UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICAFACULTAD DE INGENIERA CIVIL

UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA

FACULTAD DE INGENIERA CIVIL

DISEO HIDRULICO DE UN ENCAUZAMIENTO Y SOCAVACIN EN UN TRAMO DE RO QUE INCLUYE PUENTE

ICA-2015

UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGAFACULTAD DE INGENIERA CIVIL

DISEO HIDRULICO DE UN ENCAUZAMIENTO Y SOCAVACIN EN UN TRAMO DE RO QUE INCLUYE PUENTE

PRESENTADO A:Msc. Freddy M. Franco Alvarado

ELABORADO POR:Bautista Yupanqui, JhonRamrez Mancilla, Enrique

CURSO: OBRAS HIDRLICAS

ICA-2015

INDICE

RESUMEN31.TRABAJO DE CAMPO41.1.UBICACIN DEL TRAMO DEL RO.41.2.MEDIDAS OBTENIDAS51.3.TIPO DE SUELO62.MARCO TERICO72.1.CALCULO DE CAUDALES.72.1.1.DISTRIBUCIN LOG-NORMAL72.1.2.DISTRIBUCIN GUMBEL82.1.3.DISTRIBUCIN LOG-PEARSON92.2.ANCHO ESTABLE DE RIOS.102.2.1.MTODO DE PETITS102.2.2.MTODO DE SIMONS Y HENDERSON102.2.3.MTODO DE BLENCH102.2.4.MTODO DE MANNING102.3.FENMENO DE SOCAVACIN.102.3.1.SOCAVACIN GENERAL112.3.2.SOCAVACIN LOCAL EN PILAS Y ESTRIBOS.122.4.DIQUES DE PROTECCION LATERAL Y ESPIGONES.123.METODOLOGA143.1.CALCULO DE CAUDAL DE DISEO143.2.CALCULO DE ANCHO ESTABLE183.3.TIRANTE DE DISEO193.4.SOCAVACIN GENERAL Y LOCAL EN PUENTE203.5.DISEO DE DIQUES DE PROTECCION LATERAL234.ANLISIS DE RESULTADOS255.CONLUSIONES266.RECOMENDACIONES277.ANEXOS28RESUMENEl presente trabajo de es elaborado como parte de los informes que se realizan para el curso de OBRAS HIDRULICAS, sirve para investigar la profundidad de socavacin en un puente escogido por los alumnos. As mismo calcular el ancho estable de la seccin del rio en el cual est construido el puente, y calcular el espesor del enrocado de proteccin.En nuestro caso se ha escogido el puente Los Maestros por ser de fcil acceso, las medidas tomadas en campo son mostradas en la metodologa del trabajo, y corresponden a un levantamiento hecho con winchas. Se plantean diferentes mtodos de distribucin para el ajuste y clculo del caudal de diseo.El trabajo realizado nos ha servido para validar datos de campo con datos calculados por frmulas estudiadas en clase.

TRABAJO DE CAMPOUBICACIN DEL TRAMO DEL RO.La ubicacin del tramo de ro elegido y el puente es el siguiente:LATITUD: 140525.20 SLONGITUD: 754308 OZ: 401 msnm.

El ro tiene forma trapezoidal de 28m de base y taludes laterales de 0.5

El ancho de la base del ro es de 28m.MEDIDAS OBTENIDASSeccin del puente

Seccin de los pilares

TIPO DE SUELOEl tipo de suelo correspondiente al lecho del rio es arena medianamente cohesiva, con presencia de arcilla.

MARCO TERICOCALCULO DE CAUDALES.Predecir el comportamiento futuro de los caudales es un punto de inters importante y fundamental en muchas aplicaciones de la ingeniera hidrulica.DISTRIBUCIN LOG-NORMALSi los logaritmos Y de una variable aleatoria X se distribuyen normalmente se dice que X se distribuye normalmente. Esta distribucin es muy usada para el clculo de valores extremos por ejemplo Qmax, Qmnimos, Pmax, Pmnima (excelentes resultados en Antioquia). Tiene la ventaja que X>0 y que la transformacin Log tiende a reducir la asimetra positiva ya que al sacar logaritmos se reducen en mayor proporcin los datos mayores que los menores. Limitaciones: tiene solamente dos parmetros, y requiere que los logaritmos de las variables estn centrados en la media.Funcin de densidad:

Estimacin de parmetros:

Factor de frecuencia:

Lmites de confianza:

DISTRIBUCIN GUMBELUna familia importante de distribuciones usadas en el anlisis de frecuencia hidrolgico es la distribucin general de valores extremos, la cual ha sido ampliamente utilizada para representar el comportamiento de crecientes y sequas (mximos y mnimos).Funcin de densidad:

Estimacin de parmetros:

Factor de frecuencia:

Lmites de confianza:

DISTRIBUCIN LOG-PEARSONSi los logaritmos Y de una variable aleatoria X se ajustan a una distribucin Pearson tipo III, se dice que la variable aleatoria X se ajusta a una distribucin Log Pearson Tipo III. Esta distribucin es ampliamente usada en el mundo para el anlisis de frecuencia de Caudales mximos. Esta se trabaja igual que para la Pearson Tipo III pero con Xy y Sy como la media y desviacin estndar de los logaritmos de la variable original X.Funcin de densidad:

Estimacin de parmetros:

Factor de frecuencia:

Lmites de confianza:

ANCHO ESTABLE DE RIOS.Se entiende por estabilidad del cauce de una corriente, a la permanencia en el tiempo de las caractersticas geomtricas de este. En condiciones normales todos los tramos de todos los ros han alcanzado un cierto grado de equilibrio, esto quiere decir que, si en forma artificial no se modifican uno o varios de los parmetros que intervienen en la condicin de estabilidad, el agua y los sedimentos continuaran escurriendo en la forma como lo vienen haciendo. Si se modifica en forma natural o artificial alguno de los parmetros, con el tiempo y lentamente el tramo de ro cambiara a una nueva condicin de equilibrio. Para el clculo del ancho estable de un rio se tienen varios mtodos.MTODO DE PETITS

MTODO DE SIMONS Y HENDERSON

MTODO DE BLENCH

MTODO DE MANNING

FENMENO DE SOCAVACIN.La socavacin es la remocin de materiales del lecho de un cauce debido a la accin erosiva del flujo de agua alrededor de una estructura hidrulica. La socavacin del fondo de un cauce definido es el producto del desequilibrio entre el aporte slido que trae el agua a una cierta seccin y la mayor cantidad de material que es removido por el agua en esa seccin. Los materiales se socavan en diferentes formas: suelos granulares sueltos se erosionan rpidamente mientras que los suelos arcillosos son ms resistentes a la erosin. La profundidad mxima de socavacin se alcanza en horas para suelos arenosos, en tanto que puede tardar das en suelos cohesivos, meses en piedras areniscas, aos en piedras calizas, y siglos en rocas tipo granito. Es posible que varias crecientes se requieran para que se produzca mxima profundidad de socavacin dependiendo del tipo de material.

SOCAVACIN GENERALEs el descenso generalizado del fondo del ro como consecuencia de una mayor capacidad de la corriente para arrastrar y transportar sedimentos del lecho en suspensin durante crecientes. Ocurre a todo lo largo del ro y no necesariamente se debe a factores humanos como la construccin de un puente o de otra estructura. La ms comn es debida a la contraccin del flujo que ocasiona la remocin de material a travs de todo o casi todo el ancho del cauce por lo que si los mtodos de clculo de la socavacin general se aplican para la seccin de un puente, se est considerando incluido el efecto de la contraccin del flujo y no deben duplicarse los efectos.

SOCAVACIN LOCAL EN PILAS Y ESTRIBOS.El mecanismo que produce la socavacin est asociado a la separacin tri-dimensional del flujo en la cara aguas arriba de la pila y a un vrtice peridico al pie de ella, (Dargahi, B. 1990). La acumulacin de agua hacia aguas arriba de la obstruccin produce una especie de onda en la superficie y un flujo vertical hacia abajo que crea un fuerte gradiente de presiones lo que ocasiona separacin del flujo, como consecuencia de lo cual se origina un sistema de vrtices al pie de la pila llamados vrtices de herraduras que son los principales causantes de la socavacin.

DIQUES DE PROTECCION LATERAL Y ESPIGONES.La proteccin de un cauce contra socavacin consiste en tomar todas aquellas medidas necesarias con el fin de hacerlo menos vulnerable a daos durante crecientes.

Es especialmente importante proteger el cauce y las estructuras construidas en l para evitar riesgos a la estabilidad.Son obras para proteger directamente la banca de los ros, tanto en curvas como en tramos rectos. Evitan el contacto directo de las lneas de corriente de alta velocidad, con los materiales de la banca de modo que stos no se laven.Se construyen directamente sobre las bancas del cauce de un ro o canal, se orientan paralelamente al flujo y se extienden hasta el fondo del cauce, con el objetivo de que las lneas de corriente con alta velocidad, no puedan arrastrar materiales de las orillas.

METODOLOGACALCULO DE CAUDAL DE DISEO Para el clculo se ha usado los valores de los caudales recolectados[footnoteRef:1] entre los aos 1922-1998 que corresponde a la inundacin de Ica.

Con estos datos y con ayuda de una hoja de clculo procedemos a calcular los caudales esperados por los 3 mtodos, el caudal de diseo lo calcularemos para un periodo de retorno de 100 aos[footnoteRef:2] DISTRIBUCIN LOG-NORMAL

Obtenindose para un periodo de retorno de 100 aos el valor de Q=680.28 m3/s

DISTRIBUCIN GUMBEL

Con este mtodo se calcula el caudal correspondiente al periodo de retorno seleccionado, as tenemos Q=524.70 m3/s

DISTRIBUCIN LOG-PEARSON

Para un periodo de retorno de 100 aos tenemos Q=501.28 m3/sEl caudal de diseo que adoptamos para los clculos es el promedio de los mtodos de distribucin GUMBEL y LOG-PEARSON, descartamos el LOG-NORMAL por tener mucha variacin con los datos estimados. As tenemos el caudal de diseo[footnoteRef:3]:

CALCULO DE ANCHO ESTABLEProcedemos a calcular el ancho estable del Rio Ica correspondiente a los periodos de diseo de 50 y 100 aos, los eventos con periodo de retorno de 100 aos son clasificados como extraordinarios por lo tanto tenemos para calcular el ancho estable Q50 = 467 m3/s , Q100 = 513 m3/s, optamos por el ltimo por dar resultados ms conservadores. Procedemos a calcular el ancho estable (B) por los mtodos aprendidos en clases y tenemos los siguientes resultados MTODO DE LACEY

Q: caudal de diseo = 513 m3/sYm: tirante medioDm: dimetro medio.Obtenemos con este mtodo B=99.23mMTODO DE BLENCH-ALTUNIN

Fb: Factor de fondo=0.80 (ver TABLAS B en el Anexo)Fs: factor de orilla =0.20 (ver TABLAS B en el Anexo)H: profundidad mediaObtenemos con este mtodo B=81.99 m

MTODO DE SIMONS-ALBERTSON

K1=condiciones de fondo de ro = 4.20 (ver TABLA C en el anexo)Obtenemos con ste mtodo B=95.13 mLos resultados obtenidos por los tres mtodos son similares, los mtodos de SIMONS-ALBERTSON y de LACEY son parecidos por lo tanto optamos por tomar el ancho estable para el periodo de retorno de 100 aos el siguiente valor.

TIRANTE DE DISEOCalculamos el tirante de mxima avenida en la seccin, haciendo uso de la frmula de Manning-Strickler.

DONDE:B: ancho del ro, B=28Ks: depende del acarreo del cauce, Ks=35 (ver TABLA D en el anexo)S: pendiente del lecho S=0.0023Por lo tanto obtenemos el tirante t= 4.19mLa seccin queda como sigue:

El borde libre lo calculamos como sigue:

Haciendo los clculos respectivos tenemos B.L=1.00m La velocidad media del tramo es de 4.05 m/sSOCAVACIN GENERAL Y LOCAL EN PUENTETenemos a continuacin el clculo del ngulo de ataque (desviaje) de la corriente .

El clculo de la socavacin general se efectuar por el mtodo de Lischvan-Levediev, cuyos parmetros son conocidos y estudiados en clase.Para suelo friccionante:

Para suelo cohesivo:

Donde:

Obteniendo los parmetros de tablas[footnoteRef:5] y haciendo los clculos resulta.

Para calcular la socavacin al pie de los pilares tenemos:

Los valores de K1 y K3 son obtenidos de bacos.As tenemos K1=2.6 para una relacin H/b =10 y K3=1.90, para un ngulo de esviaje de 20 y una relacin a/b = 14.

Por lo tanto tenemos:Profundidad de socavacin en pilares = Ys+S0-H0= 6.81+1.97-4.19= 4.59mPara la erosin local en estribos tenemos:

Los coeficientes p son calculados de las tablas (TABLAS F ver anexo) Para esviaje de 20 Para una relacin de caudales Q1/Q=0.135 Talud Z=0.5

Por lo tanto la socavacin en estribos es 6.81-4.19=2.62m DISEO DE DIQUES DE PROTECCION LATERALHaremos el diseo de proteccin lateral con enrocado para eso tenemos que calcular la longitud del Fetch, la velocidad del viento es de 11 m/s.

Fetch D=0.42kmClculo de longitud y altura de olaSegn el mtodo de labzovskiy.

Con esto tenemos como estamos en aguas profundas y no necesitamos hacer correcciones.Clculo del peso mximo de las piedras aisladas

Con peso especfico de la piedra = 2.5, del agua = 1.05 y talud Z=0.5 tenemos:

Dimetro mximo de las piedras

Con este valor calculamos el D50=0.30 pues el D50=K*Desf >=0.30, con K=0.6Con todo esto calculamos el espesor del enrocado e=r.D50, r=2 para piedra uniforme.

ANLISIS DE RESULTADOSEl caudal de Diseo es similar al que ha sido calculado en la referencia igual a 535 m3/s [1], as tenemos para nuestro calculo una variacin de 9.5%.El ancho estable del rio calculado es de 100m valor exactamente igual al propuesto por el estudio realizado en [1] que consiste en ampliar la seccin del ro Ica en el tramo que se encuentra dentro de la ciudad, como se aprecia en la imagen siguiente.

Con clculos realizados podemos obtener que la capacidad de la seccin mostrada es mayor a 700 m3/s valor mucho mayor a los 513 que tenemos m3/s.El tirante de diseo calculado para el tramo considerado en el estudio supera ampliamente a los 3.50m que tiene el puente, esto debido a que la capacidad del tramo analizado est entre 350-400 m3/s en cuyo caso obtenemos un tirante de 3.30-3.60m, dando como vlido los clculos realizados.La socavacin general ha sido calculada como 2.62m medidos a partir del nivel de fondo del ro, para calcular la socavacin se ha sumado 1.97m correspondiente a la socavacin local en pilas. Valores prximos a los resultados obtenidos para puentes de condiciones similares al caso estudiado.Es baja la influencia del oleaje en el clculo del enrocado, dando valores de la altura de la ola = 0.27m, resultando de esta forma el espesor del enrocado con piedra uniforme = 0.60m, que es parecido al dimetro de rocas que actualmente se est colocando en el tramo estudiado, como medidas de proteccin frente a situaciones de emergencia por el fenmeno del nio.CONLUSIONESConcluimos que las frmulas estudiadas en clases, para el clculo hidrulico de obras de proteccin, clculo de socavacin, y de obras de encauzamiento, se ajustan perfectamente a los trabajos hechos de forma real, y se puede tener confianza al calcular con las mismas.La verificacin con el Software RIVER no se ha efectuado por problemas de instalacin, pero por la metodologa de clculo podemos estimar que nuestros clculos sern parecidos a los realizados por el software.

RECOMENDACIONESSe recomienda hacer uso de otros mtodos de Distribucin para el clculo del caudal de diseo, se puede usar tambin mtodos empricos.Para el clculo de la socavacin realizar un anlisis granulomtrico del lecho del rio para tener datos ms vlidos, pues el valor asumido es en base a inspeccin visual.Plantear nuevos modelos y hacer uso de investigaciones recientes en el campo de la hidrulica para dar validez a dichos modelos y en lo posible adaptarlos a nuestro entorno, pues se sabe que la actividad fluvial es distinta en todas partes del mundo.

1. ANEXOSTABLAS A. Para seleccin de periodo de retorno

TABLAS B. Para el clculo de factores por mtodo de Blench-Altunin.

TABLA C. Condiciones de fondo de ro para mtodo Simons-Albertson

TABLA D. Ks coeficiente para clculo de tirante mximo.

TABLA E. Coeficiente para clculo de tirante mximo.

TABLA F. Coeficientes para el clculo de socavacin en estribos.

BACOS para el clculo de socavacin local en pilares

Panel fotogrfico

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