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ESTUDIO DE SOCAVACIÓN PARA LA
CONSTRUCCIÓN DEL PUENTE SOBRE EL CAÑO
CAMUARA
PROYECTO AGROINDUSTRIAL SUGRANEL
PARA: SUGRANEL S.A.S
FORMULADO POR: BOSQUES, SUELOS Y AGUAS LTDA
Elaboró:
RAFAEL HUMBERTO GUERRERO
Ingeniero Civil - Es IGA-GSB
VILLAVICENCIO, OCTUBRE DE 2010
ESTUDIO DE SOCAVACIÓN
Fecha 16/10/2010
Página 2 de 37
Cód. 026.10 – P4.31
PROYECTO AGROINDUSTRIAL SUGRANEL
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................................... 4
1. OBJETO .............................................................................................................................................. 5
2. METODOLOGÍA ............................................................................................................................... 5
3. PRODUCTO ....................................................................................................................................... 7
4. MARCO CONCEPTUAL ................................................................................................................... 7
5. INFORMACIÓN BÁSICA SUMINISTRADA ...................................................................................... 9
5.1. GEOTECNIA.................................................................................................................................. 9
5.2. HIDROLOGÍA .............................................................................................................................. 10
5.3. HIDRÁULICA ............................................................................................................................... 10
5.4. OTROS DATOS ............................................................................................................................ 10
6. VISITA DE CONSULTORIA .............................................................................................................. 11
7. CÁLCULO CAUDAL DE DISEÑO .................................................................................................. 13
8. GÁLIBO DEL PUENTE ...................................................................................................................... 14
9. CÁLCULO DE SOCAVACIÓN ...................................................................................................... 15
9.1. SOCAVACIÓN GENERAL ..................................................................................................... 16
9.2. SOCAVACIÓN TRANSVERSAL. ............................................................................................ 19
9.3. SOCAVACIÓN LOCAL EN ESTRIBOS. .................................................................................. 19
9.4. SOCAVACIÓN EN CURVA. .................................................................................................. 20
9.5. SOCAVACIÓN LOCAL EN PILAS.......................................................................................... 20
10. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .............................................................................. 22
10.1. RECOMENDACIONES ........................................................................................................... 23
BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................................................... 24
ANEXOS
ANEXO A. SECCIÓN TRANSVERSAL CAÑO CAMUARA.
ANEXO B. TABLAS PARA EL CÁLCULO DE SOCAVACIÓN.
ANEXO C. REGISTRO FOTOGRÁFICO.
ANEXO D. ESTUDIO DE SUELOS.
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PROYECTO AGROINDUSTRIAL SUGRANEL
GLOSARIO
Ponteadero: Lugar escogido para la construcción o montaje de un puente.
Batimetría: es el estudio de la profundidad marina, de la tercera dimensión de los
fondos lacustres o marinos.
Socavación: Se denomina socavación a la excavación profunda causada por el
agua, uno de los tipos de erosión hídrica.
Gálibo: Hace referencia a la zona geométrica que debe estar libre de obstáculos
alrededor de un sitio. En puentes se denomina gálibo a la distancia entre la parte
inferior de la superestructura y el nivel medio del curso de agua.
Estación limnimétrica: Es donde se ubica un punto para análisis y estudio del nivel
de los ríos. Realizando observaciones al día de tal manera que los datos definan el
hidrograma real de la crecida.
Hidrograma: es un gráfico que muestra la variación en el tiempo de alguna
información hidrológica tal como: nivel de agua, caudal, carga de sedimentos,
etc.
Pluviometría: Estudio y tratamiento de los datos de precipitación que se obtienen
en los pluviómetros ubicados a lo largo y ancho del territorio, obteniendo así unos
datos de gran interés para las zonas agrícolas y regulación de las cuencas
fluviales a fin de evitar inundaciones por exceso de lluvia.
Pluviómetro: Instrumento que mide la precipitación.
Aforar: Medir la cantidad de agua que lleva una corriente en una unidad de
tiempo.
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INTRODUCCIÓN
Con el propósito de estructurar sobre el rigor de la ingeniería técnica y de la
sustentabilidad integral la construcción de toda la infraestructura primaria de la
Planta Sugranel-Vichada, la empresa SUGRANEL, contrató con la firma consultora
BOSQUES SUELOS Y AGUAS LTDA, todo el estudio ambiental.
En el contenido del estudio ambiental objeto, aparece un capítulo orientado
hacia el estudio de Socavación del puente sobre el caño Camuara entre los
predios San Andrés y Burrunay (puerto Dabeiba).
La firma BOSQUES SUELOS Y AGUAS LTDA contrató, para el citado estudio de
Socavación, al suscrito ingeniero Consultor, identificado así: Rafael Humberto
Guerrero Jaimes, ingeniero Civil -Universidad Industrial de Santander, con
matricula profesional No 738 / Santander.
El consultor para estructurar los cálculos hidráulicos (caudal de diseño, nivel de
aguas máximas, gálibo del puente y socavación general y local) se fundamentó
en el análisis en la batimetría y primeras aproximaciones de los parámetros
hidráulicos del ingeniero consultor Germán Oliveros (información básica
suministrada) y desde luego en la selección de criterios y métodos de
comprobado rigor técnico temático.
Así, con aplicaciones temáticas fundamentadas en los criterios y conceptos de los
mejores especialistas colombianos en la materia: ingeniero Jaime Suárez -UIS y
Jaime Ordóñez –Universidad Nacional y con base en las formulaciones de Maza y
de Del Campo-Ordóñez, se hicieron las valoraciones técnicas pertinentes para un
período de retorno de 100 años.
Finalmente se concluye, que las metas del estudio fueron logradas con algún
grado de incertidumbre menor, dada la insuficiencia de datos de las estaciones
hidrométricas, y dada también la ausencia de un diseño final del puente.
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1. OBJETO
El estudio de hidrología define los parámetros para el diseño del puente sobre el
caño Camuara en el predio San Andrés. Con base a la información básica
suministrada y a las valoraciones hidrológicas e hidráulicas previamente
realizadas y entregadas, el consultor calculó primero un caudal de diseño
ajustado, para luego valorar los parámetros hidráulicos de diseño: nivel de aguas
máximas, gálibo del puente y la socavación general y local del puente sobre el
caño Camuara en el predio San Andrés.
2. METODOLOGÍA
El enfoque metodológico tuvo en cuenta tres elementos: la ingeniería ilustrativa
de procura; la ilustración “in situ” y los cálculos de ingeniería; así:
Fase - Ingeniería de Procura:
Basada en la información básica entregada, la cual se analizó y se seleccionó
para su aplicación. En este tema, se analizó y seleccionó la información
hidrológica y geotécnica y se tomó como fundamento de cálculo la
batimetría entregada para el ponteadero en el caño Camuara en el predio
San Andrés y el caudal de diseño valorado por el consultor Germán Oliveros.
También se consultó las notas de prestigiosos especialistas temáticos en
Colombia, tales como Jaime Suárez –UIS y Jaime Ordóñez –Universidad
Nacional, además de una serie de publicaciones pertinentes.
Fase - Visita de Campo:
La visita de campo, con un grupo multidisciplinario de especialistas de la firma
BOSQUES SUELOS Y AGUAS LTDA, con la guía del ingeniero residente de
SUGRANEL y con acompañamiento de personas de la región sirvió para
confirmar algunos datos de la información básica suministrada y para la
correspondiente ilustración temática directa.
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Fase - Cálculos de Ingeniería:
En una primera aproximación se analizó la información hidrológica de las
estaciones limnimétrica de Santa María y pluviométrica del Hato Burrunay
(puerto Dabeiba) y se constató su insuficiencia para explorar métodos de
valoración estadística. En tal virtud, previa aplicación de algunos métodos
empíricos, se procedió a confirmar el caudal de diseño entregado (G.
Oliveros) y se confirmó su bondad, pero para efectos del cálculo del nivel
máximo de aguas y de la socavación se ajustó por encima, por el método de
Del Campo-Ordóñez.
Para el cálculo del gálibo se aplicó la normatividad temática de INVIAS, en
particular la anotada en el Manual de Diseño Geométrico de Carretera. Para
la valoración de la socavación, se supuso como premisa de cálculo la
aplicación de un puente modelo Min-Transporte, así: 2 estribos con
penetración al cauce de 4 m c/u; 1 pila central (a=1,20 y 2 luces de 25 m.)
Es pertinente anotar, en este particular que independientemente del puente
finalmente seleccionado, la socavación de los estribos será la misma (para
todo tipo de puentes); la socavación general es también independiente al
escenario “proyecto con puente”, no así la socavación transversal, la cual
puede variar, pero no significativamente, y si el citado puente no tiene pila
central, simplemente ese cálculo no aplica.
En tal razón, se calculó la socavación general por los métodos de Maza y de
Del Campo-Ordóñez, encontrando solamente una variación de 4,37% y se
tomó por mayor seguridad el cálculo por la ecuación de Maza. La socavación
general, se ajustó por contracción (aumento de velocidad, con el escenario
“proyecto con puente”), por el método de Straub. La socavación local de los
estribos se calculó por el método de Artamanov y la socavación de la pila se
valoró por el criterio de Nelly. Finalmente se anotó que la socavación en curva
no aplica al presente estudio, dada la posibilidad de pasar el ponteadero en
90º con la dirección del flujo del caño Camuara.
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3. PRODUCTO
Como producto final del presente estudio se entregan resultados en los siguientes
ítems:
Confirmación del caudal de diseño.
Ajuste del caudal de diseño para el cálculo de las socavaciones.
Ajuste del nivel máximo de la lámina de agua (inundaciones).
Valoración del gálibo del puente.
Socavaciones así:
Socavación general.
Socavación general ajustada
Socavación local de estribos
Socavación local de pila.
4. MARCO CONCEPTUAL
Crecidas De Cuerpos De Agua.
Con el propósito de reducir los impactos y los riesgos producto de las máximas
avenidas o crecidas de un río es bien importante el análisis de los factores
integrales que en ellas intervienen y en tal virtud el estudio con rigor técnico y
fundamento conceptual de la caracterización y análisis de las variables
hidrológicas e hidráulicas será la guía para los diseños de ingeniería temática.
Análisis Hidrológico
Las precipitaciones medias y máximas sobre el área de la cuenca en estudio, sus
tiempos de recurrencia, las características integrales (vegetación, tipo de suelo,
infiltración, evaporación geomorfología, clima y afines) son los factores básicos
para tener en cuenta y para poder valorar los caudales de diseño y luego la
socavación y sedimentación de los ríos como fundamento para los definitivos
diseños de ingeniería.
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Sobre el tema es bien pertinente para la caracterización hidrológica, tener en
cuenta la disponibilidad de información; así:
1. No existe información hidrometeorológica alguna
2. Existe información hidrometeorológica insuficiente
3. Existe información hidrometeorológica suficiente
En tal virtud, los métodos de aplicación son:
Métodos empíricos
Métodos probabilísticos
Métodos determinísticos
Análisis Hidráulico
Se refiere para el caso de máximas crecidas de los ríos al cálculo de los caudales
de diseño (para obras de arte en infraestructura básica aferente al cuerpo de
agua) basado en los estudios y análisis de la caracterización hidráulica. Con el
caudal de diseño se obtiene la lámina de agua (de esa máxima avenida
considerada) y sobre ella las cotas de inundación, el cálculo por ejemplo del
gálibo de los puentes u obras de arte afines .También con esa caudal de diseño
se procede evaluar las cotas de socavación y si es el caso los estudios de
sedimentación.
Gálibo
Referente al gálibo de un puente del Instituto Nacional de Vías – Manual de
Diseño –geométrico de carreteras (sección 3.9)
R/ Gálibo.
Sobre corrientes de agua, relativamente limpias en toda época: mínimo 2,0
metros por encima de nivel de aguas máximas.
Sobre corrientes de agua que en algunos periodos transportan desechos, troncos
y otros objetos voluminosos, mínimo 2,5 metros por encima del nivel de aguas
máximas, para el periodo de retorno que establezcan los correspondientes
términos de referencia.
Sobre carreteras mínimas 4,9 metros para vías rurales, y urbanas y 4,5 metros para
otras vías por encima de la rasante de la carretera.
Sobre vías férreas: mínimo 5,5 metros se debe solicitar aprobación ferrovías 5,4
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Sobre ríos navegables: se debe hacer la consulta l Ministerio del Transporte.
Socavación
“La socavación (o erosión renovable) es un fenómeno que comprende el
levantamiento y transporte de los materiales del lecho del río en el momento de
una avenida o creciente. Debe diferenciarse de la erosión no recuperable en el
sentido de que después que pase la avenida o en procesos posteriores
comúnmente se vuelven a depositar sedimentos en un proceso cíclico. La
socavación está controlada por las características hidráulicas del cauce y las
propiedades de sedimento del fondo.”-Jaime Suarez-UIS
R/ Tipos De Socavación
1. Socavación general del cauce inicial.
2. Socavación en el lado exterior de las curvas.
3. Socavación por la presencia de estribos de puentes espigones o
elementos interceptores.
4. Socavación al pie de pilas y estribos.
5. Socavación aguas debajo de embalses.
6. Socavación en el pie de estructuras de vertimiento o control de cauce.
5. INFORMACIÓN BÁSICA SUMINISTRADA
Se refiere a la información básica suministrada a la firma consultora con el
propósito de fundamentar los análisis hidrológicos e hidráulicos con énfasis en el
cálculo de la socavación, para el puente sobre el caño Camuara.
Una de las premisas del presente estudio fue la previa selección del ponteadero
denominado “San Andrés” para aplicar allí las pertinentes valoraciones y cálculos
hidráulicos con base en la información geotécnica e hidráulica, y con la
ilustración “in situ” como pilar de criterio de sustentación.
5.1. Geotecnia
En el anexo D, se presenta el capitulo tres se presenta los resultados del ESTUDIO
DE SUELOS realizado G.O INGENIERIA en puntos de interés para la construcción del
puente. EL capítulo contiene los perfiles estratigráficos y los ensayos de suelos
(clasificación del suelo, limites de Atterberg; próctor modificado; consolidación
unidimensional y permeabilidad, de los sondeos).
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También de interés la granulometría de fondo del lecho del Caño Camuara
(5.4.).
5.2. Hidrología
De interés para el estudio:
La información IDEAM – ESTACION 3526002 Santa María (E/ limnimétrica años 2005
– 2008)
La máxima precipitación media de la zona 323,21 mm/mes (mayo) y 322,5
mm/mes (junio) y la máxima precipitación en 24 horas 134 mm/día en julio 13-
2006 y 122 mm/día en abril 19 de 2005 y la precipitación mensual máxima
(amplificada) 679 mm/m
5.3. Hidráulica
Como fundamento para el estudio:
Los caudales de diseño (máximos amplificado)
- Caño Camuara San Andrés = 193,14 m3/sg
La información integral caño Camuara San Andrés
- Batimetría (ver sección transversal opción No 2)
- Vel: 0,862 m/sg ; Area: 149,388 m² ; Q max = 128,76 m3/sg
- N aguas max: 115,56 m (cota)
- Tirante max Ho: 5,56 m
- Longitud lamina agua: 49,36 m
- Nivel de inundación: 115,56 m,s,n,m,m
5.4. Otros Datos
Granulometría lecho Caño Camuara
Partículas menores 0,004 mm arcillas 62,0%
0,004 mm 0,0623 mm limos 28,0%
0,062 mm 2,0mm arenas 9,5%
2,0 mm 64 mm gravas 0,5%
64 mm 25,6 cm cantos 0,0%
<25,6 cm bloques 0,0%
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6. VISITA DE CONSULTORÍA
La firma consultora BOSQUES SUELOS Y AGUAS LTDA durante los días del 1 al 5 de
septiembre de 2010, realizó con profesionales multidisciplinarios la correspondiente
visita de campo a los sitios de trabajo.
Con el propósito de conocer “in situ” el comportamiento y características físicas
del caño CAMUARA, en el ponteadero denominado San Andrés, el suscrito
ingeniero realizó las siguientes actividades pertinentes al tema de análisis
hidrológico e hidráulico para el cálculo de la socavación, con un escenario
puente:
a. Inspección directa y reconocimiento del futuro ponteadero en el caño
Camuara -predio San Andrés.
b. Mediciones y evaluaciones de campo en primera aproximación para la
valoración directa de las velocidades del cuerpo de agua y la confirmación
del perfil batimétrico entregado, como también algunas investigaciones con
personal de la zona referente al nivel de la lamina de agua alcanzado en las
pasadas temporadas invernales y por tanto alguna información de campo
referente a máximas avenidas o crecientes del citado caño.
c. Reconocimiento e identificación de la cota fondo del caño en la posible línea
externa del futuro estribo izquierdo (aguas abajo) del puente sobre el caño
Camuara predio San Andrés.
d. Como complemento a la valoración hidrológica e hidráulica de campo del
ponteadero, y de manera independiente al estudio temático, se realizaron
por otros profesionales especializados de la consultoría, las correspondientes
valoraciones de ingeniería forestal y las valoraciones ambientales y sanitarias
integrales.
e. Se recorrió el caño Camuara aguas arriba y aguas abajo, con el propósito de
observar su comportamiento y sus características hidráulicas.
Con fundamento en la inspección “in situ”, como punto de partida para las
caracterizaciones hidrológicas e hidráulicas del caño Camuara, se resaltaron las
siguientes observaciones y resultados de la visita de inspección:
En una primera aproximación el ponteadero en el caño Camuara –predio San
Andrés es bastante aceptable hidráulicamente.
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Es claro que el régimen de precipitaciones y los sucesos de avenidas ó
crecidas estaban disminuyendo en las fechas de la visita. Es decir, los caudales
del cuerpo de agua se pueden asumir como cargas medias altas, dado que
según la información básica suministrada de las estaciones
hidrometeorológicas próximas los meses de mayor precipitación y caudales
integrales son junio, julio Y agosto.
En las labores de campo y como simple herramienta de confirmación, dado
que contamos con información básica aceptable (con la excepción de los
datos de las estaciones hidrométricas), se valoraron velocidades en la
superficie del cuerpo de agua.
Se pudo comprobar también la aceptabilidad de la batimetría suministrada
Como una muy buena referencia se tomó y referenció con la cota fondo
(próxima a la línea exterior del futuro estribo del puente, lado izquierdo aguas
abajo) la marca de las mayores avenidas de la últimas temporadas invernales
(avenida máxima julio 2010), identificada y señalada por gente de la región,
según información entregada por el ingeniero residente de SUGRANEL.
Para un amarre del perfil batimétrico entregado, se referenció en campo en el
árbol marca (cota máxima de lámina de agua en máxima crecida 2010), la
cota fondo en una primera aproximación en la posible línea externa del futuro
puente sobre el caño Camuara en el predio San Andrés.
En la visita se registro la lamina de agua 1m por debajo de la marca (máxima
crecida 2010), y 0,20 m por encima de la citada cota fondo izquierda
Dada su aceptabilidad la información básica suministrada, será el fundamento de
los análisis hidrológicos e hidráulicos del presente estudio, y las observaciones de
la visita de campo servirán como confirmación y orientación a la mencionada
información.
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7. CÁLCULO CAUDAL DE DISEÑO
7.1. CAUDAL DE DISEÑO OLIVARES
El Ing. Olivares, calculó el caudal de diseño (información básica suministrada),
según RAS 2000 y NSR98 para un periodo de retorno de 100 años, con un factor de
seguridad de 1,5
Opción No 2 k.o.=1,5. 128,76 m3/seg. = 193,14 m3/seg.
7.2. MÉTODOS EMPÍRICOS
REVES Q= 233,45 m3/seg.
FULLER SIMPLIFICADO Q (50 años)=458,67 m3/seg.
Q (100 años)=505,52 m3/seg.
8. METODO JAIME ORDOÑEZ
Para caudal máximo, utilizado para posterior cálculos de socavación.
q = Q/T
q max. = 1,81 q 0,94
T = Ancho superficie libre = 49,36 m
Q = 128,76 m3/seg.
q = 2,608 m3/seg.
q max. = 4,457 m3/seg.
Q max. = T q max. = 220,03 ----- 220 m3/seg.
8.1. CAUDAL DE DISEÑO DEFINITIVO
Para el presente estudio asumimos el Q máx. de Olivares, con la amplificación de
Jaime Ordóñez.
Q diseño = 220 m3/seg.
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8.2. NIVELES DE INUNDACIÓN
Se determina el nivel sobre el cual se produce el desborde del caudal hacia la
sabana o llanura de inundación.
Según Olivares el nivel corresponde a un Q máx. d = 193.14 m3/seg. Y un nivel de
inundación = 115.56 m.s.n.m.m.
Para el Q diseño definitivo, se tendrá por simple proporción (calculado con el
mayor margen de seguridad).
Qd A A = 170,27 m2
--------- = -------
Qo Ao
170,27 m2
D = ----------------- = 3,45
29,36 m
Diferencia de profundidades hidráulicas = 0,45 m
Nivel de inundación (para Q diseño definitivo) = 116,01 m.s.n.m.m
9. GÁLIBO DEL PUENTE
Del Instituto Nacional de Vías INVIAS “Manual de Diseño Geométrico de
Carreteras- sección 3.9, Gálibo de puentes”.
En el apartado: “Sobre corrientes de agua, relativamente limpias en toda época:
Mínimo 2,0 metros por encima del nivel de aguas máximas.
Sobre corrientes de agua que en algunos períodos transportan desechos, troncos
y otros objetos voluminosos: mínimo 2,50 metros por encima del nivel de aguas
máximas, para un período de retorno que establezcan los términos de
referencia.”
Para el cruce del caño CAMUARA ponteadero San Andrés, se considera para un
Q diseño de 220 m3/seg. Correspondiente a un período de retorno de 100 años,
un gálibo mínimo de 2,50 m. Sobre el nivel de aguas máximas 116.01 m.s.n.m.m.
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En tal virtud el canto inferior de las vigas proyectadas debe colocarse como
mínimo a la cota 118.52 m.s.n.m.m.
10. CÁLCULO DE SOCAVACIÓN
La estructura de fondo del presente estudio, se centra en el cálculo de la
socavación para una obra de arte tipo proyectada en el ponteadero en el caño
Camuara- San Andrés asumido un modelo Min -Transporte para el puente en
comento.
Sobre esta última consideración (modelo de puente asumido, para fines de
cálculo), es interesante anotar:
11. El cálculo de la socavación general del lecho del cauce es independiente del
escenario puente construido.
12. La socavación de los estribos y la socavación transversal es la misma para
cualquier tipo de puente (con estribos similares).
13. La socavación de las pilas, en el evento en que se decida hacer más de una
pila de apoyo o ninguna es independiente de las demás socavaciones y solo
aplica (cuando existe pilas) como una suma a la socavación general.
14. La socavación en curva, es independiente también del tipo de puente y no
aplica en sectores rectos del río, como es el caso presente.
15. En el evento de contar, con el diseño del puente, se ajustarán los cálculos al
diseño entregado.
A manera de fundamento conceptual son bien pertinentes las siguientes notas
temáticas del Ingeniero Jaime Ordoñez, máxima autoridad Colombiana en la
materia:
“Los procesos de socavación de lechos aluviales se dividen usualmente en
procesos de socavación local y de socavación general: los primeros son aquellos
que ocurren en zonas específicas del cuerpo de agua, como en el sector externo
de una curva pronunciada; un estrechamiento natural o artificial; frente a
obstáculos como pilas de estribos o puentes, o a la salida de una estructura
hidráulica. El cálculo en estos casos se basa casi siempre en la suposición de que
tarde o temprano se alcanza un estado de equilibrio, bien sea por el lado
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hidráulico, (reducción en la velocidad en el campo de flujo a medida que
progresa el proceso), o por el lado sedimentológico (reducción de la capacidad
de transporte hasta el valor de la tasa de abastecimiento), aunque casi nunca se
hacen suposiciones sobre la tasa de abastecimiento sólido a la zona socavada.
El segundo tipo de socavación ocurre casi siempre sobre un sector relativamente
amplio de un cauce natural, y se debe a fenómenos permanentes o temporales
de abastecimiento, que introducen variación en la posición de un lecho en un
cauce dentro de un ciclo hidrológico normal, sin que ello implique un estado
permanente de desequilibrio morfológico, ya que continua siendo una curva
estable de un nivel contra caudal.
Para la socavación general se utiliza la ecuación de MAZA y los Autores (Germán
del Campo y Jaime Ordoñez), han formulado un ecuación que relaciona la
profundidad local y el caudal de ancho de la sección”.
En el presente estudio usaremos los dos métodos enunciados.
15.1. SOCAVACIÓN GENERAL
METODO DE MAZA
1/1+x
5/3
a . Ho
Hs=( -----------------------) 0.28
0.68 Dm B j
Para suelos granulares
5/3 1/1+x
a . Ho
Hs=( ------------------------) 1.18
0.68 Ws B
Para suelos cohesivos
Qd
a= ----------------------- 5/3
(Hm) Be. u
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Hs = Desnivel entre la superficie del agua y el fondo erosionado.
Ho= Desnivel entre la superficie del agua (al pasar la avenida) y el fondo
Original.
Hm= Tirante hidráulico medio (A/Be)
Be= Ancho Libre.
Qd= Caudal de Diseño.
Dm= Diámetro medio; si el material del fondo es friccionante.
Ws= Peso volumétrico seco.
j= Coeficiente que depende de la concentración del material transportado
suspensión.
B= Coeficiente que depende del período de retorno del Q diseño.
u= Coeficiente que depende de la contracción del cauce.
x= Exponente en función de Dm o de Ws según el tipo de material del
fondo.
B= 0.0973 Log (T) + 0.79
j= 1.51 Ws – 0.54 2
x= -0.0089 Log (Dm) -0.041Log (Dm)+ 0.395
Datos, variables e índices de cálculo. Qd= 220 m3 /seg. 2
A= 170.15 m2 Be= 49.36 m Hm= 3.45 m
Ho= 5.65 + (3.45 – 3.03) = 6.07 m
Dm= 0.062 mm (ensayos San Andrés)
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Ws= 1.73 Tn/ m3 (ensayos C. Camuara-Avispas).
u= 1.0 Tabla 4 (V<1; luz= 25 m).
X= 0,43; 1/1 + x = 0,70 (Dm 0,05 mm)
B= 0,77 (T=100 años)
j= 2,08
Hs= 8,84 m por influencia Dm 50% Hs= 6,11 m por influencia Ws 50%
_
Hs MAZA = 0,50 . 8,8416 + 0,50 . 6,1128 = 7,4772 m
La socavación según formulas de MAZA está a 7,4772 m por debajo del nivel de
aguas máximas. 1,41 m por debajo de cota fondo (7,4772-6,0700)
METODO DEL CAMPO ORDOÑEZ
2 2 1/3
Y = (q /gF m) Max max
Y = Tirante de la lámina de agua nivel máximo, medidas hasta la cota de
Max socavación.
o.94
q = 1,81 q Max
q = Caudal máximo de la Sección = Q/T 3
Q = Caudal máximo de la sección (128,76 m /seg.)
T = Superficie libre (49,36)
Fm = Número de Froude mínimo para máxima profundidad.
Fm = 0,85 F + 0,01 2 3 2
F = ( q /y D )
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Y = 7,15 m por debajo del nivel de aguas máximas (7,15 – 6,07 = 1,08 m por
Max debajo de la cota de fondo).
La socavación general calculada por los dos métodos bien diferentes está muy
próxima entre sí (4,37%).
Por factor de seguridad y por validez técnica se tomó como socavación general
el resultado del método de Maza.
En tal virtud la socavación general de caño Camuara-San Andrés está 7,48 m por
debajo del nivel de aguas máximas ó 1,41 por debajo de la cota fondo,
equivalente a 108,54 m.s.n.m.m.
15.2. SOCAVACIÓN TRANSVERSAL.
La Socavación transversal o por contracción es considerada en la ecuación de
Maza. Consiste en el descenso del fondo del río en aquellas secciones donde se
reduce el ancho, debido a la mayor velocidad de la zona. Esto ocurre cuando se
construyen obras dentro del cauce del río (escenario con puente). 0,6421
Ht = Ho (Bo/Bt) Ecuación de Straub
H = Tirante en las secciones inalteradas (0) y reducidas (t)
Bo = 49,36 m
Bt = 49.36 – (longitud ocupada por estribos 8,00m – y por pila – 1,20 m -) = 40,16m
Ht = 1,61 m
Cota de socavación general corregida ((116,0) – (6,07 + 1,61)) = 108,33 m.
15.3. SOCAVACIÓN LOCAL EN ESTRIBOS.
Es el descenso del fondo debido a la presencia de estribos del puente, por el
método de Artamanov.
St = Ho P . P . P 1 2 3
Ho = Tirante de la lámina de agua en el estribo considerada ya la socavación
general corregida.
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P1 = Coeficiente que depende del ángulo del eje del puente con la dirección
de la corriente. (Tablas).
P2= Coeficiente que depende de la relación entre el caudal interceptado por
el estribo y el caudal de diseño (Tablas)
P3= Coeficiente que depende del talud
P1 = 1,0 (90º); P2 = 1,0 (0); P3= 0,5155 St = 0,83 m.
Nivel Lámina de agua máxima en estribos = 116,01 m.s.n.m.m.
Cota fondo original estribos = 116,01 – 1,20 = 114,81 m.s.n.m.m.
Cota socavación estribos = 113,98 m.s.n.m.m.
15.4. SOCAVACIÓN EN CURVA.
Es la socavación más adversa, se genera en la curva externa del río y viene
calculada por la ecuación Altumy.
H max. = e H REC
H max. = Profundidad máxima de socavación en la curva.
e = Coeficiente que depende de la relación (R/B) entre el ancho de la curva y
la superficie libre.
HREC = Tirante en el tramo recto.
La socavación en curva no aplica en el presente caso.
15.5. SOCAVACIÓN LOCAL EN PILAS
Calculada por la ecuación de Nelly
ds = 1.5 q Hs
Hs = Socavación general corregida (1.6)
A = ancho de la pila (1.20m).
ds = 1.96 m.
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La socavación en la pila será la suma de la socavación general ajustada por
contracción, más la socavación calculada por Nelly; así:
S pila = 1,61 + 1,96 = 3,57 (en el punto más desfavorable; para un tirante
Original de 6,07).
Nivel de lámina de agua máxima en la pila = 116,01 m.s.n.m.m.
Cota fondo original pila (116,0 – 6,07) = 109,94 m.s.n.m.m.
Cota de socavación pila = 109,94 – 3,57 = 106,37 m.s.n.m.m.
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16. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
PRODUCTO DEL ESTUDIO:
Caudal de Diseño Definitivo: 220m3/seg.
Cota nivel aguas máximas: 116,01 m.s.n.m.m.
Gálibo del puente: 2,50m sobre nivel de aguas máximo (118,51 m.s.n.m.m.)
Socavación General: 1,41 bajo cota fondo máxima general equivalente a
108,54 m.s.n.m.m
Socavación General Ajustada: 1,61 m bajo cota fondo máxima general
equivalente a 108,33 m.s.n.m.m
Socavación Local Estribos: 0,83 bajo cota fondo lateral izquierda y derecha
equivalente a 113,98 m.s.n.m.m.
Socavación Local Pila Ajustada: 3,57m equivalente a 106,37 m.s.n.m.m
R/ Caudal de Diseño:
-El caudal de diseño suministrado (Oliveros) y el caudal de diseño definitivo del
presente estudio, están bastante próximos. El consultor ajustó por encima el
caudal máximo para la sección por el método de Del Campo – Ordóñez, al
considerarlo de mayor rigor técnico, que la simple amplificación valorada por la
normatividad temática empleada en el primer cálculo. Este mayor margen de
seguridad entrega a su vez una mejor certidumbre de aproximación para los
posteriores cálculos de la socavación
R/Gálibo:
-Se considero un gálibo de 2.50, en lugar de 2.00m también permitido, dado el
factor de inundación de la sabana y el transporte potencial de árboles de los
márgenes naturales del caño Camuara.
R/Puente Tipo
-Es claro, que se partió de la consideración previa de asumir un puente tipo de 2
luces de 25 m, con estribos y pila central. Se reitera como conclusión que las
socavaciones calculadas, no experimentan en general cambios significativos al
variar el tipo de puente finalmente diseñado, dado la independencia de la
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principal socavación calculada (socavación general). En tal razón, ante la
ausencia de diseño definitivo los cálculos realizados tienen un buen nivel de
certidumbre, y sin embargo se pueden ajustar con el diseño final del puente.
R/Socavación
-Los caculos efectuados por dos métodos bien diferentes (Maza y Del Campo-
Ordoñez), pero ambos con suficiente rigor técnico, aplicados según criterio del
consultor, en el presente estudio son muy aproximados, lo que de por si valora la
certeza del cálculo integral del ítem (4.37% de diferencia). En este caso al asumir
el resultado encontrado por la ecuación de maza estamos a favor de una mayor
seguridad.
R/Metas Del Estudio
-El consultor las considera logradas, con la correspondiente fuente de
incertidumbre, dado la insuficiencia de datos de las estaciones hidrométricas y la
ausencia de diseño definitivo de la Obra de Arte a construir en el caño Camuara-
San Andrés.
16.1. RECOMENDACIONES
Al tener el diseño definitivo del puente, es conducente la aplicación de los
cálculos a las cotas de diseño, que no deben estar por encima de las
profundidades (cotas mínimas de socavación) aquí valoradas. De igual manera el
gálibo será también válido para todo diseño del escenario “proyecto con
puente”.
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BIBLIOGRAFÍA
Manual de Hidrología. Instituto de Hidrología España (1976)
CEDEX. Máster en hidrología general y aplicada. Centro de estudios de experimentación de Obras Públicas – Madrid
Linsley, KOHLER Y Paulus. hidrología para ingenieros. McGraw Hill 1988
McCuen Richard. Statiscal hydrology. prentice Hall , New Jersey 1993
Curso de Hidráulica de transporte de sedimentos – Ing. Jaime Iván Ordoñez – UFPS San José de Cúcuta 1998
Control de Erosión – Ing. Jaime Suarez _ UIS 1998
Universidad Nacional – Facultad de Minas. Aprovechamiento de recursos hidráulicos 1997
Ven Te Chow. hidráulica
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ANEXOS.
ANEXO A. SECCIÓN TRANSVERSAL CAÑO
CAMUARA
CAÑO CAMUARA PREDIO SAN ANDRÉS
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ANEXO B. TABLAS PARA EL CÁLCULO DE
SOCAVACIÓN. Tomado del Manual de Ingeniería para el Control de Erosión.
ING Jaime Suarez - UIS
Imagen A: Tabla 2.3 Velocidades medias necesarias para producir desgaste. Tabla 2.4
Coeficiente de Contracción.
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Imagen B: Tabla 2.5 Valores de X y Z para suelos cohesivos y no cohesivos
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Imagen C: Tabla 2.6 Valores de β en función de la probabilidad de que pueda
presentarse el caudal de diseño.
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Imagen D: Tabla 2.7 Velocidades medias de la corriente que son admisibles (no erosivas)
para suelos cohesivos en M/s.
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Imagen E: Tabla 2.8 Velocidades medias admisibles de la corriente (no erosivas) para
suelos no cohesivos. En M/seg.
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Imagen f: Tabla 2.9 función del peso en función de la mezcla agua – sedimento. Tabla
2.10 coeficientes para el cálculo de la socavación en curvas. Tabla 2.11 Coeficientes para
el cálculo de la socavación en curvas. Tabla 2.12 Valores de Pδ en función del ángulo de
inclinación δ. Tabla 2.13 Valores de Pk en función de talud k.
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ANEXO C. REGISTRO FOTOGRÁFICO
Ponteadero caño Camuara predio San Andrés, línea de posible inicio del futuro
puente, estribo izquierdo aguas abajo.
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Caño Camuara, ponteadero predio San Andrés, aprox. 3.00 km del río Meta dirección casa del predio.
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Predio caño Camuara, el punto señala el posible eje de la vía futura.
Punto de marca, señala el nivel de la última crecida de aguas máximas (2010- julio) .información y señal del Ing. residente SUGRANEL. El ing. líder del estudio Guido Gasca referencia el sitio.
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Predio San Andrés, sobre futuro eje de la vía de acceso al puente, se observa algunos esteros. El tiempo de la visita correspondió (primera semana de septiembre /2010) a época de precipitaciones medias altas.
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ANEXO D. ESTUDIO DE SUELOS
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Elaboró:
RAFAEL HUMBERTO GUERRERO JAIMES Ingeniero Civil de la UIS
MP No. 738 / Santander
Diplomado en Hidrología y Recursos Hídricos.
Especialista en Ingeniería de Gestión Ambiental con énfasis en
Geotecnia y Saneamiento Básico.