

transversales se realizará desde aguas abajo hacia aguas arriba, cubriendo

una distancia conveniente a lado y lado de la llanura de inundación sobre


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ambas márgenes del cauce o hasta los puntos más altos de diques, si

existen. Las secciones transversales estarán debidamente referenciadas en

sus extremos al sistema de coordenadas UTM y amarradas a la poligonal;

la separación entre secciones depende de cada proyecto. Se requieren

mínimo tres secciones para caracterizar una curva. Se deben relacionar los

niveles del agua, a banca llena y de ser posible, niveles de aguas máximas.

Con la finalidad de definir el gradiente hidráulico existente, se establecerá la

diferencia relativa de nivel entre cada una de las secciones mediante el

traslado e identificación de los niveles. Se detallarán las restricciones y

obstáculos al flujo representadas en puentes, viaductos, necesario para definir

los puntos de control hidráulico. En los sitios en donde el nivel de agua no

permite el levantamiento topográfico convencional como estación total y nivel

de precisión, las secciones deberán ser obtenidas mediante la utilización de

una eco-sonda.

d) Si el puente está construido, debe contarse con los planos de construcción

y hacerse el levantamiento de la estructura existente dando especialmente

énfasis a la nivelación de la losa y de los elementos de apoyo, tanto pilas

como estribos.

e) Procesamiento de la información. Se requiere, según corresponda en medio

magnético e impreso: carteras de apoyo de los levantamientos topográficos;

cálculos de las poligonales y nivelaciones. Plano de localización general de

todas las secciones. Secciones transversales.

5.5. Método de Lischtvan – Levediev.

En este método originalmente propuesto para estimar el valor medio de la socavación general

en una contracción producida por la presencia de las pilas de un puente, se hace unadistinción explicita acerca del tipo de sección representativa del cauce. En

efecto, el método distingue entre un cauce con secciones bien definidas (cauce principal

con planicies de inundación) de uno con múltiples subsecciones y brazos en estiaje. Además el


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método permite estimar la socavación general en lechos constituidos por sedimentos cohesivos

a partir de una caracterización simple de la resistencia a la erosión de este tipo de lechos.

Fundamentalmente en el equilibrio que debe existir entre la velocidad media real

de la corriente y la velocidad erosiva, que es la velocidad que se requiere para

levantar y arrastrar el material del fondo del cauce (velocidad media crítica).

Fig. 5.1. Socavación en puente.

Para el análisis de socavación general se presentan varios casos. Por el tipo decauce se clasifica en definido e indefinido; por la textura del material del fondo del

cauce en cohesivo y no cohesivo y por la distribución de los estratos que

conforman el lecho del cauce en homogéneo y heterogéneo. Este método está

orientado a utilizar datos que se pueden tomar en el campo con relativa facilidad, y

que sean representativos de las condiciones que intervienen en el fenómeno de la

socavación.

1. Datos topográficos. Se requiere levantar el perfil de la sección transversal

del cauce durante la época de estiaje, que es cuando es más fácil

obtenerlo.


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2. Datos hidrológicos e hidráulicos. Es estudio hidrológico e hidráulico está

orientado a estimar el caudal de diseño y el nivel de aguas máximas

extraordinarias (NAME). En términos generales, existen las siguientes

posibilidades.

Obtención del caudal de diseño (Qd): por cualquiera de los métodos probabilística

(distribución normal, lognormal de dos o tres parámetros, Pearson tipo III, de

Gumbel o de valores extremos), la técnica del hidrograma unitario o mediante

fórmulas empíricas. Luego se elabora la curva de calibración de la sección

transversal, de donde se obtiene la cota del nivel de aguas máximas extremas

correspondientes al caudal de diseño. La curva elevación- caudal se puede

obtener si se tienen los siguientes datos:

Perfil de la sección transversal y pendiente del cauce, estimación del nivel

de aguas máximas extraordinarias (NAME) y de la rugosidad del cauce.

El nivel de aguas extraordinarias (NAME), aforos de la corriente para

obtener la velocidad media de estiaje con su correspondiente nivel de

aguas medias ordinarias (NAMO) y sección hidráulica.

Aforos de las corrientes realizados en diferentes estaciones o niveles de

agua, con los cuales se aplican técnicas de extrapolación de Manning,Stevens, o ajustes a curvas parabólicas o logarítmicas.

3. Datos geotécnicos. Se hace una exploración geotécnica del subsuelo, con

el fin de conocer la estratigrafía y características geotécnicas del cauce,

mediante apiques, sondeos o perforaciones según se requiera. El método

estrato del lecho, para determinar el diámetro medio (dm) cuando el suelo

del estrato es granular o no cohesivo y la densidad o peso volumétrico seco

(gs), cuando se trata de un suelo cohesivo. Además, es necesario conocer

la densidad del agua más sedimentos (gas), que fluye durante las avenidas.


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4. Formulación. El método de Lischtvan – Levediev se basa en las siguientes

formulaciones para el cálculo de la profundidad de la socavación para

suelos homogéneos y cauce de rugosidad constante.

5.5.1. Análisis de la socavación general para suelos cohesivos en caucesdefinidos con rugosidad uniforme.

Consiste en calcular la erosión máxima general que se puede presentar en una

sección al pasar una avenida con un gasto de diseño Qd, el cual tendrá una cierta

frecuencia de retorno. Para los cálculos subsecuentes se requiere conocer el

gasto Qd y la elevación que alcanza la superficie del líquido para ese gasto en la

sección en estudio.

En esta teoría la magnitud de la erosión en suelos limosos plásticos y arcillosos

depende principalmente del peso volumétrico del suelo seco. En este caso, el

valor de la velocidad erosiva que es la velocidad media que se requiere para

degradar el fondo, está dado por la expresión:

En donde:

ᵧd= Peso volumétrico del material seco que se encuentra a la profundidad H8 en

ton/m3.

β= un coeficiente que depende de la frecuencia con que se repite la avenida que

se estudia y cuyo valor está consignado en la tabla 5.1.

H8= tirante considerado a cuya profundidad se desea conocer qué valor de v e se

requiere para arrastrar y levantar al material, en m.

x= es un exponente variable que está en función del peso volumétrico ᵧd del

material seco en ton/m3, el cual se encuentra consignado en la tabla 5.2. En ese

mismo cuadro se indica el valor de la expresión 1/1+x que será necesaria más


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adelante, así como el valor del exponente x cuando el material del fondo no es

cohesivo. En este último caso x es función del diámetro medio de los granos.

La variación de la velocidad media real de la corriente vr , en función de la

profundidad y para cada punto de la sección puede ser obtenida analizando unafranja vertical de la sección transversal, como la mostrada en la figura 5.2. La

hipótesis que se formule para realizar el cálculo es que el gasto en cada franja

permanece constante mientras dura el proceso erosivo.

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

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

en ton/m3.


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Tómese la franja de espesor ΔB, y en forma hipotética considérese que el fondo

se encuentra en su nivel inicial antes de que se produzca la erosión. El gasto que

pasa por esa sección se puede expresar según Manning por:

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

Pues en este caso, por ser ΔB más pequeño, el radio hidráulico es igual al tirante.

En la expresión anterior:

S= Pendiente hidráulica.

H0= Profundidad antes de la socavación.n= Coeficiente de rugosidad de Manning.

Como se ha considerado una rugosidad constante en toda la sección el valor de

1/n= (s1/2) es constante para cualquier punto dela sección y se denomina α

entonces:

El valor de α puede también ser expresado en forma general como una función deltirante medio Hm de toda la sección transversal antes de la socavación y del gasto

de diseño Qd, ya que:


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Dónde:

Be= ancho efectivo de la superficie del líquido en la sección transversal; es decir,del ancho total se descuenta el ancho de las pilas cuando el ángulo de incidencia

de la corriente con respecto al eje de la pila es 0o. Más adelante se indicara como

encontrar el valor de Be que debe ser tomando en cuenta, cuando la corriente

forma un ángulo cualquiera con el eje de las pilas. Las demás letras tienen los

sentidos ya indicados.

En las expresiones anteriores Hm= es tirante medio de la sección, el cual se

obtiene dividiendo el área hidráulica afectiva entre el ancho Be.

Cuando la sección en estudio corresponde al cruce de un puente la corriente del

agua forma vórtices cerca de las pilas y estribos del mismo, por lo que se hace

necesario afectar el valor de Qd de un coeficiente µ llamado de contracción, el cual

se encuentra tabulado en la tabla 5.3.

Por lo tanto:

Despejando:

Ahora bien en la franja d estudio, al incrementarse H0 y alcanzar un valor

cualquiera H8, la velocidad disminuye a un valor vr . En función de la velocidad y el

tirante. ΔQ en la franja ΔB está expresado por:


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Igualando esta última expresión con la segunda ecuación.

De donde la velocidad real de la corriente vale:

La socavación se detendrá cuando a una profundidad cualquiera alcanzada, el

valor de vr velocidad de la corriente capaz de producir arrastre y ve velocidad que

se necesita para que el fondo se degrade lleguen a ser iguales.

Ve=vr es la condición de equilibrio.

Tabla. 5.3. Coeficiente de contracción “µ”.

5.5.2. Análisis de la socavación general para suelos no cohesivos, en cauces

definidos con rugosidad uniforme.

En el estudio dela profundidad de la socavación en suelos formados por granos

gruesos (arenas, gravas finas, etc.), vr tiene el mismo valor que en el caso

anterior:

En cambio ve está expresada en la teoría que se analiza por:

Vo (m/s) 10 13 16 18 21 25 30 42 52 63 106 124 200


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( ) En donde:

H8 = Tirante para el que se desea conocer ve en metros.

x = Exponente variable que depende del diámetro del material y que se encuentra

en la tabla 5.3.

dm = Es el diámetro medio (en mm) de los granos del fondo obtenido según la

expresión.

∑

En la cual:

di = diámetro medio en mm, de una fracción en la curva granulométrica de la

muestra total que se analiza.

pi = Peso como porcentaje de esa misma porción, comparada respecto al peso

total de la muestra. Las fra

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